一种高强度高塑性的形状记忆钢及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种回复应力＞500MPa、回复应变＞4％的高强度高塑性的形状记忆钢及其制备方法，合金的成分及质量百分比为：Mn：18％～24％，Si：4.5％～6.5％，Cr：7％～11％，Ni：4％～6％，V：0.08％～1.5％，C：0.02％～0.3％，余量为Fe。该合金的制备方法中包括真空感应熔炼和热处理步骤，制备工艺简单可控。本发明专利技术中通过优化合金成分所获得的形状记忆钢，在不经热机械处理的情况下，回复应力＞500MPa、回复应变＞4％、强度＞700MPa、延伸率＞10％，体现出了优异的形状记忆效应和力学性能。

A shape memory steel with high strength and plasticity and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种高强度高塑性的形状记忆钢及其制备方法
本专利技术属于铁基形状记忆合金材料
，涉及一种回复应力＞500MPa、回复应变＞4％的高强度高塑性的形状记忆钢及其制备方法。
技术介绍
上世纪80年代初，相关研究表明Fe-30Mn-1Si合金沿<414>晶向的单晶具有优异的形状记忆效应，回复应变超过了传统的镍钛基和铜基形状记忆合金，从而开启了Fe-Mn-Si基形状记忆合金开发的新方向。与镍钛基和铜基形状记忆合金相比，Fe-Mn-Si基形状记忆合金具有成本低、可焊性好、加工性能好、力学性能优异等特点，已在大型管接头、铁轨连接板、混凝土结构中获得了应用。但是，通过常规的钢铁熔炼和加工方法制备的Fe-Mn-Si基形状记忆钢都呈现为多晶体，前期的大量研究表明，与单晶态相比，多晶态Fe-Mn-Si基形状记忆钢的回复应变显著降低，通常都低于2.5％，这极大地限制了该类合金的应用。如何提高该类合金的形状记忆效应成为该领域过去30年的研究重点。目前研究最广泛的提高形状记忆效应的方法为热机械处理：包括“训练”和奥氏体形变热处理。前者指一定周次的室温变形和高温退火的循环，后者指在马氏体开始转变温度(Ms点)以上温区进行小量变形。这两种热机械处理的方法都能显著提高Fe-Mn-Si基形状记忆钢的回复应变和回复应力。大量的研究表明，经过这两种方法处理的形状记忆钢的微观组织中存在大量的层错，这些层错可以辅助应力诱发马氏体的形成，使得变形过程中产生的应力诱发马氏体呈现出三个特点：(1)非常薄，宽度只有几纳米；(2)均匀分布；(3)在每个晶粒内只有一个变体。这类马氏体前端的肖克莱不全位错容易保留在晶粒内部，从而在退火的过程中能回复全部的应变，获得很高的回复应变。值得注意的是，热机械处理会不可避免地提高成本，并且对于某些形状比较复杂的成型部件，热机械处理无法实施。从本世纪初开始，相关研究人员发现在Fe-Mn-Si基形状记忆钢中析出碳化物，如NbC，TiC和VC等，也有利于提高其形状记忆效应。这种方法可以不受部件形状的限制，因而呈现出了良好的应用前景。但是至今报道的提升幅度都不大，其主要原因是相关研究人员只在原有合金成分的基础上添加碳化物的形成元素，而没有主动对合金成分进行重新设计，尤其没有考虑新添加的合金元素及其与原有主干合金元素的配比对形状记忆效应的影响。另一方面，Fe-Mn-Si基形状记忆钢主要作为结构材料进行应用，因而其强度、塑性等力学性能也非常重要，最理想的状态是既具有优异的形状记忆效应又具有高强度和高塑性，但是目前相关研究人员对于该类合金的力学性能关注较少。综上所述，目前Fe-Mn-Si基形状记忆钢发展的主要目标是合金成分的优化设计，在保证其优良的力学性能的同时，尽可能提高形状记忆效应，即回复应力和回复应变。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种回复应力＞500MPa、回复应变＞4％的高强度高塑性的形状记忆钢及其制备方法。技术方案一种回复应力＞500MPa、回复应变＞4％的高强度高塑性的形状记忆钢，其特征在于：合金的质量百分比为：Mn：18％～24％，Si：4.5％～6.5％，Cr：7％～11％，Ni：4％～6％，V：0.08％～1.5％，C：0.02％～0.3％，余量为Fe。