一种高强度微晶体薄钢板材料及其制备方法

专利名称：一种高强度微晶体薄钢板材料及其制备方法
技术领域：
本发明属于材料技术领域，特别涉及一种高强度微晶体薄钢板材料及其制备方法。
背景技术：
钢材是一种在航空、核能、舰船、石化等领域用途最广泛的材料，随着技术的发展， 对钢材在大应变量和高度加载等极端条件下的研究日渐增多，目前汽车用钢主要致力于研究提高钢的强度并保持其成形性，研制质量轻、耐冲击的运输工具体系的新设计理念，要求开发强度高、塑性好及能量吸收能力强，比质量轻的材料，提高强度和塑性能够减轻运输工具的重量，满足复杂车型设计，提高驾乘安全性能的要求。目前我国的汽车用钢技术仍不能完全满足汽车工业发展的需求。高锰钢研究与使用的历史悠久，具有良好的加工硬化性能，因而广泛用于制造抗冲击磨损的工件，近年高锰钢在理论研究和实际应用方面日益受到重视。高锰钢在变形过程中因稳定奥氏体相中形成应变诱导孪晶而获得良好的塑性，但实践中发现只有冲击大、 应力高、磨料硬的情况下，高锰钢的高耐磨性才能得到体现，且常规的高锰钢屈服强度低， 初次使用时容易变形，并造成较大的磨损，在寒冷地区使用经常发生高锰钢部件脆性断裂现象。如何提高高锰钢的屈服强度和塑性，降低使用时的变形量继而提高其抗冲击性和耐磨性，以适应汽车工业的发展是目前研究的重点之一。对一种材料来讲，其极限强度就是理论剪切强度，即在没有任何缺陷的单晶体材料中获得的强度值，但实际的材料的强度要比理论预测的剪切强度低好几个量级，这是由于在材料表面或材料内部或多或少都存在一定数量的缺陷(如位错)所致；如果在制备工艺中尽可能的减少(控制)缺陷数量，就可以提高其实际剪切强度到接近于理论剪切强度。在工程应用上，为了强化材料采用细化晶粒法，利用大量存在的晶界在限制或钉轧位错运动来提高材料的强度，其原理可由Hall-Petch关系ο = ο JkcTv2来描述，通过测量韦氏硬度估计材料的压缩流变应力(oy = HV/3) ；HalI-Petch关系表明材料的韦氏硬度与晶粒尺寸平方根成反比，即HV = HV0 +晶粒细化到纳米尺度，单位体积中总的晶界面积达到ΙΟ6 —、2时，通常能够获得较高的强度，大多数金属材料的屈服强度和硬度值随晶粒尺寸的减小表现出增加的趋势，很好地遵从Hall-Petch关系。普通粗晶体钢(晶粒尺寸约为100 mm)在室温下拉伸的屈服强度(oy)仅为90 MPa，超细晶微合金钢(晶粒尺寸约为6 mm)在室温下拉伸，其屈服强度σ,约310 MPa0代永娟等人采用真空熔炼并结合轧制技术所制备的 Fe-25Mn-2. 89Si_3. 02A1-0. 015C 钢，冷轧板经 800°C退火 lOmin，晶粒尺寸约为 2 5 μ m， 在室温拉伸时，其屈服强度为700 MPa，抗拉强度为1300 MPa (Fe-Mn TWIP钢退火态的微观结构特征，材料热处理学报，卷31,56-60 (2010));虽然该方法所制备的材料具有较小的晶粒尺寸，但是晶粒内部的孪晶亚结构宽度在300nm以上，密度较小，其屈服强度及抗拉强度较低。包卫平等人采用真空感应炉氩气保护熔炼方法所制备的 ^-30Μη-33 -4Α1 TffIP
3钢，在1000°C保温45min固溶，平均晶粒尺寸约为50 μ m，其屈服强度为311 MPa，抗拉强度约670 MPa (不同热处理工艺对i^e-30Mn-3Si-4Al TWIP钢力学组织性能的影响，精密成型工程，卷2，5-9 (2010));其塑性较好，但屈服强度及抗拉强度较低，对高强度及高耐磨性能要求较高的应用领域还不能满足要求。法国Bouaziz等人通过真空熔炼方法制备 ^ Fe-22Mn-0. 6C (JCM 3 0. Bouaziz, C. P. Scott, G. Petitgand, Nanostructured steel with high work-hardening by the exploitation of the thermal stability of mechanically induced twins, Scripta Mater. , Vol. 60， 714—716 U009))，在变形后微观结构中存在高密度的孪晶，抗拉强度可达到1500 MPa，但是屈服强度比较低，仅为300 MPa。

