CN102618802B - 一种超细晶粒双相钢材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属材料技术领域，特别涉及一种超细晶粒双相钢材料及其制备方法。本发明的超细晶粒双相钢材料，其化学组成按重量百分比为：(13.5~14.5)%Cr，(6.1~6.9)%Ni，(2.3~2.7)%Mn，(0.33~0.37)%Si，(0.60~0.90)%Cu，(0.01~0.03)%C，(0.021~0.025)%V，(0.60~0.90)%Mo，P<0.02%，S<0.04%，余量为Fe元素，其微观结构由等轴的，取向随机分布的超细晶粒组成，晶粒的直径为500～2000nm，其微观组织由奥氏体及马氏体两相组成，其室温条件下的屈服强度为1100~1600MPa，抗拉强度为1200~1850MPa，延伸率为10~20%。本发明通过合理的成分设计及工艺控制，使所制备热轧钢材料中存在马氏体组织、亚微米级超细晶粒和纳米尺度的孪晶片层结构，几种组织协同作用，使钢材料在具有超高强度的同时并具有一定的塑性变形能力。
Description
技术领域
本发明属于金属材料技术领域，特别涉及一种超细晶粒双相钢材料及其制备方法。
背景技术
钢是所有金属中用途最广泛的一种材料，在航空、核能、舰船和石化等工业领域广泛应用。目前世界船舶建造订单吨位总和为3亿5630万吨，中国造船厂占世界水上运输设备建造总量的69.4%，韩国仅占23%，虽然我国已经从数量上逾越韩国和日本成为世界第一造船大国，但并不是第一造船强国，这主要是因为受到高性能钢铁材料的制约。航空母舰用钢与民用大型船舶用钢相比所具有的特殊性主要包括：抗海水腐蚀；防磁性；耐高温性以及有很高的强度、韧度和良好的焊接性能等等。近年来, 美国、日本和俄罗斯等发达国家相继开发并逐步采用400 MPa以上超高强度船体用钢替代传统的高强度船体钢，然而，目前我国生产的船舶用钢仍不能完全满足该工业领域发展的需求，随着我国造船业的迅猛发展, 超高强度船体用钢的需求明显增大。超高强度船体钢不但要求有高的强度, 还要求有更好的低温冲击韧性，目前国内外超高强度船体钢的生产主要依靠较高合金成分, 采用调质工艺生产，为了得到良好的韧性, 钢中加入Ni 的含量一般都超过了11.5 wt. %，这使得该钢种成本一直居高不下，因此发展性能更优、成本更低的超高强度船体钢成为船舶制造和海洋平台建设工业中迫在眉睫的课题。
双相钢是指低碳钢或低碳微合金钢经过临界区热处理或控轧控冷工艺而得到的主要由铁素体+少量的马氏体组成的高强度钢，以具有连续屈服、屈强比低、加工硬化率较高和伸长率较大等特点而被人们所广泛关注，双相钢的生产工艺主要有2种: 热处理法和直接热轧法，相比之下, 热轧法生产双相钢工序简单、成本低、节约工时和能源、便于大规模生产, 成为生产双相钢的首选方法，随着终轧温度的升高, 双相钢的抗拉强度可由717MPa升高到780MPa，这主要是由组织中马氏体的百分含量升高导致。
马氏体是一种能使钢变硬、增强的组织，在工程应用上，为了强化材料通常涉及到马氏体强化机制，同时，在工程应用中为了强化材料采用细化晶粒法，这是一种利用大量晶界限制或钉轧位错运动来提高材料的强度，可由著名的Hall-Petch关系（ 
）来描述，人们已经从各种金属及合金中观察到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。
