一种抗疲劳耐腐蚀孪生诱发塑性钢及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种抗疲劳耐腐蚀孪生诱发塑性钢及其制备方法。本发明专利技术中首先采用高Mn、高C和高Cr的合金设计，再通过添加N、Ti和Nb等辅助合金元素，同时结合适当的固溶、时效热处理，使TWIP钢获得理想的强化效果和钝化效应，从而保证材料具有良好的强韧性、抗疲劳性能和耐蚀性能，有助于解决普通TWIP钢或不锈钢存在的强韧性不足或耐蚀性较差的根本性问题。

【技术实现步骤摘要】
一种抗疲劳耐腐蚀孪生诱发塑性钢及其制备方法
本专利技术涉及合金钢加工领域，特别设计一种抗疲劳耐腐蚀孪生诱发塑性钢及其制备方法。
技术介绍
孪生诱发塑性钢(TWIP钢)是一种单相奥氏体钢，具有极高的强韧性尤其是塑性，在航空航天、国防以及车辆、道路、桥梁、建筑、管道、低温储罐等领域有广泛的应用前景。孪生诱发塑性钢的基本加工过程为：在真空电炉惰性气氛保护下熔炼形成合金，经锻造、轧制成形，再经热处理获得不同晶粒尺寸的等轴奥氏体晶。孪生诱发塑性钢的典型力学性能为：屈服强度250～350MPa，抗拉强度500～600MPa，断后伸长率70～85％。但是，由于晶粒表面缺少钝化层，TWIP钢的耐蚀性较差。研究表明，由于Al在酸性溶液中的非钝化倾向以及Fe的溶解，Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢在酸性腐蚀介质中的耐蚀性较差；在盐等中性溶液中，由于Al有很强的成膜倾向，故Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢的耐蚀性略好于酸性溶液；对于碱性溶液来说，由于Mn和Fe的钝化效应，Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢的耐蚀性与一般结构钢没有明显差别。总体上看，TWIP钢在水性环境中的耐蚀性远远低于不锈钢。TWIP钢耐蚀性低的缺点，已经成了限制其广泛应用的重要制约性因素之一。与其它Fe基合金一样，要提高TWIP钢的耐蚀性，也需在其中添加适当的Cr。这是因为Cr可在晶粒表面形成富Cr的钝化层，阻止微电池的形成，从而避免了晶界腐蚀。此外，Cr还可以增加低错配能小角晶界(2～10°)，因此也有利于提高TWIP钢的耐蚀性能。但是，Cr合金化对TWIP钢的力学性能尤其是塑性是极为不利的。据报道，以Cr、N辅助合金化的TWIP钢，断后伸长率仅为33％左右。当Cr含量由1％增至4％时，断后伸长率则进一步下降至30％左右，大大低于一般的Fe-Mn-Al-Si系和Fe-Mn-C系TWIP钢(A≥70％)。因此，在通过Cr合金化改善TWIP钢耐蚀性的同时，还须对奥氏体组织的稳定性、层错能、变形机制以及力学性能的变化进行系统研究，以减少Cr产生的负面影响。另一方面，TWIP钢较低的强度特别是屈服强度也使之疲劳寿命偏低，难以满足周期性疲劳载荷作用下的服役需求。虽然通过冷轧等变形强化工艺可在一定程度上提高TWIP钢的屈服强度和抗拉强度，但这种强化方式使材料的韧性损失较大，同样不利于材料的抗疲劳性能。因此，要改善TWIP钢的抗疲劳性能，须在提高其强度的同时，尽可能保持其高韧性。对于TWIP来说，所采取的合金设计获工艺手段应对孪生变形机制的影响尽可能小，从而尽可能大地抑制位错滑移引起的局部高应力或滑移位错在晶界处塞积引起的应力集中，以使材料同时获得高强、高韧的综合性能。根据上述原理，本专利技术通过以下两种方法提高TWIP的耐蚀性和抗疲劳性能：(1)通过高Mn，保证材料具有合适的层错能，产生孪生诱发塑性效应。