一种复合梯度结构中锰钢及其制备方法

1.本发明涉及钢材制备技术领域，具体涉及一种复合梯度结构中锰钢及其制备方法。


背景技术：

2.先进高强钢已经历三代，第一代先进高强钢成本较低，但强塑积亦较低，难以满足汽车用钢领域要求。第二代先进高强钢强塑积可达50gpa
·
％，但其添加的合金元素高于25％且制造难度较大，限制了其应用。中锰钢(锰含量为4-12％)作为第三代先进高强钢的典型代表之一，其强塑积可达到30gpa
·
％且成本远低于第二代先进高强钢，因而在汽车用钢领域具有巨大的应用前景。随着节能减排及汽车轻量化呼声高涨，研发具有更高强度(屈服强度与抗拉强度)及更加优异塑性的先进高强钢已迫在眉睫。中锰钢基体一般由奥氏体与铁素体组成，在形变过程中奥氏体(约30％)发生马氏体相变，从而使其兼具高强度与高塑性等优异性能。然而中锰钢的屈服强度一般较低(《680mpa)，难以满足汽车行业越来越高的碰撞安全性要求。
3.近年来，梯度结构材料作为一个新兴领域逐渐引起人们的重视，梯度结构是指微观结构特征(相、晶粒尺寸、位错密度、织构、元素分布等)在空间呈连续梯度分布，梯度材料具备自然过渡的内部结构，不同区域间的协调作用使其具有诸多显著的力学性能，包括超高强度、优越的应变强化能力、良好的塑性和优异耐腐蚀性能等。中国专利cn201711173222.3公开一种高强高韧度马氏体奥氏体双相钢的制备方法，该方法对奥氏体钢进行单相扭转或反复扭转，制备出马氏体呈现梯度分布的奥氏体钢，使其屈服强度与抗拉强度得到有效提高。然而，该材料的塑性伴随大幅下降。