通常认为纳米晶的晶粒尺寸范围为d < 100 nm，超细晶（Ultrafine grains，UFG）的晶粒尺寸范围为100 nm < d < 1 μm，而亚微米晶粒（Submicron grains）组织的定义为：晶粒在各个方向上的尺寸均小于1 μm，大角度晶界（High angle grain boundary，HAGB）的比例大于70％。晶粒细化是目前所知的既能提高强度，又能改善韧性的主要方法，亚微米的晶粒组织可以使材料在室温下具有高的强度和韧性。通常金属材料的晶粒细化主要是通过传统的塑性变形加工和随后的退火工艺，即发生再结晶和晶粒长大来获得的，这种常规工艺所制备的材料的晶粒尺寸约为10 μm，而普通粗晶体钢（晶粒尺寸约为100μm）在室温下拉伸的屈服强度sy仅为90 MPa，超细晶微合金钢（Fe-0.8C，晶粒尺寸约为6μm）在室温下拉伸，其屈服强度 sy约为310 MPa（Bramfitt B.L., Marder A.R., Metallurgical and Petroleum Engineers, 191-198 ，1973）；商业用304L不锈钢的屈服强度为370 MPa，抗拉强度900 MPa，拉伸率为40% （Joshua A.L., Martin C.M., Chester J.V.T., Effect of strain rate on stress-strain behavior of alloy 309 and 304L austenitic stainless steel, Metallurgical and Materials Transactions A，Vol. 37，147-161，2006）；台湾科学家Lee 等人将商业用304L不锈钢（Eastern steel, Spring House, PA）通过轧制变形15%， 其屈服强度提高为370 MPa，抗拉强度900 MPa，拉伸延展率为40%（Lee W.S., Lin C.F., Comparative study of the impact response and microstructure of 304L stainless steel with and without pre-strain, Metallurgical and Materials Transactions A，Vol. 33，2801-2810，2002），其变形后微观组织中存在大量的孪晶及马氏体，虽然该方法基于同样的变形原理使所制备的材料强化，但是所获得材料的抗拉强度及屈服强度均较低；香港城市大学的Lu Jian教授等人（Chen A.Y.，Ruan H.H., Wang J., Chan H.L., Wang Q., Li Q., Lu J., Acta Materialia, Vol.59 3697-3709，2011）采用表面纳米化技术，将商业304不锈钢（厚度为1mm）的加工处理，使其表面晶粒尺寸约10 nm，距离表面约50微米处晶粒约200 nm，其屈服强度1000 MPa， 抗拉强度约1050 MPa，虽然其塑性较好 ，拉伸率30%，强度得到显著提高，但是采用其工艺方法所能处理的材料长度仅几个厘米，厚度也较小，仍然无法满足工业中对钢材强度及耐磨性能的需求。
发明内容
针对现有技术存在的钢材抗拉强度及屈服强度较低的问题，本发明提供一种超细晶粒双相钢材料及其制备方法，目的是通过合理的成分设计及工艺控制，使所制备热轧钢材料中存在大量的马氏体组织及亚微米级超细晶粒，同时存在纳米尺度的孪晶片层结构，几种组织协同作用，使该钢材料在具有超高强度的同时并具有一定的塑性变形能力。
为实现以上目的，本发明的技术方案是：
一种超细晶粒双相钢材料，其化学组成按重量百分比为：(13.5 ~14.5)% Cr，(6.1 ~ 6.9)% Ni，(2.3 ~2.7)% Mn，(0.33~0.37)% Si，(0.60~0.90)% Cu， (0.01 ~ 0.03)% C，(0.021~0.025)% V，(0.60~0.90)%Mo， P < 0.02%，S < 0.04%，余量为Fe元素，其微观结构由取向随机分布的超细晶粒组成，晶粒的直径为500～2000nm，其微观组织由奥氏体及马氏体两相组成，其室温条件下的屈服强度为1100~1600MPa，抗拉强度为1200 ~1850MPa，延伸率为10~20%。
