专利名称：一种铜、镍合金化的孪晶诱导塑性钢铁材料及制备工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及铜、镍微合金化具有奥氏体结构的钢铁材料，具体地 说是一种高强度、高塑性的奥氏体结构的孪晶诱导塑性钢。
技术背景当今汽车工业的一个大的发展趋势，就是节能、降耗、有利于环 境和更安全，因此使用高强和超高强度钢以达到汽车的轻型化是汽车 近年研究的重点。高强度钢板对减轻汽车重量起着极其重要的作用。 对降低油耗，提高汽车构建强度，确保安全性能等也具有重要意义。 汽车设计中车身起着非常重要的角色。汽车生产企业努力开发新型材 料，采用高科技技术来保护驾驶员和乘车人的安全。当汽车碰撞时， 必须要具备两个性能，既有很好的延展性，又有足够的刚度，能在撞 击中更好地保护乘客。因此强度和延展性作为汽车用钢发展的重要的两个性能指标同时#:要求。奥氏体钢的性能主要取决于堆垛层错能，层错能决定了变形过程 中的主要变形机制。高锰奥氏体钢层错能较低，在塑性形变初期，低 的层错能将阻止晶粒交滑移，产生大量的层错，随着形变量的增加和 不完全位错的运动，高锰奥氏体钢会在层错的基础上形成孪晶。孪晶 界面的存在使位错运动的阻力增大，孪晶愈细愈多阻力愈大，孪晶的 数目多且细切割晶体的作用愈显著，导致材料的强度提高。正是由于 twip钢在变形过程中应变诱导产生形变孪晶，孪生调整了晶体的取向，使塑性变形得以继续进行，大量的孪晶的形成会4吏TWIP钢发生较好的无颈缩均匀延伸，因而表现出非常高的塑性。铜是一种强烈的强化元素，并且扩大奥氏体区，铜的另外一个特 性是一种降低层错能的元素。镍强烈的形成并且稳定奥氏体，在奥氏 体钢中随着镍的增加，残余的铁素体可以完全消失，并且镍可以显著降低(7相的形成倾向。镍的加入可进一步改善钢的韧性，降低加工硬 化倾向。通常在钢中加入铜的同时也加入一定量的镍，有利于降低热裂的问题， 一般镍和铜的比例在1: 3到1: 2之间。最近几年发展起来的强度和塑性较好的TRIP钢(应力诱发相变， 相变诱发塑性)，即采用热处理工艺，形成铁素体、马氏体和少量奥氏 体600-800MPa高强度和高延伸性的新钢种，其不同级别的Trip钢延 伸率保持在20-40%,其延伸率很难突破40%。 Sung-Joon Kim等人(文 献1: Sung-Joon Kim,Qiang Gil Lee,Tae-Ho Lee,Chang画saek Oh,Effect of Cu,Cr and Ni on mechanical properties of 0.15wt%C TRIP-aided cold rolled steels,Scripta Materialia 48(2003) 539-544 )研究的冷轧0.15%C的 Trip钢抗拉强度达到800MPa,而延伸率最高有34%。由以上分析表明，通过调整材料成分，控制材料层错能，使材料 在退火后产生退火孪晶并在外载荷作用下产生机械孪晶，使材料具有 高强度和高塑性的配比。从上述理论出发，本发明提出了一种高强度、 高塑性的具有孪晶和层错微结构的含磷钢铁材料及其制备方法。发明内容本发明的目的是提供一种加磷强化的孪晶诱导塑性具有高强度高塑性 的奥氏体钢铁材料及制备方法。 为了实现上述目的，本发明的技术方案如下一种铜、镍合金化的高强度高塑性孪晶诱导塑性钢铁材料，其化学
成分包括C%:0.02-0.06%， Mn%:23-33%, Al%:2.5-3.5%, Si%:2.5-3.5%， S%<0.008%, Cu: 0.2-0.3%, Ni: 0.3-0.4%。
生产上述的一种铜、镍合金化的高强度高塑性孪晶诱导塑性钢铁材 料的制备方法，其特征在于采用真空感应炉冶炼，加氩气保护，在 115(TC保温，在1100-850。C热轧，冷轧及热处理，其热处理工艺为在 750-1000。C保温IO分钟，水冷。
铜、镍微合金化的高强度高塑性孪晶诱导塑性钢铁材料，其微观 结构热处理后变形前是奥氏体基体中存在有大量的退火孪晶和层错， 其晶粒尺寸为2-40pm,退火孪晶生长并贯穿于晶粒内部；经变形后， 在外力作用下形成形变孪晶，取向相同的孪晶片层之间相互平行。正 是由于变形过程中形变孪晶的形成使材料在具有高强度的同时具有高 塑性。
本材料在室温条件下拉伸速度为3cm/min，可得到300-460MPa的 屈服强度和7350-900MPa的抗拉强度以及58.9-83.3。/。延伸率(A50)。 孪晶诱导塑性高强度高塑性的奥氏体钢铁材料的制备方法 采用电磁感应炉真空熔炼，充氩气保护，浇铸成板坯。 利用轧制技术，经热轧、冷轧，其中热轧的加热温度1150°C,保 温40min后，进行热轧，开轧温度1100。C,终轧温度不低于850°C ， 后空冷。经酸洗后进行冷轧至lmm厚的薄钢板，冷轧压下量控制在 75-80%,之后进行热处理。 本发明具有如下优点 1.具有优良的性质。本发明利用轧制技术和热处理工艺制备出具有退 火孪晶和层错的奥氏体晶粒，其大小为2-40)im,具有独特的微观结构。 本发明材料具有很高的延伸率,A50可高达83.3%,该塑性指标已远远高于用其他传统方法制备的钢铁材料。并且其强度同时可达到300MPa 的屈服强度和735MPa的抗拉强度。