发明内容
针对现有高锰钢材料存在的综合性能上的不足，本申请提供一种高强度微晶体薄钢板材料及其制备方法。本发明的高强度微晶体薄钢板材料的成分按重量百分比含Mn20士 l%，Si3士0. ， A13士0. 5%，C0. 045士0. 001%,余量为!^e和不可避免杂质，厚度为广3. 5mm,抗拉强度为 1500 1930MPa，屈服强度为120(Tl650MPa，拉伸率为10 22%。上述的高强度微晶体薄钢板材料的微观结构由等轴的晶粒组成，晶粒的粒径在 5^20 μ m,晶粒中的孪晶占晶粒总面积的35-60%，孪晶的宽度为KTlOOnm。本发明的高强度微晶体薄钢板材料的制备方法按以下步骤进行
1、选用金属铁、金属锰、金属铝和金属硅在保护气体条件下冶炼，然后浇注成铸锭，铸锭的成分按重量百分比含Mn20士 l%，Si3士0. 3%，A13士0. 5%, C0. 045士0. 001%，余量为Fe和少量不可避免杂质；
2、将铸锭加热至1150士10°C保温广3h，再在105(T115(TC进行第一阶段热轧，第一阶段热轧的压下量为4(Γ60% ；然后在82(T950°C进行第二阶段热轧，两个阶段热轧的总压下量为78 83% ；热轧完成后以3(T60°C /s的速度冷却至650士 10°C，保温0. 5 lh，再水冷至常温，获得热轧钢板；
3、将热轧钢板进行冷轧，冷轧变形量为3(Γ55%，再在500士10°C条件下保温广5h，随炉冷却至常温，获得高强度微晶体薄钢板材料。上述的高强度微晶体薄钢板材料中所述的高强度即指其抗拉强度为 1500 1930MPa，屈服强度为 1200 1650MPa。上述方法选用的金属铁按重量百分比含C 0. 002^0. 008%, MnO. Γθ. 2%， Α10. 05 0. 08%, SiO. 03 0. 06%，余量为Fe和不可避免杂质。上述方法选用的金属锰按重量百分比含C 0. 07、. 09%, Fel.广2. 2%， SiO. 03 0. 04%，余量为Mn和不可避免杂质。上述方法选用的金属铝按重量百分比含！^eO. Γ0. 2%，SiO. 02、. 05%, MnO. 00Γ0. 002%，余量为Al和不可避免杂质。上述方法选用的金属硅按重量百分比含i^eO. Γ0. 3%, Α10. Γθ. 3%，余量为Si和不可避免杂质。上述方法中冷却采用装置为东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室开发的超快速冷却装置。上述的保护气体条件是将冶炼的物料置于真空条件下，再通入惰性气体进行保护。本发明的原理是当铸锭中含锰量20士 1%时，浇注形成的奥氏体组织可保留至室温；铸锭中的Si固溶于奥氏体中能够提高钢的强度和硬度，Al能够抑制、奥氏体向ε马氏体的转变，起到稳定奥氏体的作用；通过层错能计算进行成分设计，按 Fe-20Mn-3Si-3Al-0. 045C确定本发明的基础合金材料成分，其层错能理论值为23士0. 1 mj/mol，该材料的层错能有利于所熔炼合金在本发明方法提供的加工条件下孪生，从而形成大量纳米尺度的孪晶片层结构，使金属得到强化。本发明具有如下优点
1.通过熔炼、连续轧制并结合快速冷却技术，设定合理的工艺过程和工艺参数制备出具有超细晶结构的钢材料，具有非常高的屈服强度，远高于用传统方法制备的相似晶粒尺寸的钢样品的屈服强度。2.由于高强度微晶体薄钢板材料具纳米级的孪晶亚结构，孪晶在变形过程中具有吸收位错能力强的特点，使得该材料具有非常高的抗拉强度、良好的塑性及优越的耐磨耐蚀性能，这种高强度的钢材料对迅速发展的汽车、建筑、化学、原子能、造船等新技术领域的发展具有重要价值。3.只需对现有的工艺条件进行简单改进，控制热处理及冷却等参数即可获得这种高强度微晶体薄钢板材料。


图1为本发明实施例1中的高强度微晶体薄钢板材料电子背散射衍射照片图； 图2为本发明实施例1中的高强度微晶体薄钢板材料透射电子显微照片图3为本发明实施例中的高强度微晶体薄钢板材料产品的真应力-真应变曲线图， 图中1为实施例1中的产品，2为实施例2中的产品，3为实施例3中的产品；