(2)通过添加Cr获得晶粒表面钝化膜；加入N扩大奥氏体相的溶C能力，减小C析出的倾向；加入Ti、Nb等稳定基体中的C，抑制含Cr碳化物的析出，以提高TWIP钢的耐蚀性。(3)利用高C、高N的组合及其相对含量控制，结合适当的固溶、时效热处理，获得理想的固溶强化和沉淀强化效果，以补偿Cr合金化带来的材料力学性能的退化，提高TWIP钢的强韧性和抗疲劳性能。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种抗疲劳耐腐蚀孪生诱发塑性钢的制备方法。通过C、Mn、Cr、N、Ti和Nb的综合设计，结合适当的固溶和时效热处理，获得所需的奥氏体基体和强化相弥散分布的组织，实现材料抗疲劳性能和耐蚀性能同时提高的目标。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种抗疲劳耐腐蚀孪生诱发塑性钢的制备方法，包括以下步骤：(1)熔炼：将原料单质C、Mn、Cr、N、Ti、Nb按目标成分进行配料，将配好的原料投入到真空感应冶炼炉内，在氩气保护下进行熔炼，熔炼结束后浇注成钢锭。(2)高温拔长：将步骤(1)获得的钢锭进行表面车削加工，加工量2～5mm，车削后的钢锭经900～1100℃均匀化处理后，按锻比10～45将钢锭沿轴向拔长成直径30～40mm的圆坯，然后截成长800～1000mm的圆棒。(3)热轧管：将步骤(2)获得的棒料加热至950～1100℃，保温0.5～1.0h，然后轧制成壁厚0.8～2.5mm、外径8.0～15.0mm、长度不限的管材。轧制过程中可根据板坯硬化情况进行中间软化退火，退火温度950～1100℃，保温时间0.5～1.0h。(4)高温锻板：将步骤(1)获得的钢锭进行表面车削加工，加工量2～5mm，车削后的钢锭经900～1100℃均匀化处理后，按锻比5～8将钢锭沿轴向锻打成厚30～40mm、宽200～300mm、长≥600mm的板坯。(5)热轧板：将步骤(3)获得的板坯加热至950～1100℃，保温0.5～1.0h，然后轧制成厚8～10mm、宽500～600mm、长度不限的板坯。轧制过程中可根据板坯硬化情况进行中间软化退火，退火温度950～1100℃，保温时间0.5～1.0h。(6)冷轧板：将步骤(4)获得的板坯在室温下轧制成厚0.5～2.0mm、宽500～600mm、长度不限的薄板。所述的一种抗疲劳耐腐蚀孪生诱发塑性钢的制备方法，其特征在于：所述的目标成分如下(wt.％)：C：0.20～0.50；Mn：20～30；Cr：12～18；Si：0.5～0.8；Ti：0.10～0.25；Nb：0.10～0.25；N：0.3～0.8；其余为Fe。本专利技术还提供了根据上述制备方法加工出的具有高强韧、抗疲劳、耐腐蚀的孪生诱发塑性钢。本专利技术有益效果如下：本专利技术针对TWIP钢较低的强度、疲劳寿命及耐蚀性等缺点，以及现有强化和钝化工艺的不足，首先采用高Mn、高C和高Cr的合金设计，再通过添加N、Ti和Nb等辅助合金元素，同时结合适当的固溶、时效热处理，使TWIP钢获得理想的强化效果和钝化效应，从而保证材料具有良好的强韧性、抗疲劳性能和耐蚀性能。本专利技术制得的孪生诱发塑性钢具有高强韧性、高疲劳寿命和高耐蚀性。具体特点如下：(1)主要化学成分为(wt.％)：C：0.20～0.50；Mn：20～30；Cr：12～18；Si：0.5～0.8；Ti：0.10～0.25；Nb：0.10～0.25；N：0.3～0.8；其余为Fe。(2)金相组织为：尺寸可调的等轴奥氏体晶粒及其均匀分布的第二相颗粒，其中奥氏体等轴晶直径100～1000μm，第二相颗粒直径0.1～0.5μm，体积分数1～5％。(3)典型拉伸力学性能为：屈服强度300～650MPa，抗拉强度780～860MPa，断后伸长率40～60％。