一种超级韧性钢铁材料及其制造方法技术

一种超级韧性钢铁材料及其制造方法，属于钢铁材料及其加工制备领域，具体涉及一种低温条件使用的超级韧性钢铁材料及其制造方法。钢铁材料包括以下重量百分比的化学元素：0.10~0.15%C，29.5~31.5%Mn，其余为Fe和不可避免的杂质。制造方法包括以下步骤：A1、氩气保护熔炼，电渣重熔处理；A2、热轧或热锻；A3、经900℃~1100℃退火1小时，淬火；A4、冷轧，冷轧板经700℃~1200℃退火1小时，退火后进行淬火。钢材组成元素简单，不含贵金属；平均晶粒尺寸小于30微米，具有完全面心立方结构，无磁性。低温条件下性能尤其突出，低温冲击功超过目前已知所有金属材料。

A super ductile steel material and its manufacturing method

【技术实现步骤摘要】
一种超级韧性钢铁材料及其制造方法
本专利技术属于钢铁材料及其加工制备领域，具体涉及一种低温条件使用的超级韧性钢铁材料及其制造方法。
技术介绍
在低温条件下的工作设备，如外太空（约4K）用收集太空碎片卫星外板，低温超导领域冷却器件（2K-4K），对材料的要求极为苛刻。另外，在地面的常规应用，如液化天然气储罐（液化温度-163℃），极地破冰船等，对材料的韧性和防冲击性也有极高的要求。在上述环境下，普通金属材料存在发生脆性断裂以及冲击韧性差的问题。目前的研究，支撑超导磁体的结构材料是一个主要方向。在核聚变发电、粒子加速器、超导储能等各种利用超导体的技术中，由于产生强磁场需要提供大量的电流，因此使用超导磁体。由于超导磁体中会产生很大的电磁力，而且通常由液氦冷却至2-4k的低温，因此支撑超导磁体的结构材料需要高强度，能够承受低温下的巨大电磁力。此外，必须尽量减小结构材料对磁场的影响。作为支撑超导磁体的结构材料的现有材料可以包括奥氏体不锈钢、高Mn钢、铝合金、钛合金和纤维增强塑料。普通奥氏体不锈钢在低温下的强度和韧性不足，而含氮低碳不锈钢中奥氏体相的稳定性不足，部分奥氏体相在低温变形后转变为铁磁马氏体相，这导致韧性降低。镍含量进一步增加的奥氏体不锈钢作为低温用的结构材料，存在着成本增加、热膨胀系数高等问题与奥氏体不锈钢相比，纤维增强塑料具有非磁性、易处理、比重低、热膨胀系数低、单位截面强度低等优点。此外，虽然钛合金的比重低，强度高，但它们涉及一个问题，即低温下韧性低，且价格昂贵。铝合金因其重量轻、强度高、磁导率极低而在低温下应用广泛，但铝合金的强度不足，而且还涉及焊接性问题。目前的低温用金属一共有两类，第一类为以9%Ni钢为代表的低温钢，制造9%Ni钢的工艺非常复杂，需要两次淬火+双相区淬火+回火(RLT)、淬火+双相区淬火+回火(QLT)、淬火+回火(QT)等复杂的热处理，其制造成本非常高，而且由于其含有大量的贵金属Ni，合金成本很高。该钢主要组织为体心立方的马氏体组织，因此具有磁性，而且低温冲击值低于150J。9%Ni钢，随着温度的降低强度和塑性都提高，而低温冲击韧性降低。第二类技术为，高熵和中熵合金，高熵合金可以在低温下获得将近400J的冲击功，但是高熵和中熵合金由于含有大量贵金属Co，Ni和V，其合金成本非常高，而且需要超纯净冶炼，冶炼成本也很非常高，并且目前高熵合金还停留在实验室阶段，没有大规模生产的报道。高锰钢在低温条件下的应用也比较多，如JP63259022A、JPH0215151A、JPS6227557A、JPS58107477A、JPS61143563A、JPH02205631A、US6761780B2等。上述文件公开的高锰钢中，基本都含有镉、镍、铌、铒等元素。目前有关低温冲击韧性的研究：1、高熵合金[1]Xia,S.Q.,Gao,M.C.,Zhang,Y..(2017).Abnormaltemperaturedependenceofimpacttoughnessinalxcocrfenisystemhighentropyalloys.MaterialsChemistryandPhysics,S0254058417304637.披露了CoCrFeNi高熵合金，在77K下的冲击功达到397.87J，是目前知道的金属材料中的最高值，并且反温度效应，温度越低冲击值越高。文中结论认为：形成纳米孪晶的能力和细小的韧窝断裂是提高冲击韧性的关键。[2]Li,D.Y.,&Zhang,Y..