图4为传统技术制备的不同晶粒尺寸的钢板材料与本发明实施例1中的高强度微晶体薄钢板材料产品的屈服强度-晶粒尺寸关系图，图中 为本发明实施例1中的产品， 为传统技术制备的不同晶粒尺寸的钢板材料。
具体实施例方式本发明实施例中冶炼采用的设备为真空感应炉。本发明实施例中冶炼时通入的惰性气体选用氩气或氮气。本发明实施例中采用的冷轧设备为Φ450型双辊单向异步轧机。本发明实施例中采用的超快速冷却装置为多喷嘴超快速冷却装置，该技术为已知技术。本发明实施例中冷轧后采用的保温设备为SX2-12-10型箱式电阻炉。本发明实施例中将冶炼的物料置于真空度< lOOPa，再通入惰性气体至常压进行保护。本发明实施例中采用的金属铁按重量百分比含C 0. 002 0. 008%, MnO. Γθ. 2%，
5A10. 05、. 08%, SiO. 03、. 06%，余量为！^和不可避免杂质；采用的金属锰按重量百分比含C 0. 07 0. 09%, Fel.广2. 2%，SiO. 03 0. 04%，余量为Mn和不可避免杂质；采用的金属铝按重量百分比含FeO. Γ0. 2%, SiO. 02 0. 05%,MnO. ΟΟΓΟ. 002%，余量为Al和不可避免杂质；采用的金属硅按重量百分比含I^eO. Γ0. 3%，Α10. Γθ. 3%，余量为Si和不可避免杂质。实施例1
将金属铁、金属锰、金属铝和金属硅置于真空感应炉中，对真空感应炉抽真空后通入氩气，在氩气条件下冶炼，然后浇注成铸锭，铸锭的成分按重量百分比含Μη20. 03%, Si2. 97%， A13. 02%, CO. 045%，余量为！^和不可避免杂质；
将铸锭加热至1150士 10°C保温汕，再在105(T115(TC进行第一阶段热轧，第一阶段热轧的压下量为52% ；然后在82(T950°C进行第二阶段热轧，两个阶段热轧总共6道次的总压下量为80% ；热轧完成后以50°C /s的速度快速冷却至650士 10°C，保温0. 5h，再水冷至常温，获得热轧钢板；
将热轧钢板在常温下进行冷轧，冷轧变形量为55%，再在500士 10°C条件下保温5h，随炉冷却至常温，获得高强度微晶体薄钢板材料，厚度为3. 5mm，抗拉强度为1930MPa，屈服强度为1650MPa，拉伸率为10% ；微观结构的电子背散射衍射照片如图1所示，微观结构由等轴的晶粒组成，晶粒的粒径在5 20 μ m,晶粒中的孪晶占全部晶粒总面积的60%，孪晶的平均宽度lOnm，透射电子显微照片如图2所示；
高强度微晶体薄钢板材料的真应力-真应变曲线如图3所示，屈服强度-晶粒尺寸关系如图4所示；
高强度微晶体薄钢板材料的屈服强度是普通粗晶体微合金钢(晶粒尺寸约100 μ m)的 17倍，是超细微合金钢(晶粒尺寸约6 μ m)的5倍。实施例2
将金属铁、金属锰、金属铝和金属硅置于真空感应炉中，对真空感应炉抽真空后通入氩气，在氩气条件下冶炼，然后浇注成铸锭，铸锭的成分按重量百分比含Mn20. 92%，Si3. 20%, A13. 49%, CO. 046%，余量为！^和不可避免杂质；
将铸锭加热至1150士 10°C保温浊，再在105(T115(TC进行第一阶段热轧，第一阶段热轧的压下量为40% ；然后在82(T950°C进行第二阶段热轧，两个阶段热轧总共6道次的总压下量为78% ；热轧完成后以60°C /s的速度快速冷却至650士 10°C，保温0. 8h，再水冷至常温，获得热轧钢板；
将热轧钢板在常温下进行冷轧，冷轧变形量为40%，再在500士 10°C条件下保温3h，随炉冷却至常温，获得高强度微晶体薄钢板材料，厚度为2. 5mm，抗拉强度为1680MPa，屈服强度为1330MPa，拉伸率为13% ；微观结构由等轴的晶粒组成，晶粒的粒径在5 20 μ m,晶粒中的孪晶占全部晶粒总面积的47%，孪晶的平均宽度60nm，其真应力-真应变曲线如图3所示；