技术实现要素：

4.(一)要解决的技术问题
5.鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种复合梯度结构中锰钢的制备方法，使中锰钢基体由表及里呈现复合梯度结构特征，这些复合梯度结构包括奥氏体、相变马氏体、铁素体、晶粒尺寸及位错密度均呈梯度分布，借以大幅提高中锰钢屈服强度的同时兼顾获得高强塑性，从而改善中锰钢的性能，满足汽车行业用钢要求。
6.(二)技术方案
7.为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
8.本发明提供一种复合梯度结构中锰钢的制备方法，其包括：
9.按照预设的中锰钢合金成分准备原料，进行冶炼、锻造、热轧、对热轧态中锰钢进行两相区退火，再将退火后的钢板加工成棒状试样并进行扭转处理；所述扭转处理方法为：将退火后的钢板加工成棒状试样，对该棒状试样以60-120
°
/min扭转速率扭转30-270
°
。
10.其中，冶炼、锻造、热轧、两相区退火等工序均可参照传统/常规的中锰钢制备工艺进行。
11.作为本发明的较佳实施例，本发明中，扭转的总角为30-270
°
。对于中锰钢而言，扭转角度过小，钢棒基体剪切应力或应变不足，奥氏体相变量较小(马氏体含量不足)，不能生成有效的梯度结构；相反，扭转角度过大，切应变量过大，基体中有大量缺陷(特别是表面区域)，如裂纹萌生等，性能大幅降低。
12.作为本发明的较佳实施例，所述制备方法为：
13.s1、冶炼、锻造与热轧：按照中锰钢合金成分真空熔炼制成钢锭，将钢锭加热至1200℃保温1.5-3h后锻造成30-50mm的钢坯；钢坯加热至1200℃保温1-2h后经多道次热轧后空冷至室温，终轧温度不低于900℃，得到热轧板坯；
14.s2、两相区退火：将s1制备的热轧板坯在660-720℃退火1-3h后空冷至室温，得到退火钢板；
15.s3、室温扭转：将s2的退火钢板加工成棒状试样，以60-120
°
/min扭转速率扭转30-270
°
。
16.中锰钢锻造或热轧前均需要均匀化处理，均匀化处理的常规温度为1200℃，以保证中锰钢在锻造及热轧过程中钢坯不开裂。均匀化处理的温度过高原奥氏体晶粒尺寸过于粗大，强度不足，温度过低均匀化程度不够。而退火温度介于两相区温度，退火保温时间与实际退火温度的高低有关，退火温度越高所需的保温时间较短，反之则较长。但是保温时间过长可能会产生晶粒尺寸粗大，再结晶完全进行，强度不足等现象，而保温时间过短则奥氏体含量不足，性能受到一定影响。关于扭转速率，现有技术(cn201711173222.3)中公开扭转速率为10-1800
°
/min，使用的速率有10
°
/min、720
°
/min、1800
°
/min等，但得到的钢塑性较低。
17.作为本发明的较佳实施例，所述中锰钢合金成分按质量百分比计为：c：0.06-0.2％、mn:5-12％、al:1-3％、ni:1-3％、ce：0.04-0.1％，余量为fe。
18.在中锰钢合金成分中，增加质量分数1-3％的al和ni，可产生nial析出从而增加析出强化效果；同时适量的ni可以增加奥氏体的含量比例。此外，添加al和ni可以调控中锰钢的层错能，提高奥氏体的稳定性。添加稀土ce用于纯净化基体，细化中锰钢晶粒尺寸，提高奥氏体稳定性，高的奥氏体稳定性有利于提高扭转过程中圆棒由表及里马氏体梯度率，即高的奥氏体稳定性可以确保圆棒中心至中间位置处的奥氏体不发生马氏体相变(或少量相变)，而剪切力或剪切应变最大的表面及附近位置的奥氏体大部分发生马氏体相变，从而使圆棒由表及里产生最大程度的梯度结构。而若奥氏体稳定性较低，则扭转后钢棒心部以外的位置均发生马氏体相变，形成复合梯度结构难度增加。
19.需说明的是，在本发明中，对中锰钢的成分并无特殊规定，只要退火后钢坯基体中奥氏体含量》40％且奥氏体具有较高的稳定性即可，经过热轧 两相区退火 扭转工艺的处理均可兼顾钢高屈服强度和塑性。而前述记载的中锰钢合金成分可以满足“退火后钢坯基体中奥氏体含量》40％且奥氏体具有较高的稳定性”的要求。
20.本发明主要是通过对钢坯热轧后退火以产生奥氏体 铁素体两相组织，然后利用扭转使圆棒由表及里不同位置奥氏体发生不同马氏体相变，进而产生马氏体、奥氏体相的梯度结构；此外，由于扭转，试样由表及里位错密度，晶粒尺寸等也发生相应变化，从而产生复合梯度结构，在形变过程中，通过trip效应、应变梯度效应(hdi强化 hdi加工硬化) 析出强化 位错强化等多种强韧化协同作用，大幅提高中锰钢的强度与塑性。
21.本发明提供一种复合梯度结构中锰钢，其采用上述方案制备得到。
22.本发明制备的复合梯度结构中锰钢，与相同合金成分的采用传统工艺制备的(均质结构)中锰钢相比，屈服强度提高25％-45％，延伸率提高0-49％，抗拉强度同时略有提升，强塑积提高5％-50％。
23.(三)有益效果
24.本发明复合梯度结构中锰钢具有下列特点：(1)与现有技术所公开的梯度结构不同，本发明制备的具有复合梯度结构中锰钢，主要包括相梯度(奥氏体、相变马氏体、铁素体)、晶粒尺寸梯度及位错密度梯度。这种新型中锰钢在形变过程中，其产生的trip效应、应变梯度效应、位错强化效应及析出强化效应等协同作用，因此可同时大幅提高中锰钢的强度(抗拉强度和屈服强度)与塑性；(2)该制备方法简单易行，所需设备均为常规设备，工艺相对简单，周期短，可操作性强；(3)本发明梯度结构中锰trip钢力学性能满足抗拉强度大于1250mpa，屈服强度在680mpa以上，延伸率达到25-35％，强塑积最高可达约45gpa
·
％。
附图说明
25.图1为本发明具有复合梯度结构的中锰钢(实施例1)不同部位的ebsd相图和kam图。
26.图2为本发明具有复合梯度结构的中锰钢(实施例1)及均质结构中锰钢(对比例)由中心至表面位置硬度分布曲线。
