一种超高强度、高韧性的钢及其制备方法和应用

本发明属于合金，特别涉及一种超高强度、高韧性的钢及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着航空航天、高铁、汽车等领域对轻量化和安全化的需求日益增长，利用高强度或超高强度的钢来实现轻量化和提升安全性，受到了越来越多的关注。目前，高强度高韧性钢的强塑性仍然存在一些技术难点和挑战。中国专利201911318107x公开了一种含钒的超高塑性孪晶诱导塑性(twip)钢的生产方法。该生产方法下的twip钢具有很好的塑性，延伸率最高能达到120％，但其屈服强度只有200mpa左右，抗拉强度也只有500mpa左右，牺牲了非常多的强度。中国专利2021106016997公开了一种1mn6ni的奥氏体钢，抗拉强度能够达到1500mpa。其钢板轧制后的空冷过程中，钢中的奥氏体发生马氏体相变，并伴有碳化物的析出。这种合金成分和工艺下的钢板只有碳化物析出，不能够有效利用析出强化机理强化钢板。中国专利202111202022公开了一种含ce、ba的高强钢，其屈服强度为863mpa，抗拉强度为1322mpa，伸长率为50.6％，加工工艺为依次进行低温冷轧、瞬时退火处理和低温回火处理，这种工艺方式促进了孪晶形成并分割晶粒，进一步减小位错运动平均自由程，从而提高屈服强度。但是这种高强钢的屈服强度很高，导致变形抗力很大，加工性能比较差。进一步深化对高强度高韧性钢强塑性的理论研究和实验探索，开发新型的高强度高韧性钢合金体系和制备工艺，拓展高强度高韧性钢强塑性在汽车、船舶、机械等领域的应用范围，是目前该领域的重要发展方向。

2、中国专利201010173548.8公开了一种利用脉冲磁场瞬时冲击效应促使材料中高密度位错快速运动，诱发纳米孪晶生成，处理后复合材料具有纳米尺度共格界面的组织特征。但是该方法只应用在具有相对较低层错能，容易发生塑性变形的金属，比如al、mg或ti等。

3、综上所述，本领域仍在探寻一种方法获得具有高强度、高塑性的同时还便于加工成型的超高强韧性钢，同时探索形成高强度高韧性钢的加工与成型方法。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种超高强度、高韧性的钢及其制备方法和应用。本发明所述钢不仅具有超高强度、高韧性、高塑性，而且便于加工成型。

2、磁致塑性加工是一种新型的加工技术，是在金属变形加工过程中施加高强度磁场或者在加工前后利用磁场对金属进行处理，以此获得更好机械性能的金属材料并改善其加工性能。本发明在钢中加入特定含量的钒(v)和铌(nb)，配合特定含量的mn、cu、al、ni、c，具有更高的层错能，促进相变诱导塑性效应(trip)向twip转变，提升钢材强塑性。利用低频脉冲电流产生的冲击效应，提高金属材料塑性性能、降低变形抗力。在通电过程中，脉冲电流产生的电磁冲击效应是利用材料内部的自由电子定向冲击位错，实现“脱钉扎”。并且在电磁场的作用下，向坯料施加径向压力，使得冲压变形过程更加容易，有效降低对模具的质量要求和加工过程中对模具的损伤。

3、本发明提供的制备方法是利用析出强化、晶粒细化等原理，使得制备出的钢材具有良好强度和塑性。并利用低温磁致塑性加工工艺，使得高屈服强度的高强高韧钢具有良好的加工性能，有效降低对加工模具的质量要求和加工过程中对模具的损伤。

4、本发明的第一方面提供一种超高强度、高韧性的钢。

5、具体的，一种超高强度、高韧性的钢，以质量百分含量计，包括锰(mn)18.00％～24.50％、铜(cu)0.3％～2.3％、铝(al)0.8％～2.2％、铌(nb)0.5％～2.2％、钒(v)0.2％～1.2％、镍(ni)0.5％～3.2％、碳(c)0.07％～0.8％和fe 63.6％～79.63％。

6、优选的，所述钢，以质量百分含量计，包括锰(mn)18.80％～24.20％、铜(cu)0.5％～2％、铝(al)1.0％～2％、铌(nb)0.5％～2％、钒(v)0.2％～1％、镍(ni)0.5％～3％、碳(c)0.07％～0.5％和fe65.3％～78.43％。

7、进一步优选的，所述钢，以质量百分含量计，组成为：锰(mn)18.80％～24.20％、铜(cu)0.5％～2％、铝(al)1.0％～2％、铌(nb)0.5％～2％、钒(v)0.2％～1％、镍(ni)0.5％～3％、碳(c)0.07％～0.5％和fe余量。