2. 应用前景好。由于本发明中这种钢铁材料特殊的化学成分经过简单 的热处理后具有退火孪晶的奥氏体组织结构，使得材料具有高强度的 同时具有高塑性。因此，这种高强度高塑性的钢铁材料对高速发展的 汽车行业及军工用品方面和需要的发展具有重要价值
3. 制备方法简单。本发明利用传统的炼钢技术、轧制工艺和热处理技 术，只需控制热处理温度和时间及冷却速度即可获得这种具有孪晶组 织的高强度高塑性的钢铁材料。
4成本低。本发明的钢铁材料不需要添加贵重的合金元素，只需常用 的价格较低的锰、铝、硅元素即可获得本钢铁材料，所添加的铜、镍 量少，效果明显。
图1为本发明高塑性、高强度孪晶诱导塑性钢铁材料变形前的金相组 织照片
图2为本发明高塑性、高强度孪晶诱导塑性钢铁材料变形后金相组织 照片
图3为本发明高塑性、高强度孪晶诱导塑性钢铁材料变形前热处理后 的TEM照片的退火孪晶。
图4为本发明高塑性、高强度孪晶诱导塑性钢铁材料变形后的TEM照 片的变形孪晶和二次孪晶形貌。
图5为本发明高塑性、高强度孪晶诱导塑性钢铁材料的拉伸曲线。
具体实施例方式
下面附图和实施例详述本发明实施例1
1. 利用传统的真 空冶 炼和热轧、冷轧工艺制备出钢板
冶炼工艺采用电》兹感应炉真空熔炼，充氩气保护。 轧制工艺钢铁材料铸坯加热温度为U50。C,保温40分钟。在350 二 辊热轧机上热轧，得到厚度为3 3.77mm左右的热轧薄板，总变形量 为80~90%,其开轧和终轧温度分别为1100。C和850°C。在430四辊 冷轧机上冷轧，冷轧至1 .Omm厚的试验薄板。
2. 热处理工艺将1 .Omm厚的冷轧钢板在加热炉中在1000。C保温10 分钟后，水冷。
光学显微组织观察其室温组织为奥氏体基体的退火孪晶，退火后的组 织有边界平直的退火孪晶出现(图1-1所示)，其晶粒大小20-40pm。 通过TEM观察内部为大量的层错和孪晶共存结构，图l-3所示的退火 孪晶，孪晶间距细小，只有500nm。 Shockley位错包围的层错，与试 样上下膜面相截，形成平行片状的形貌。是由于层错能较低，由全位 错分解而来的两个偏位错。拉伸变形后的光学显微组织，在外力作用 下原来的退火孪晶发生变形，产生了大量的更为细小的变形孪晶图1-2 所示。其TEM微观组织如图1-4所示的变形孪晶中有Tl和T2两组孪 晶堆垛而成的不同取向、不同厚度的两个孪晶系统。Tl比T2厚一些， 说明这两个系统在变形过程中并不是同时生成的，证实了晶粒内同时 存在两个先后被激活的孪晶系统。因此发生了孪晶诱发塑性效应，使 钢板具有优良的力学性能。
高强度、高塑性孪晶诱导塑性钢铁材料的室温拉伸图l-7所示为高强 度、高塑性孪晶诱导塑性钢铁材料的室温下的真应力-应变曲线。得到 的735+±10MPa的抗拉强度，和300士10MPa的屈服强度以及83.3±3% 延伸率。实施例2
与实施例l不同之处在于热处理温度的控制，只将热处理温度控 制在750。C,保温10分钟后，水冷。
该工艺条件下同样制备出高强度、高塑性的孪晶诱导塑性钢，透 射电子显微镜观察该钢铁材料也由奥氏体基体中存在退火孪晶和层错 的微观结构，其晶粒尺寸2-5pm。该钢铁材料在室温的屈服强度 460士10MPa,抗拉强度900士10MPa,延伸率58.9±3%。
权利要求
1.一种铜、镍合金化的孪晶诱导塑性钢铁材料及制备方法，其化学成分包括C％0.02-0.06％，Mn％23-33％，Al％2.5-3.5％，Si％2.5-3.5％，S％＜0.008％，其特征是所述化学成分还包含Cu0.2-0.3％，Ni0.3-0.4％。
2. 生产如权利要求1所述的一种铜、镍合金化的孪晶诱导塑性钢铁材 料及制备方法，其特征在于采用真空感应炉冶炼，加氩气保护。在 1150。C保温，在1100-850。C热轧，冷轧及热处理，其热处理工艺为 在750-1000°C保温10分钟，水冷。
全文摘要
本发明是一种铜、镍合金化的孪晶诱导塑性钢铁材料及制备方法。加入0.2-0.3％的铜和0.3-0.4％镍微合金化的TWIP钢通过轧制及热处理，制备出高强度、高塑性的孪晶诱导塑性钢，其微观结构经热处理后是2-40μm的奥氏体晶粒中上存在有退火孪晶，经变形后形成了具有层片结构的机械孪晶。本发明可通过工艺控制得到不同级别的强度和塑性的配比，可得到300-460MPa的屈服强度和735-900MPa的抗拉强度以及54.6-83.3％延伸率。使钢的强度在同等条件下不降低塑性的同时使TWIP钢的强度提高50-80MPa，本发明制备的高强度、高塑性的钢铁材料对迅速发展的汽车产业具有重要的价值和极大的应用空间。
文档编号C21D8/00GK101235464SQ20071017835
公开日2008年8月6日 申请日期2007年11月29日 优先权日2007年11月29日
发明者代永娟, 荻 唐, 李慎升, 江海涛, 王海全, 米振莉 申请人:北京科技大学