一种梯度超细晶结构低碳微合金钢及其制备方法与流程

本发明属于金属材料加工制备技术领域，具体涉及一种梯度超细晶结构低碳微合金钢及其制备方法。

背景技术：

提高高强钢或超高强钢的塑性、韧性和成形性能是“新一代钢铁材料”研究的重点方向。作为“新一代钢铁材料”的代表，超细晶粒钢具有显著的强韧化特征，通过晶粒的超细化同时实现强度的上升和韧性的改善，在汽车节能减排、减少建筑结构用钢量等具有良好的应用前景。然而，晶粒的超细化过程中大量缺陷的产生是不可避免的，伴随着强度水平的显著提高，材料的塑性、韧性和加工硬化能力通常会降低，这种强度-塑性/韧性之间的“倒置”关系已成为高强度或超高强度钢铁材料发展的一大瓶颈。

在金属材料中引入梯度结构(如晶粒尺寸、片层厚度等)是一种金属材料的改性方法，使金属材料表现出超细晶/纳米晶的高强度和高硬度性能，同时保留粗晶结构的塑性与韧性，能够较好的解决超细晶/纳米晶材料的韧塑性问题，实现强度与塑性的完美匹配。近年来，许多学者围绕着梯度结构材料开展了广泛的研究工作。

目前，在金属材料中实现晶粒尺寸呈梯度分布，可通过梯度塑性变形和梯度物理或化学沉积方法制备。

梯度塑性变形制备梯度结构主要是通过对金属表面进行剧烈塑性变形，由于载荷作用沿深度方向逐渐减小，表层塑性变形程度最大，应变量沿深度方向逐渐减小，导致在材料表面沿深度方向变形成了超细晶层、变形粗晶层以及粗晶基体的分层结构。代表技术为高压扭转、表面机械研磨、高速喷丸冲击以及激光冲击强化等技术。此类方法主要通过对材料的粗晶表层进行剧烈塑性变形，致使粗晶组织逐渐细化至超细晶、纳米晶。表层超细晶层组织与基体组织无明显的界面层，并不会出现梯度功能材料表层与基体之间发生分离与脱落的现象。但是梯度塑性变形法具有一定的局限性，如试样经过高速喷丸冲击处理后，表面质量(如粗糙度)随着塑性变形的增加而变差，对材料的力学性能产生不利影响。此外，受变形深度的限制，梯度塑性变形制备的梯度结构层只有几百微米(100～300μm)，无法制备大尺寸梯度结构，工业化应用前景有限。并且，该方法对试样的形状要求较高，仅适用于cu、if钢、不锈钢等具有较好塑性的材料。

梯度物理或化学沉积方法是通过控制物理或化学沉积动力学过程，控制沉积材料的结构和成分，实现结构或成分的梯度变化。样品厚度和晶粒尺寸梯度均可调节，例如，通过控制电化学沉积参数，可制备出晶粒尺寸从10nm梯度变化到数十微米的纯ni样品。常用的物理沉积方法有溅射沉积、激光沉积等，常用的化学沉积方法有化学气相沉积(cvd)、电化学沉积等。但在物理或化学沉积过程中不可避免的产生一些缺陷，如内应力和杂质偏析，对材料性能产生不利影响，此外设备较为复杂、成本较高。

现有的技术中也公布了一些在金属表面制备梯度结构的方法，如专利cn105821180a公布了一种金属表面构筑粗晶-细晶梯度结构的方法，采用激光表面热处理，通过调控激光参数获得由表及里、晶粒尺寸均匀减少的梯度结构。但是工艺程序控制较为复杂，在激光表面热处理之前需要处理样品表面，激光光斑、搭接率、扫描速率、激光功率等参数需要在一定范围之间相互配合才能形成良好的尺寸梯度结构，此外，局限于样品在热处理时不能发生相变，不利于应用在热处理时易于发生相变的钢铁材料。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种梯度超细晶结构低碳微合金钢及其制备方法。该方法结合异步轧制压剪复合机制与应变诱发铁素体相变机制，在样品中引入应变梯度和动态相变梯度，在获得超细晶晶粒的同时，得到厚度方向晶粒尺寸呈梯度分布的组织形态，进而在保持金属材料塑性与韧性的同时有效提高了金属材料的强度与硬度，改善了材料的综合性能。

本发明的一种梯度超细晶结构低碳微合金钢，其包含的成分及各个成分的质量百分比为：c为0.08～0.15％，mn为0.5～1.5％，si为0～1.0％，nb为0～0.05％，ti为0～0.1％，余量为fe及不可避免的杂质。