其中部分马氏体组织的晶粒直径仅为十几个纳米，在部分马氏体组织内部存在孪晶片层结构，孪晶片层宽度约几十纳米。
一种超细晶粒双相钢材料的制备方法按照以下步骤进行：
按重量百分比，以Fe-(13.5 ~14.5)Cr-(2.3 ~2.7)Mn-(6.1 ~ 6.9)Ni-(0.01 ~ 0.03)C为基础合金成分进行配料，其他微量合金元素的组成范围为：(0.023 ± 0.002)V，(0.075 ± 0.015 )Mo，将合金料在真空感应炉内冶炼，向炉中通入惰性气体Ar作为保护气体，将冶炼钢水浇铸成钢锭，并加热至1150℃，在保温1h充分固溶处理后，将铸锭开坯成钢坯，进行两阶段热轧，第一阶段热轧温度为1050～1150℃，相对压下量分别为35%，第二阶段热轧温度为820～950℃，相对压下量为15%，终轧后钢板经轧机出口处配置的超快冷设备进行急冷，速率在50～80 ℃/s 之间，冷却到650℃后水冷至室温，然后采用两辊轧机对钢板进行冷轧处理，变形范围为50%～75%，冷轧完成后将该板材放在电阻炉中于450-650℃保温5 min，然后水冷至室温，得到超细晶粒双相钢钢板。。
与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：
1. 本发明是通过层错能计算进行成分设计，确定以Fe-(13.5 ~14.5)Cr-(2.3 ~2.7)Mn-(6.1 ~ 6.9)Ni-(0.01 ~ 0.03)C为基础合金成分，该合金成分的材料的层错能理论值约为17 mJ/mol，该层错能有利于使所熔炼合金在适当的加工条件下发生马氏体相变及机械孪生，从而形成大量纳米尺度的马氏体组织及孪晶亚结构，使金属得到强化，同时，该合金成分的钢种与不锈钢相似，使所制备材料的耐腐蚀性能较强，能够满足其在海洋等腐蚀性环境使用的需要；
2.本发明中钢材料具有相变及孪生效应，在再加工过程中将产生大量纳米量级的马氏体片层及孪晶亚结构，此类结构中具有极强的吸收位错大能力，使得材料具有非常高的强度及一定的塑性变形能力，而且具有与不锈钢相似成分决定了其具有优越的耐磨耐蚀性能，因此，这种高强度的钢材料对迅速发展的汽车工业，建筑业，原子能工业，造船等新技术领域等高技术的发展具有重要价值；
3.本发明是利用真空感应熔炼技术及连续轧制技术，并结合连续退火及快速冷却技术，通过合理的工艺过程和工艺参数制备出具有双相，即奥氏体+马氏体组织及超细晶粒结构的钢材料，平均晶粒尺寸为800 nm，由于其特别的微观组织结构和超细晶粒，使其具有非常高的室温拉伸强度，最高可达到1850MPa，该强度已远高于用传统方法制备的相当晶粒尺寸的钢样品的抗拉强度；
4．本发明利用传统的真空感应熔炼技术，结合连续轧制、连续退火及快速冷却技术，只需改进工艺条件，控制适当的热处理及冷却参数即可获得这种双相组织比例可调，平均粒径及孪晶宽度在不同尺度范围分布的高强度钢材料。
附图说明
图1 是本发明实施例1制备的钢材料的扫描电子显微镜照片；
图2 是本发明实施例3制备的钢材料的微观组织形貌图；
图3是室温条件下，本发明钢材料在室温中单向拉伸的工程应力-工程应变曲线；
图3中： 1 代表本发明实施例1所得到的数据，2 表示本发明实施例2所得到的数据，3 表示本发明实施例3所得到的数据。
具体实施方式
本发明实施例的熔炼设备为150kg真空感应熔炼炉，具有惰性气体保护装置；
轧制设备为Φ450型双辊单向异步轧机；
冷却设备为冷速为（50～80 ）℃/s的多喷嘴超快冷设备；
保温设备为SX2-12-10型箱式电阻炉。