(4)典型疲劳性能为：最大应力为550MPa时，疲劳寿命为1010；疲劳寿命为106时，可承受的疲劳载荷为690MPa；疲劳极限(承受107次循环不发生断裂的最大载荷)为660MPa。(5)耐蚀性：室温下在5wt.％NaCl溶液中浸泡700～1000h后无明显锈蚀，耐蚀性与1Cr18Ni9Ti不锈钢相当。附图说明图1：普通TWIP钢的典型晶粒组织；图2：本实施例获得的抗疲劳耐蚀TWIP钢的典型晶粒组织；图3：普通TWIP钢的典型拉伸应力应变曲线及性能；图4：国产1Cr18Ni9Ti不锈钢的典型拉伸应力应变曲线及性能；图5：进口1C本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种抗疲劳耐腐蚀孪生诱发塑性钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)熔炼：将原料单质C、Mn、Cr、N、Ti、Nb按目标成分进行配料，将配好的原料投入到真空感应冶炼炉内，在氩气保护下进行熔炼，熔炼结束后浇注成钢锭；(2)高温拔长：将步骤(1)获得的钢锭进行表面车削加工，加工量2～5mm，车削后的钢锭经900～1100℃均匀化处理后，按锻比10～45将钢锭沿轴向拔长成直径30～40mm的圆坯，然后截成长800～1000mm的圆棒；(3)热轧管：将步骤(2)获得的棒料加热至950～1100℃，保温0.5～1.0h，然后轧制成壁厚0.8～2.5mm、外径8.0～15.0mm、长度不限的管材。轧制过程中可根据板坯硬化情况进行中间软化退火，退火温度950～1100℃，保温时间0.5～1.0h；(4)高温锻板：将步骤(1)获得的钢锭进行表面车削加工，加工量2～5mm，车削后的钢锭经900～1100℃均匀化处理后，按锻比5～8将钢锭沿轴向锻打成厚30～40mm、宽200～300mm、长≥600mm的板坯；(5)热轧板：将步骤(3)获得的板坯加热至950～1100℃，保温0.5～1.0h，然后轧制成厚8～10mm、宽500～600mm、长度不限的板坯。轧制过程中可根据板坯硬化情况进行中间软化退火，退火温度950～1100℃，保温时间0.5～1.0h；(6)冷轧板：将步骤(4)获得的板坯在室温下轧制成厚0.5～2.0mm、宽500～600mm、长度不限的薄板。...

【技术特征摘要】
1.一种抗疲劳耐腐蚀孪生诱发塑性钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)熔炼：将原料单质C、Mn、Cr、N、Ti、Nb按目标成分进行配料，将配好的原料投入到真空感应冶炼炉内，在氩气保护下进行熔炼，熔炼结束后浇注成钢锭；(2)高温拔长：将步骤(1)获得的钢锭进行表面车削加工，加工量2～5mm，车削后的钢锭经900～1100℃均匀化处理后，按锻比10～45将钢锭沿轴向拔长成直径30～40mm的圆坯，然后截成长800～1000mm的圆棒；(3)热轧管：将步骤(2)获得的棒料加热至950～1100℃，保温0.5～1.0h，然后轧制成壁厚0.8～2.5mm、外径8.0～15.0mm、长度不限的管材。轧制过程中可根据板坯硬化情况进行中间软化退火，退火温度950～1100℃，保温时间0.5～1.0h；(4)高温锻板：将步骤(1)获得的钢锭进行表面车削加工，加工量2～5mm，车削后的钢锭经900～1100℃均匀化处理后，按...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩福生，赵莫迪，王文，王幸福，薛莹莹，司永礼，钟晓康，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽,34