采用真空熔炼感应技术制备的 ^-25Μη-2. 89Si-3. 02A1-0. 015C钢，冷轧板经800°C退火lOmin，孪晶宽度约为2 5 μ m，在室温拉伸时，其屈服强度为700 MPa，抗拉强度为1300 MPa ；该方法制备的材料与高强度微晶体薄钢板材料相比孪晶结构密度较小，屈服强度和抗拉强度有明显的差异。实施例3将金属铁、金属锰、金属铝和金属硅置于真空感应炉中，对真空感应炉抽真空后通入氮气，在氩气条件下冶炼，然后浇注成铸锭，铸锭的成分按重量百分比含Mnl9. 05%，Si2. 83%, A12. 51%，CO. 044%，余量为！^和不可避免杂质；
将铸锭加热至1150士 10°C保温lh，再在105(T115(TC进行第一阶段热轧，第一阶段热轧的压下量为60% ；然后在82(T950°C进行第二阶段热轧，两个阶段热轧总共6道次的总压下量为83% ；热轧完成后以30°C /s的速度快速冷却至650士 10°C，保温lh，再水冷至常温， 获得热轧钢板；
将热轧钢板在常温下进行冷轧，冷轧变形量为30%，再在500士 10°C条件下保温lh，随炉冷却至常温，获得高强度微晶体薄钢板材料，厚度为3mm，抗拉强度为1500MPa，屈服强度为1200MPa，拉伸率为22% ；微观结构由等轴的晶粒组成，晶粒的粒径在5 20 μ m,晶粒中的孪晶占全部晶粒总面积的35%，孪晶的平均宽度lOOnm，其真应力-真应变曲线如图3所示； 采用真空感应炉氩气保护熔炼方法制备的 ^-30Μη-33 -4Α1 TffIP钢，在1000°C保温 45min固溶，平均晶粒尺寸约为50 μ m，其屈服强度为311 MPa，抗拉强度约670 Mpa ；该方法制备的材料与高强度微晶体薄钢板材料相比，其塑性较好，在对强度、耐磨性能要求较高的领域，高强度微晶体薄钢板材料具有明显的优势。
权利要求
1.一种高强度微晶体薄钢板材料，其特征在于该薄钢板材料的成分按重量百分比含 Mn20士 1%，Si3士0. 2%, A13士0. 5%, CO. 045士0. 001%，余量为 Fe 和不可避免杂质，厚度为 Γ3. 5mm，抗拉强度为150(Tl930MPa，屈服强度为120(Tl650MPa，拉伸率为10 22%。
2.根据权利要求1所述的一种高强度微晶体薄钢板材料，其特征在于该薄钢板材料的微观结构由等轴的晶粒组成，晶粒的粒径为5 20 ym，晶粒中的孪晶占晶粒总面积的 35-60%，孪晶的宽度为l(Tl00nm。
3.—种权利要求1所述的高强度微晶体薄钢板材料的制备方法，其特征在于按以下步骤进行(1)选用金属铁、金属锰、金属铝和金属硅在保护气体条件下冶炼，然后浇注成铸锭，铸锭的成分按重量百分比含Mn20士 l%，Si3士0. 3%，A13士0. 5%, CO. 045士0. 001%，余量为Fe和不可避免杂质；(2)将铸锭加热至1150士10°C保温广3h，再在105(T115(TC进行第一阶段热轧，第一阶段热轧的压下量为4(Γ60% ；然后在82(T950°C进行第二阶段热轧，两个阶段热轧的总压下量为78 83% ；热轧完成后以3(T60°C /s的速度冷却至650士 10°C，保温0. 5 lh，再水冷至常温，获得热轧钢板；(3)将热轧钢板进行冷轧，冷轧变形量为3(Γ55%，然后在500士10°C条件下保温广5h， 随炉冷却至常温，获得高强度微晶体薄钢板材料。
全文摘要
一种高强度微晶体薄钢板材料及其制备方法，属于材料技术领域，薄钢板材料的成分按重量百分比含Mn20±1%，Si3±0.2%，Al3±0.5%，C0.045±0.001%，余量为Fe和不可避免杂质，厚度为1~3.5mm，抗拉强度为1500~1930MPa，屈服强度为1200~1650MPa，拉伸率为10~22%。制备方法为冶炼后浇注成上述成分的铸锭，加热至1150±10℃保温1~3h，进行两个阶段热轧，总压下量为78~83%，以30~60℃/s的速度冷却至650±10℃，保温0.5~1h，水冷至常温，获得热轧钢板；然后冷轧，变形量为30~55%，在500±10℃条件下保温1~5h，随炉冷却。本发明的产品具有非常高的屈服强度，只需对现有的工艺条件进行简单改进，控制热处理及冷却等参数即可制备。
文档编号C22C38/06GK102212744SQ20111014710
公开日2011年10月12日 申请日期2011年6月2日 优先权日2011年6月2日
发明者左良, 王沿东, 申勇峰, 薛文颖, 黄少帅 申请人:东北大学