作为优选，所述的梯度超细晶结构低碳微合金钢，其包含的成分及各个成分的质量百分比为：c为0.12％，mn为1.35％，si为0.49％，nb为0.035％，ti为0.019％，余量为fe及不可避免的杂质。

所述的梯度超细晶结构低碳微合金钢，其组织为超细的动态相变铁素体和弥散分布的粒状马氏体；沿热轧板材厚度方向，铁素体的平均晶粒尺寸从0.60～0.80μm梯度过渡到2～3μm尺度，实现了从亚微米到微米尺度的过渡。

所述的梯度超细晶结构低碳微合金钢，其抗拉强度为900～1005mpa，屈服强度为620～780mpa，延伸率为16～22％，均匀延伸率为13～18％，屈强比为0.7～0.8。

本发明的一种梯度超细晶结构低碳微合金钢的制备方法，包括步骤1的熔炼、步骤2的锻造、步骤3的常规热轧和步骤4的异步热轧，其中，步骤4的异步热轧，其工艺参数为：将热轧后的板材加热至950～1200℃，保温10～30min，进行异步热轧，水淬至室温，制得梯度超细晶结构低碳微合金钢；其中，异步热轧中，异步热轧的终轧温度为750～850℃，上辊的线速度和下辊线速度相差1.3～2倍，总压下量为50％～75％。

其中，

所述的步骤1的熔炼中，具体步骤为：按照梯度超细晶结构低碳微合金钢的化学成分和配比，配料，将原料混合后，在1600～1700℃进行熔炼，浇铸得到铸锭；

所述的步骤1中，所述的熔炼采用真空感应熔炼炉。

所述的步骤2的锻造中，具体步骤为：将铸锭加热至1100～1250℃，保温2～4h，锻造，空冷至室温，得到方锭，将方锭进行切削处理，得到切削后的方锭；

所述的步骤2中，切削为将方锭切削，得到厚度30～40mm的方锭；

所述的步骤3的常规热轧中，将切削后的方锭，加热至1000～1200℃，保温1～3h，热轧，得到热轧后的板材；其中，热轧过程中，总变形量为80～90％；

所述的步骤3中，所述的热轧，采用二辊热轧机，开轧温度为1150℃，终轧温度为870℃，热轧的轧制道次为6～8道次热轧，得到的热轧后的板材的厚度为4～8mm。

所述的步骤4的异步热轧中，异步热轧的道次为1道次。

所述的梯度超细晶结构低碳微合金钢为梯度超细晶结构低碳微合金钢板，其厚度为1.20～2.00mm。

本发明的一种梯度超细晶结构低碳微合金钢及其制备方法，其形成梯度超细晶结构的原理为：结合异步轧制压剪复合与应变诱发铁素体相变机制，在板材厚度方向引入应变梯度和动态相变梯度，在获得超细晶铁素体的同时，得到厚度方向晶粒尺寸呈梯度分布的组织，即沿热轧板材厚度方向，铁素体的平均晶粒尺寸从0.60～0.80μm梯度过渡到2～3μm尺度，实现了从亚微米到微米尺度的过渡，从而使金属材料同时兼备超细/纳米晶的高强度和粗晶结构的塑性与韧性，改善了材料的综合性能。

本发明关于一种梯度超细晶结构低碳微合金钢及其制备方法，与现有技术相比，具有如下优点：

本发明生产的梯度超细晶结构低碳微合金钢，首次利用变形与相变相结合，通过异步轧制的压剪复合机制在钢板厚度方向引入应变梯度，促进铁素体发生动态相变梯度，具有生产工艺简单、生产周期短、节约能源、降低成本等优点；其制备出的钢板力学性能优良，具有优良的强韧性(抗拉强度为960mpa，延伸率达22％)，且屈强比在0.7，与传统热轧钢板相比具有强塑积的优势，兼具优异的加工硬化能力和成形性能。

附图说明

图1为本发明实施例1中制备的梯度超细晶结构低碳微合金钢板沿厚度方向的金相显微组织图；

图2为本发明实施例1中制备的梯度超细晶结构低碳微合金钢板沿厚度方向的晶粒尺寸统计图；

图3为本发明实施例2中制备的梯度超细晶结构低碳微合金钢板沿厚度方向的金相显微组织图；

图4为本发明实施例2中制备的梯度超细晶结构低碳微合金钢板沿厚度方向的晶粒尺寸统计图；

图5为本发明实施例3中制备的梯度超细晶结构低碳微合金钢板沿厚度方向的金相显微组织图；

图6为本发明实施例3中制备的梯度超细晶结构低碳微合金钢板沿厚度方向的晶粒尺寸统计图；

图7为本发明实施例1制备的梯度超细晶结构低碳微合金钢板沿应变梯度方向的ebsd图；

图8为本发明实施例1制备的梯度超细晶结构低碳微合金钢板晶粒尺寸随厚度的变化规律。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步描述，并非对本发明保护范围的限制。