一种所述回复应力＞500MPa、回复应变＞4％的高强度高塑性的形状记忆钢的制备方法，其特征在于步骤如下：步骤1：将上述合金按元素比例配置原料后在真空中频感应熔炼炉中进行熔炼，采用氩气作为保护气氛，真空度0.1Pa，充入氩气至0.7×105Pa，加热温度为1500～1550℃，感应电流的频率为2500Hz，电压380V，将合金铸锭翻转熔炼3～5次得到铸锭；步骤2：对铸锭进行线切割，切成厚度均为22mm的板材；步骤3：对板材进行均匀化退火工艺，参数为：板材随炉升温至1000～1100℃，保温5～10h，水冷淬火；步骤4：采用热轧工艺将厚度为22mm的板材分多个道次轧至10～10.5mm，热轧温度为1100℃，第1道次随炉升温至1100℃，保温时间30～40min，绝对压下量为1～1.5mm，其余各道次绝对压下量为1～2mm；除最后一道次外，每道次轧完后采用1100℃回炉保温10～15min，最后一道次轧完后水冷淬火；步骤5：进行固溶处理工艺，先将炉温升至1000～1100℃，再将板材放入炉膛中保温4～8h，最后水冷淬火；步骤6：再进行时效处理工艺，先将炉温升至650～800℃，再将板材放入炉膛中保温2h，最后水冷淬火，得到回复应力＞500MPa、回复应变＞4％的高强度高塑性的形状记忆钢。有益效果本专利技术提出的一种回复应力＞500MPa、回复应变＞4％的高强度高塑性的形状记忆钢及其制备方法。合金的成分及质量百分比为：Mn：18％～24％，Si：4.5％～6.5％，Cr：7％～11％，Ni：4％～6％，V：0.08％～1.5％，C：0.02％～0.3％，余量为Fe。Mn元素有利于降低层错能和马氏体开始转变温度(Ms点)，从而提高合金的形状记忆效应，但Mn元素也会提高奈尔温度(TN)，使母相奥氏体自由能降低而变得十分稳定，导致γ→ε马氏体的转变过程难以进行。所述合金的化学组成中Mn元素的质量百分比限定为18％～24％，Mn元素的质量百分比高于或低于这一范围都将对γ→ε马氏体相变产生抑制作用，从而导致所述合金形状记忆效应的降低。Si元素有利于降低层错能，提高母相屈服强度，除此之外，还能降低奈尔温度(TN)，但Si元素含量高于6.5％时，会导致合金的冷热加工性能急剧下降，因此将Si元素的质量百分比设定为4.5％～6.5％。上述合金的化学组成中Cr和Ni的质量配比为1.75～1.90，Cr元素的加入可以提高合金的耐蚀性，但当Cr元素含量高于7％时，将在合金中引入σ相，降低合金的塑性和断裂韧性，而在合金中加入上述比例的Ni元素时能够在抑制σ相析出的同时不影响其他性能，因此将Cr元素的质量百分比设定为7％～11％，将Ni元素的质量百分比设定为4％～6％。V和C的原子配比为1.0～1.2，即V的原子数略大于C的原子数，使元素C能够全部进入碳化钒(VC)，而略微剩余的V能够固溶在合金基体中。所述合金中析出碳化钒的质量百分比为0.1～1.8％，析出碳化钒的质量百分比若低于0.1％，不能得到预期的优化结果，若高于1.8％将降低合金的塑性和切削加工性能。该合金的制备方法包括真空感应熔炼，均匀化退火处理、热轧处理、固溶处理、时效处理。制备工艺简单可控。本专利技术中通过优化合金成分所获得的形状记忆钢，在不经热机械处理的情况下，回复应力＞500MPa、回复应变＞4％、强度＞700MPa、延伸率＞10％，体现出了优异的形状记忆效应和力学性能。与现有的技术相比，本专利技术更具有如下有益效果：1、本专利技术体系合金的回复应力＞500MPa，并且回复应变＞4％，同时获得了较高水平的回复应力和回复应变，有利于满足要求形状记忆钢在回复本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种回复应力＞500MPa、回复应变＞4％的高强度高塑性的形状记忆钢，其特征在于：合金的质量百分比为：Mn：18％～24％，Si：4.5％～6.5％，Cr：7％～11％，Ni：4％～6％，V：0.08％～1.5％，C：0.02％～0.3％，余量为Fe。/n

【技术特征摘要】
1.一种回复应力＞500MPa、回复应变＞4％的高强度高塑性的形状记忆钢，其特征在于：合金的质量百分比为：Mn：18％～24％，Si：4.5％～6.5％，Cr：7％～11％，Ni：4％～6％，V：0.08％～1.5％，C：0.02％～0.3％，余量为Fe。


2.一种权利要求1所述回复应力＞500MPa、回复应变＞4％的高强度高塑性的形状记忆钢的制备方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将上述合金按元素比例配置原料后在真空中频感应熔炼炉中进行熔炼，采用氩气作为保护气氛，真空度0.1Pa，充入氩气至0.7×105Pa，加热温度为1500～1550℃，感应电流的频率为2500Hz，电压380V，将合金铸锭翻转熔炼3～5次得到铸锭；
步骤2：对铸锭进行线切割，切成厚度均为22mm的板材；...

【专利技术属性】
技术研发人员：赖敏杰，薛梦姣，李金山，薛祥义，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61