本发明实施例采用的合金原料均为分析纯级，包括分析纯级Fe粉末（Fe≥99.9％），分析纯级Cr粉末（Cr≥99.9％），分析纯级Ni粉末（Mn≥99.9％），分析纯级Mn粉末（Mn≥99.9％）和分析纯级C粉末（C≥99.9％）和分析纯级微量合金元素V 和Mo的粉末，以Fe-(13.5 ~14.5)Cr-(2.3 ~2.7)Mn-(6.1 ~ 6.9)Ni-(0.01 ~ 0.03)C为基础合金组分。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
以Fe-(13.5 ~14.5)Cr-(2.3 ~2.7)Mn-(6.1 ~ 6.9)Ni-(0.01 ~ 0.03)C为基础合金成分进行配料，其他微量合金元素的组成范围为：(0.023 ± 0.002)V，(0.075 ± 0.015 )Mo，将合金料在真空感应炉内冶炼，向炉中通入惰性气体Ar作为保护气体，将冶炼钢水铸锭并加热至1150℃，保温1h，将铸锭开坯成截面为100 mm×100mm 的正方形坯，热轧采用两阶段控制轧制，第一阶段热轧温度为1050℃，为奥氏体再结晶温度，第二阶段热轧温度为820℃，为奥氏体未再结晶温度，两阶段的相对压下量分别为35% 和15%，经6 道次板厚为8 mm，终轧后，钢板立即经轧机出口处配置的超快冷设备进行急冷，速率为50℃/ s，冷却到650℃，保温半小时，水冷至室温，对所得钢板进行多道次冷轧，每次冷轧后进行退火处理，退火温度 450℃，保温时间10 min，然后进行下一道次冷轧，冷轧总压下量为75%，冷轧完成后将该板材放在电阻炉中450℃保温5 min，然后水冷至室温，钢板最终厚度为2 mm。
制备出的板状钢材料具有双相，即奥氏体+马氏体结构特征，晶粒尺寸为800 nm，同时，该材料具有纳米尺度的孪晶片层结构，其平均尺寸为10 nm，以及大量晶粒尺寸在纳米量级的超细晶粒，该热轧板钢材料在室温的屈服强度为1600MPa，抗拉强度为1850 MPa，拉伸率为10%，如图3所示。
化学分析结果表明，制备态微米晶体中厚板钢样品的化学成分含量如表1所示：
表1 实施例1的超细晶粒双相钢化学组成
扫描电子显微镜相分析结果表明所准备钢板材料的平均晶粒尺寸约为800 nm，微观组织由奥氏体+马氏体双相组成，存在大量孪晶片层结构及纳米晶粒簇 ，如图1所示，其中亮色表示马氏体组织，暗色表示奥氏体组织，从图中可以看出，微观组织中存在大量的马氏体相其体积分数约57%，亚微米级的晶粒，纳米尺度孪晶（TBs）及ε-马氏体片层（ε）。
实施例2
以Fe-(13.5 ~14.5)Cr-(2.3 ~2.7)Mn-(6.1 ~ 6.9)Ni-(0.01 ~ 0.03)C为基础合金成分进行配料，其他微量合金元素的组成范围为：(0.023 ± 0.002)V，(0.075 ± 0.015 )Mo，将合金料在真空感应炉内冶炼，向炉中通入惰性气体Ar作为保护气体，将冶炼钢水铸锭并加热至1150℃，保温1h，将铸锭开坯成截面为100 mm×100mm 的正方形坯，热轧采用两阶段控制轧制，第一阶段热轧温度为1150℃，为奥氏体再结晶温度，第二阶段热轧温度为950℃，为奥氏体未再结晶温度，两阶段的相对压下量分别为35% 和15%，经6 道次板厚为8 mm，终轧后，钢板立即经轧机出口处配置的超快冷设备进行急冷，速率为80℃/ s，冷却到650℃，保温半小时，水冷至室温，对所得钢板进行多道次冷轧，每次冷轧后进行退火处理，退火温度 450℃，保温时间10 min，然后进行下一道次冷轧，冷轧总压下量为50%，冷轧完成后将该板材放在电阻炉中550℃保温5 min，然后水冷至室温，钢板最终厚度为2 mm。