实施例1

一种梯度超细晶结构低碳微合金钢板，其包含的化学成分及各个化学成分的质量百分比是：c为0.12％，mn为1.35％，si为0.49％，nb为0.035％，ti为0.019％，余量为fe及不可避免的杂质。

一种梯度超细晶结构低碳微合金钢板的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)熔炼：按上述梯度超细晶结构低碳微合金钢板的化学成分及组成配料，并将其加入到真空感应熔炼炉中，在1650℃温度熔炼，浇铸得到50kg圆锭；

(2)锻造：将50kg圆锭，在1150℃，保温3h，锻造，空冷至室温，得到100mm×100mm方锭，将方锭切成30mm×100mm×100mm，得到切削后的方锭；

(3)常规热轧：将切削后的方锭加热至1200℃后，保温2h后，在二辊热轧机上进行6道次热轧，得到6mm厚的热轧板材，总变形量为80％；

(4)异步热轧：将6mm厚的热轧板材，加热至1200℃，保温15min，进行异步轧制，终轧温度为800℃，异步轧制采用的双辊轧制机，其两个辊的辊径比为2:1，上辊的线速度和下辊线速度相差2倍，进行1道次异步轧制，压下量为75％，得到1.35mm厚的钢板，然后水淬至室温，制得梯度超细晶结构低碳微合金钢板。

本实施例制备的梯度超细晶结构低碳微合金钢板，其抗拉强度为1005mpa，屈服强度为780mpa，延伸率为18.1％，均匀延伸率为13.5％，屈强比为0.73。

本实施例制备的梯度超细晶结构低碳微合金钢板沿厚度方向1/8(a)、2/8(b)、3/8(c)、4/8(d)、5/8(e)、6/8(f)、7/8(g)和8/8(h)区域所对应的金相显微组织见图1，梯度超细晶结构低碳微合金钢板沿厚度方向的晶粒尺寸统计见图2。

对本实施例制备的梯度超细晶结构低碳微合金钢板进行分析，其沿应变梯度方向的ebsd图见图7，图7为制备的梯度超细晶结构低碳微合金钢板沿厚度方向的晶粒分布图，可以看到其粒径呈现梯度变化。

本实施例制备的梯度超细晶结构低碳微合金钢板晶粒尺寸随厚度的变化规律见图8，从图8中可以看出，沿热轧板材厚度方向，铁素体的平均晶粒尺寸从0.60～0.80μm梯度过渡到2～3μm尺度，实现了从亚微米到微米尺度的过渡，从而使金属材料同时兼备超细/纳米晶的高强度和粗晶结构的塑性与韧性，改善了材料的综合性能。

实施例2

一种梯度超细晶结构低碳微合金钢板，经过同实施例1相同的熔炼、锻造、常规热轧后，将热轧钢板加热950℃，保温15min，在800℃进行异步轧制，辊径比为2:1，压下量为75％，得到1.50mm厚的钢板，然后水淬至室温，制得梯度超细晶结构低碳微合金钢板。其力学性能参数为：抗拉强度为937mpa，屈服强度为662mpa，延伸率为21.6％，均匀延伸率为18％，屈强比为0.71。本实施例制备的梯度超细晶结构低碳微合金钢板沿厚度方向1/8(a)、2/8(b)、3/8(c)、4/8(d)、5/8(e)、6/8(f)、7/8(g)和8/8(h)区域所对应的金相显微组织见图3，其热轧试样沿厚度方向的晶粒尺寸统计见图4。

实施例3

一种梯度超细晶结构低碳微合金钢板，经过同实施例1相同的熔炼、锻造、常规热轧后，将热轧钢板加热950℃，保温15min，在750℃进行异步轧制，辊径比为2:1，压下量为75％，得到1.50mm厚的钢板，然后水淬至室温，制得梯度超细晶结构低碳微合金钢板。其力学性能参数为：抗拉强度为905mpa，屈服强度为628mpa，延伸率为16.8％，均匀延伸率为13.4·％，屈强比为0.73。本实施例制备的梯度超细晶结构低碳微合金钢板沿厚度方向1/8(a)、2/8(b)、3/8(c)、4/8(d)、5/8(e)、6/8(f)、7/8(g)和8/8(h)区域所对应的金相显微组织见图5，其热轧试样沿厚度方向的晶粒尺寸统计见图6。