一种同步提升低碳钢强度和塑性的塑性变形加工工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种同步提升低碳钢强度和塑性的塑性变形加工工艺，属于高强韧钢铁材料制备技术领域。该工艺首先在低热输入参数下对低碳钢进行水下搅拌摩擦加工，在加工区得到超细晶尺度的铁素体/马氏体双相组织；再对加工区的双相组织进行两相区短时低温退火处理与随后的水淬冷却处理，最终得到性能优异的铁素体/马氏体/奥氏体/碳化物多相组织。本发明专利技术能够在提升普通低碳钢铁材料强度的同时提升其塑性，所制备的低碳钢具有超细、等轴、多相复合的组织特点。经本塑性变形加工的材料强、塑性能均优于目前工业上ATMP生产的材料，所涉及的方法具有简单、便捷、高效和成本低廉的优点。高效和成本低廉的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种同步提升低碳钢强度和塑性的塑性变形加工工艺


[0001]本专利技术涉及高强韧钢铁材料制备
，具体涉及一种同步提升低碳钢强度和塑性的塑性变形加工工艺。

技术介绍

[0002]为了满足轻质高强的应用要求，钢铁材料制备正在向不断提升强度的方向发展，但是提升材料强度的同时常常伴随其塑性的损失，进而降低其后续的可加工性、成形性和服役性能，严重制约高强材料的推广应用。与此同时，节能减排、节约资源和可持续发展目标要求材料不断“素化”，即保证材料强度的同时尽可能降低其合金含量。因此，先进的高强高塑性低碳钢(包括添加少量廉价合金元素的低碳低合金钢)成为国内外材料工作者的研究热点。
[0003]目前工业中普遍采用细晶强化和多相组织耦合来提升强度和塑性，主要包括先进热机械加工(ATMP)和大塑性变形(SPD)+退火处理两种工艺。ATMP便于批量生产，工业应用背景广，但是塑性变形程度有限，晶粒细化效果一般不及SPD+退火工艺；而SPD技术虽然具有较高的晶粒细化能力，但是所制备材料的稳定性不高，且样品尺寸受限，不易实现批量化生产。虽然采用上述两种工艺均可制备出具有超细平均晶粒尺度(<1μm)的铁素体、铁素体+碳化物和铁素体+马氏体等双相组织，并且使低碳钢材料的强度提升到1GPa以上；但是这些超细材料的塑性并不够高，单轴静态拉伸过程的总延伸率均在15％以下，严重限制其后续的加工和服役性能。然而，fcc结构的奥氏体相在塑性变形过程中具有相变诱发塑性(TRIP)效应，有望进一步提升超细晶材料的塑性。但是奥氏体需要碳、锰、铬等合金元素增加其稳定性才能存在于室温下，因此常规制备工艺得到的低碳低合金钢中较难引入奥氏体。
[0004]搅拌摩擦加工(FSP)是一种基于搅拌摩擦焊(FSW)的新型材料改性工艺，其利用一种由轴肩和搅拌针组成的搅拌工具旋转压入工件产生热塑性变形，并伴随搅拌工具的移动形成加工区，具有晶粒细化效果显著、可大面积加工和加工区组织均匀稳定等特点。近年来，低热输入搅拌摩擦加工技术得到了迅速发展，其通过控制加工参数和附加冷却介质来进一步降低热输入，以实现提升晶粒细化效果和控制相变等目的。不同碳钢的FSW研究表明，通过降低工具转速、提升工具行进速度或施加液态CO2冷却可成功将焊核区组织降低至超细晶尺度，同时提升其硬度和强度，(Materials Science and Engineering:A,2006.429:p.50-57；Scripta Materialia,2007.56:p.637-640；Journal of Materials Processing Technology,2016.230:p.62-71)。近年来，有学者通过采用TiC陶瓷无针工具和强制水冷工艺(工具转速400转/分钟，行进速度50毫米/分钟)在普通低碳钢搅拌摩擦加工加工区得到了超细铁素体/马氏体双相组织。由于马氏体的存在，加工区组织强度可达母材的两倍以上；但由于马氏体塑性差，且所制备铁素体含量较少等原因，其延伸率损失较为严重，仅为母材的50％(Materials Science and Engineering:A,2013.575:p.30-34)。
[0005]相较于常规搅拌摩擦加工，低热输入搅拌摩擦加工对搅拌工具的选材和设计要求更高，工具成本高、易损坏和加工区难成形是目前出现的主要问题。在工具选材上，目前较
多使用的钨基合金和氮化硼陶瓷虽具有足够的强度，但成本高昂；而WC陶瓷虽成本较低，但具有低温脆性问题。在工具设计上，搅拌针的存在使得低热输入过程中材料塑性流动不均匀性更加突出，很容易带来因材料回填不充分造成的孔洞、隧道等缺陷；无针工具仅靠轴肩下压成型，可消除搅拌针带来的缺陷，但其加工层深度受限，很难实现大面积加工制备。在组织控制上，上述塑性加工方法制备的组织均以bcc结构相(铁素体/马氏体/珠光体)为主，而这些相在超细晶尺度范围内的塑性变形能力非常有限，从而导致目前超细低碳钢铁材料高强、低塑性的普遍特点。