(2016).Theultrahighcharpyimpacttoughnessofforgedalxcocrfenihighentropyalloysatroomandcryogenictemperatures.Intermetallics,70,24-28.披露了以下内容：Al0.1CoCrFeNi:289J/77K，420J/RT，σy:412MPa/77K,σy:250MPa/298KAl0.3CoCrFeNi:328J/77K，413J/RT，σy:515MPa/77K,σy:220MPa/298K上述两种材料，温度降低强度和塑性同时提高，但是冲击没有表现出反温度效应，温度降低冲击功降低。[3]BerndGludovatz，AntonHohenwarter，DhirajCatoor，EdwinH.Chang，EasoP.George，RobertO.Ritchie.Afracture-resistanthigh-entropyalloyforcryogenicapplications.SCIENCE.2014,v345:1153-1158.披露了CrMnFeCoNi拉伸性能反温度效应，温度降低时强度和塑性同时提高，室温激活位错的平面滑移，降低温度后变形孪晶被激活，导致稳定的加工硬化能力。但是没有表现出冲击韧性的反温度效应，低温下数值比较稳定：Jk：293K~250kJ/m2，200K~260kJ/m2，77K~255kJ/m2；KJIC：293K~217MPa▪m1/2，200K~221MPa▪m1/2，77K~219MPa▪m1/2。2、TWIP钢通常而言，TWIP钢的Mn含量很高（12~30%），并含有少量C(<1%),Si(<3%)或Al(<3%)。它在室温下的组织为单一的奥氏体组织和少量退火孪晶组织。[4]SeokSuSohn,SeokminHong,JunghoonLee,Byeong-ChanSuh,Sung-KyuKim,Byeong-JooLee,NackJ.Kim,SunghakLee.EffectsofMnandAlcontentsoncryogenic-temperaturetensileandCharpyimpactpropertiesinfouraustenitichigh-Mnsteels.2015ActaMaterialia,100,39-52.文中披露了Fe-19Mn,Fe-19Mn-2Al,Fe-22Mn,Fe-22Mn-2Al这四种钢，在低温下屈服强度提高幅度大，但是塑性没有同步提高，冲击韧性没有反温度效应，冲击韧性值很低：Charpyimpactenergy(J)Fe-19Mn:83.4±1.6(RT)10.3±0.2(-196℃)Fe-19Mn-2Al:87.6±3.2(RT)16.8±0.9(-196℃)Fe-22Mn:84.2±1.6(RT)36.6±0.4(-196℃)Fe-22Mn-2Al:90.7±1.1(RT)42.0±0.2(-196℃)[5]Kim,H.,Ha,Y.,Kwon,K.H.,Kang,M.,Kim,N.J.,&Lee,S..(2015).Interpretationofcryoge本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超级韧性钢铁材料，其特征在于包括以下重量百分比的化学元素：0.10~0.15%C，29.5~31.5%Mn，其余为Fe和不可避免的杂质。/n

【技术特征摘要】
1.一种超级韧性钢铁材料，其特征在于包括以下重量百分比的化学元素：0.10~0.15%C，29.5~31.5%Mn，其余为Fe和不可避免的杂质。


2.根据权利要求1所述的钢铁材料，其特征在于，所述C元素的重量百分比为0.11%，Mn元素的重量百分比为30%，其余为Fe和不可避免的杂质。


3.根据权利要求1或2所述的钢铁材料，其特征在于，微观组织的平均晶粒尺寸小于30微米。


4.根据权利要求3所述的钢铁材料，其特征在于，微观组织的平均晶粒尺寸为5.6微米。


5.根据权利要求1所述的钢铁材料，其特征在于，所述钢铁材料的低温（液氮温度）冲击功平...

【专利技术属性】
技术研发人员：王玉辉，黄晓旭，王天生，郑亚楠，刘建华，彭艳，廖波，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北;13