8、优选的，所述钢还包括不可避免的杂质。

9、优选的，所述不可避免的杂质包括磷(p)、硫(s)、氮(n)、氧(o)。

10、优选的，所述不可避免的杂质，以质量百分含量计，包括磷(p)＜0.1％、硫(s)＜0.1％、氮(n)＜25ppm、氧(o)＜25ppm。

11、本发明的第二方面提供一种超高强度、高韧性的钢的制备方法。

12、具体的，一种超高强度、高韧性的钢的制备方法，包括以下步骤：

13、(1)称取各组分，进行熔炼，连铸，得到连铸板坯；

14、(2)对步骤(1)的连铸板坯进行热轧处理；

15、(3)经过步骤(2)处理后，再进行温轧处理；

16、(4)经过步骤(3)处理后，再进行冷却和冷轧处理，得到冷轧板坯；

17、(5)利用感应线圈将所述冷轧板坯加热并保温，然后淬火，得到板坯；

18、(6)将步骤(5)得到的板坯进行酸洗；

19、(7)将经过步骤(6)处理的板坯进行冷却，然后置于电磁铁形成弧形磁场内，通入电流，形成脉冲磁场对板坯进行处理，得到所述超高强度、高韧性的钢。

20、优选的，步骤(1)中，熔炼后进行精炼。

21、优选的，步骤(2)中，在1100～1300℃下进行热轧处理，终轧温度为1000～1050℃。

22、优选的，步骤(3)中，经过步骤(2)处理后，再经过道次压下量为30～60％，温度为500～700℃、时间为10-60min的温轧处理。

23、优选的，步骤(4)中，经过步骤(3)处理后的板坯空冷到室温，再经过多道次的冷轧处理，压下量为60～80％。

24、优选的，步骤(5)中，利用高频感应线圈将经过步骤(4)的冷轧板坯以95-100℃/s快速加热到500～700℃，保温5-30min后淬火，得高强度高韧性板坯。

25、优选的，步骤(7)，用液氮将经过步骤(6)处理的板坯进行冷却至零下190℃以下，例如零下196℃。

26、优选的，步骤(7)，通入电流控制形成的脉冲磁场磁感应强度为10～50t，磁场频率为0.1～5hz；进一步优选的，通入电流控制形成的脉冲磁场磁感应强度为20～40t，磁场频率为1～5h。

27、优选的，步骤(7)，在电磁铁中装入聚磁铁芯，使得电磁铁产生的弧形磁场更有效地聚集在加工区域。

28、步骤(7)通过脉冲磁场的处理，有效降低材料屈服强度，使其更易产生塑性变形。

29、优选的，所述制备方法，包括以下步骤：

30、(1)称取各组分，将纯度≥99.9wt％的原料在熔炼设备中熔炼，熔炼完成后进行精炼，之后进行连铸，生产出具有低中心偏析和无裂纹且纯净度高的连铸板坯；

31、(2)将步骤(1)中连铸板坯经1100～1300℃热轧处理，终轧温度为1000～1050℃；

32、(3)将步骤(2)中的连铸板坯再经过道次压下量为30～60％，温度为500～700℃、时间为10-60min的温轧处理；

33、(4)将步骤(3)中的板坯空冷到室温，再经过多道次的冷轧处理，压下量为60～80％；

34、(5)利用高频感应线圈将步骤(4)中的冷轧板坯以100℃/s快速加热到500～700℃，保温5-30min后淬火，得高强度高韧性板坯；

35、(6)将步骤(5)中的高强度高韧性板坯进行酸洗处理，去除板坯表面的氧化层；

36、(7)利用液氮将步骤(6)中完成表面处理的高强度高韧性板坯冷却至零下196℃并将其设置在工作台上，使得板坯置于电磁铁形成弧形磁场内。通入电流，控制形成的脉冲磁场磁感应强度为10～50t，磁场频率为0.1～5hz，并在电磁铁中装入聚磁铁芯，使得电磁铁产生的弧形磁场更有效地聚集在加工区域。通过脉冲磁场的处理，有效降低材料屈服强度，使其更易产生塑性变形。通过反复的磁致塑性，得到低温磁致塑性冲压成型件。

37、优选的，步骤(1)中，熔炼、精炼的过程是在惰性气氛为0.1～1标准大气压的氮气或氩气下进行。

38、优选的，步骤(1)中，所述熔炼的设备为中频感应熔炼炉。

39、优选的，步骤(1)中，所述热轧处理的温度为1200～1300℃。

40、优选的，步骤(3)中，所述温轧处理的温度为600～700℃。

41、优选的，步骤(3)中，所述温轧处理的温度为500～600℃。

42、优选的，步骤(3)中，所述温轧处理的时间为15-25min。

43、优选的，步骤(5)中，所述感应线圈加热的温度为550～700℃，进一步优选为550～600℃。

44、优选的，步骤(5)中，所述感应线圈加热的时间为5～15min，进一步优选为5～10min。

45、优选的，步骤(7)中，所述温轧处理的所述脉冲磁场强度为30t～40t。

46、本发明的第三方面提供一种超高强度、高韧性的钢的应用。

47、上述超高强度、高韧性的钢在航空航天、高铁或汽车领域中的应用。

48、相对于现有技术，本发明的有益效果如下：

49、(1)本发明在钢中加入特定含量的钒(v)和铌(nb)，配合特定含量的mn、cu、al、ni、c，使得本发明所述钢具有超高强度、高韧性、高塑性特点。

50、(2)利用低频脉冲电流产生的冲击效应，提高金属材料塑性性能、降低变形抗力。在通电过程中，脉冲电流产生的电磁冲击效应是利用材料内部的自由电子定向冲击位错，实现“脱钉扎”。并且在电磁场的作用下，向坯料施加径向压力，使得冲压变形过程更加容易，有效降低对模具的质量要求和加工过程中对模具的损伤。

51、(3)本发明的制备方法首先利用析出强化机制，在晶界处析出纳米ni-al相和产生高密度无序富铜相，强化高强钢。其次，退火处理、冷轧和闪速热处理工艺将晶粒大小控制在一定范围，起到细化晶粒作用的同时还增加了析出相的形核位点，促进析出相的形成，从而提高屈服强度和韧性。最后采用低温磁致塑性工艺方法，有效降低材料屈服强度，使得高屈服强度的高强高韧钢具有良好的加工性能，同时大大降低对加工模具的要求，减少在加工过程中对模具的损伤，延长模具的使用寿命，使得高屈服强度的高强高韧钢具有良好的加工性能，便于工业加工。