27.图3为本发明具有复合梯度结构的中锰钢(实施例1)与相同成分均质结构的中锰钢(对比例)工程应力应变曲线。
28.图4为本发明具有复合梯度结构的中锰钢(实施例2)与相同成分均质结构的中锰钢(对比例)工程应力应变曲线。
29.图5为本发明具有复合梯度结构的中锰钢(实施例3)与相同成分均质结构的中锰钢(对比例)工程应力应变曲线。
具体实施方式
30.本发明思路或设计思想为：首先通过成分设计与优化，以确保两相区退火后奥氏体与铁素体的含量各约达到50％体积比，且奥氏体稳定性适当，层错能介于合适范围；两相区退火后，利用扭转方式实现扭转变形，由于梯度切应变的存在，钢棒由表及里切应变存在较大梯度，使钢棒的不同部位发生不同程度的马氏体相变，且由此产生不同位错密度等缺陷。此外，梯度切应变的存在使铁素体发生不同程度塑性变形，进而实现不同程度的晶粒细化，最终形成由表及里复合梯度的结构特征。这种复合梯度的结构特征能大幅提高材料强度(屈服强度)与塑性。
31.本发明通过对中锰钢合金成分的设计(设计时主要考虑了层错能、奥氏体含量及稳定性、相变温度、相变动力学等)，并基于中锰钢马氏体相变特点和相变过程中产生大量位错以及切变(大塑性变形可使bcc晶粒细化)的原理，对热轧态中锰钢进行两相区退火，并配合特定的扭转工艺制备一种相变马氏体、奥氏体、晶粒尺寸和位错密度由表及里均呈现梯度分布的复合结构的新型中锰钢，在后续形变过程中，通过trip效应、梯度效应、位错强化及析出强化协同作用，不仅大幅提高中锰钢的屈服强度，同时也大幅提高其塑性。
32.为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
33.实施例1
34.本实施例提供一种复合梯度结构中锰钢的制备方法，其包括：
35.(1)设计中锰钢合金成分为：c：0.18％、mn:7.8％、al:1.8％、ni:2.1％、ce：0.06％、p《0.008％、s《0.008％，余量为fe。前述％为质量百分比。
36.(2)冶炼、锻造与热轧：根据上述合金成分真空熔炼制成钢锭，钢锭在1200℃保温2h后锻成厚度为50mm板坯，空冷至室温。然后将板坯加热至1200℃，保温2h，经3次轧制成15mm厚度板坯，终轧温度不低于900℃，得到热轧板坯。
37.(3)两相区退火：将热轧板坯在680℃退火1h后空冷至室温，得到退火钢板。
38.(4)室温扭转：将退火钢板加工成棒状试样，以60
°
/min速率扭转60
°
。
39.本实施例制备的中锰钢由中心至表面不同部位的微观组织(左ebsd相图，右kam图)如图1所示，白色为奥氏体，灰色为铁素体，黑色为相变马氏体，中心位置奥氏体、铁素体及相变马氏体含量分别为53.6％、44.4％、2％；中间位置(中心位置的周围)奥氏体、铁素体及相变马氏体含量分别为50.8％、49.2％、0％，表面位置奥氏体、铁素体及相变马氏体含量分别为29.5％、55.5％、15％。位错密度(kam值)由表及里逐渐降低。中心位置奥氏体与铁素体平均晶粒尺寸分别为：0.55μm与0.45μm；试样中间位置(中心位置的周围)奥氏体与铁素体平均晶粒尺寸分别为：0.29μm与0.30μm；试样表面位置奥氏体与铁素体平均晶粒尺寸分别为：0.22μm与0.21μm。
40.如图2所示，梯度结构中锰钢硬度由中心至表面逐渐增大。本实施例制备的复合梯度结构中锰钢的工程应力应变曲线如图3所示，其抗拉强度为1253mpa，屈服强度为682mpa，延伸率为34.3％，强塑积高达43gpa
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％。而传统制备工艺制备的相同合金成分的均质结构中锰钢(对比例)抗拉强度为1249mpa，屈服强度为545mpa，延伸率为23％，强塑积为28gpa
·
％。经比较可知，本实施例制备的复合梯度结构中锰钢，其抗拉强度略有增加，而屈服强度提高25％以上，延伸率增大49.1％，强塑积增加53.6％。
41.对比例的均质结构中锰钢的制备方法是按照实施例1的步骤(1)-(3)，但不进行步骤(4)的处理。即对比例的中锰钢合金成分与实施例1相同，步骤(2)-(3)的冶炼、锻造及热轧、两相区退火等均参照实施例1，只是未进行扭转处理，最终制备均质结构的中锰钢。
42.实施例2
43.本实施例提供一种复合梯度结构中锰钢的制备方法，其步骤(1)-(3)与实施例1相同，其步骤(4)变为：将退火钢板加工成棒状试样，以90
°
/min速率扭转90
°
。
44.本实施例制备的复合梯度结构中锰钢的工程应力应变曲线如图4所示，其抗拉强度为1298mpa，屈服强度为704mpa，延伸率为29.3％，强塑积高达38gpa
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％。与传统制备工艺制备的相同合金成分的均质结构中锰钢相比，本实施例制备的复合梯度结构中锰钢，其抗拉强度增加明显，而屈服强度提高29.1％以上，延伸率增大27.4％，强塑积增加35.7％。
45.实施例3
46.本实施例提供一种复合梯度结构中锰钢的制备方法，其步骤(1)-(3)与实施例1相同，其步骤(4)变为：将退火钢板加工成棒状试样，以60
°
/min速率扭转180
°
。
47.本实施例制备的复合梯度结构中锰钢的工程应力应变曲线如图5所示，其抗拉强
度为1305mpa，屈服强度为792mpa，延伸率为24％，强塑积高达31gpa
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％。与传统制备工艺制备的相同合金成分的均质结构中锰钢相比，本实施例制备的复合梯度结构中锰钢，其抗拉强度增加明显，而屈服强度提高45.3％以上，延伸率略有增加，而强塑积增加10.7％。
48.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。