该工艺条件下制备出超高强度、超细晶体钢材料，扫描电子显微镜图像如图2所示，观察表明：微观组织中存在大量的马氏体相，其体积分数约65%，存在亚微米级的晶粒，其平均晶粒尺寸约为900 nm，该超细晶体钢材料在室温的屈服强度为1490 MPa，抗拉强度为1580 MPa，拉伸率为16%，如图3所示；透射电子显微镜观察该钢材料的晶粒内部具有部分孪晶片层结构，孪晶亚结构的平均厚度30 nm。
化学分析结果表明，制备态微米晶体中厚板钢样品的化学成分含量如表2所示：
表2 实施例2的超细晶粒双相钢化学组成
实施例3
以Fe-(13.5 ~14.5)Cr-(2.3 ~2.7)Mn-(6.1 ~ 6.9)Ni-(0.01 ~ 0.03)C为基础合金成分进行配料，其他微量合金元素的组成范围为：(0.023 ± 0.002)V，(0.075 ± 0.015 )Mo，将合金料在真空感应炉内冶炼，向炉中通入惰性气体Ar作为保护气体，将冶炼钢水铸锭并加热至1150℃，保温1h，将铸锭开坯成截面为100 mm×100mm 的正方形坯，热轧采用两阶段控制轧制，第一阶段热轧温度为1100℃，为奥氏体再结晶温度，第二阶段热轧温度为900℃，为奥氏体未再结晶温度，两阶段的相对压下量分别为35% 和15%，经6 道次板厚为8 mm，终轧后，钢板立即经轧机出口处配置的超快冷设备进行急冷，速率为80℃/ s，冷却到650℃，保温半小时，水冷至室温，对所得钢板进行2道次冷轧，每次冷轧后进行退火处理，退火温度 450℃，保温时间10 min，然后进行下一道次冷轧，冷轧总压下量为60%，冷轧完成后将该板材放在电阻炉中650℃保温5 min，然后水冷至室温，钢板最终厚度为5 mm。
该工艺条件下同样可制备出高抗拉强度及高塑性的钢材料，光学显微镜观察表明其平均晶粒尺寸约为1 μm，该超细晶体钢材料在室温的屈服强度为1100MPa，抗拉强度为1200 MPa，拉伸率为20 %，如图3所示；透射电子显微镜观察该钢材料的晶粒内部具有部分孪晶片层结构，孪晶亚结构的平均厚度50 nm。
化学分析结果表明，制备态微米晶体中厚板钢样品的化学成分含量如表3所示：
表3 实施例3的超细晶粒双相钢化学组成
Claims (2)
1.一种超细晶粒双相钢材料，其特征在于其化学组成按重量百分比为：(13.5～14.5)%Cr，(6.1～6.9)%Ni，(2.3～2.7)%Mn，(0.33～0.37)%Si，(0.60～0.90)%Cu，(0.01～0.03)%C，(0.021～0.025)%V，(0.060～0.090)%Mo，P<0.02%，S<0.04%，余量为Fe元素，其微观结构由取向随机分布的超细晶粒组成，晶粒的直径为500～2000nm，其微观组织由奥氏体及马氏体两相组成，其室温条件下的屈服强度为1100～1600MPa，抗拉强度为1200～1850MPa，延伸率为10～20%。
2.如权利要求1所述的一种超细晶粒双相钢材料的制备方法，其特征在于按照以下步骤进行：按重量百分比，以Fe-(13.5～14.5)Cr-(2.3～2.7)Mn-(6.1～6.9)Ni-(0.01～0.03)C为基础合金成分进行配料，其他微量合金元素的组成范围为：(0.023±0.002)V，(0.075±0.015)Mo，将合金料在真空感应炉内冶炼，向炉中通入惰性气体Ar作为保护气体，将冶炼钢水浇铸成钢锭，并加热至1150℃，在保温1h充分固溶处理后，将铸锭开坯成钢坯，进行两阶段热轧，第一阶段热轧温度为1050～1150℃，相对压下量为35%，第二阶段热轧温度为820～950℃，相对压下量为15%，终轧后钢板经轧机出口处配置的超快冷设备进行急冷，速率在50～80℃/s之间，冷却到650℃后水冷至室温，然后采用两辊轧机对钢板进行冷轧处理，变形范围为50%～75%，冷轧完成后将该板材放在电阻炉中于450-650℃保温5min，然后水冷至室温，得到超细晶粒双相钢钢板。
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