[0006]专利技术目的
[0007]本专利技术的目的在于提供一种同步提升低碳钢强度和塑性的塑性变形加工工艺，通过对现有的搅拌摩擦加工参数和工具进行优化改进，并结合合理的后续热处理工艺调控组织相成分，最终在加工区制备出兼具高强和高塑性的低合金低碳钢铁材料。
[0008]一种同步提升低碳钢强度和塑性的塑性变形加工工艺，该工艺是对低碳钢母材进行水下搅拌摩擦加工，在加工区得到超细铁素体/马氏体双相组织；再对加工区进行两相区短时低温退火处理与随后的水淬冷却处理，最终在加工区得到兼具高强度和高塑性的低碳钢。
[0009]所述低碳钢的化学成分以重量百分比计为：C 0.1-0.2％，Si 1.0-2.0％，Mn 2.5-3.0％，S<0.006％，P<0.007％，Al<0.04％，Cr<0.013％，余量为Fe和其他微量杂质。
[0010]所用搅拌摩擦加工工具为无针搅拌头，材质为TiC基金属陶瓷或Ti(C,N)基金属陶瓷，搅拌头自由端形状为半球状凸起结构，半球状凸起结构对应的球体半径为5-10毫米，加工深度为0.5-5毫米。
[0011]所述搅拌摩擦加工工艺参数为：工具转速200-300转/分钟，行进速度25-200毫米/分钟。
[0012]所述搅拌摩擦加工过程中采用流动水对加工区进行冷却，如可采用普通水管进行注水对加工区进行冷却，水管出水口直径5-15毫米，水流速2-5升/分钟，出水口水温为15-25℃。
[0013]为在加工区获得超细晶组织并生成奥氏体相，采用不同于常规热处理工艺的两相区低温短时退火处理，退火温度为710-730℃，保温时间为5-15分钟；为将奥氏体保留至室温，采用低温淬火工艺，淬火处理中冷却水温度为10-20℃，转移速度≤7秒。
[0014]所述低碳钢母材经搅拌摩擦加工、两相区低温短时退火处理和水淬冷却处理后，所得的加工区组织由铁素体、马氏体、奥氏体和碳化物多相组织组成，多相组织平均晶粒尺寸为0.2μm-1μm。其中马氏体岛平均尺寸为0.5μm-1μm，相比例为20％-40％(体积分数)；奥氏体平均晶粒尺寸为0.2μm-1μm，相比例为5％-15％(体积分数)；碳化物平均尺寸为0.05μm-0.1μm，相比例为1％-3％(体积分数)。
[0015]本专利技术的有益效果是：
[0016]1、本专利技术提出了一种同步提升低碳钢强度和塑性的塑性加工工艺，该工艺采用低热输入搅拌摩擦加工工艺，该工艺通过降低工具转速和施加冷却水两种方式协同控制加工过程的热输入，能够得到晶粒显著细化的超细晶铁素体/马氏体两相组织。再通过两相区(710-730℃)短时(10分钟)低温退火处理，并伴随冷却水(15℃)淬火处理，可在加工区中得到铁素体/马氏体/奥氏体/碳化物多相组织。该组织各相平均晶粒尺寸均小于1μm，其中马
氏体岛占比为20％-40％，奥氏体相占比为5％-15％，碳化物相占比为1％-3％(体积分数)；通过细本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种同步提升低碳钢强度和塑性的塑性变形加工工艺，其特征在于：该工艺是对低碳钢母材进行水下搅拌摩擦加工，在加工区得到超细铁素体/马氏体双相组织；再对加工区进行两相区低温短时退火处理与随后的水淬冷却处理，最终在加工区得到兼具高强度和高塑性的低碳钢。2.根据权利要求1所述的同步提升低碳钢强度和塑性的塑性变形加工工艺，其特征在于：所述低碳钢的化学成分以重量百分比计为：C 0.1-0.2％，Si 1.0-2.0％，Mn 2.0-3.0％，S<0.006％，P<0.007％，Al<0.04％，Cr<0.013％，余量为Fe。3.根据权利要求1所述的同步提升低碳钢强度和塑性的塑性变形加工工艺，其特征在于：所用搅拌摩擦加工工具为无针搅拌头，搅拌头自由端设计为半球状凸起结构，半球状凸起结构对应的球体半径为5-10毫米，加工深度为0.5-5毫米，工具材质为TiC基金属陶瓷或Ti(C,N)基金属陶瓷。4.根据权利要求1所述的同步提升低碳钢强度和塑性的塑性变形加...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛鹏，王志伟，倪丁瑞，张昊，吴利辉，马宗义，肖伯律，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：