本发明专利技术为一种高强度高塑性奥氏体低密度钢及其制备方法，材料的成分体系质量百分比为C:1.4～1.6wt.％，Mn：30.0～32.0wt.％，Al：9.0～10.5wt.％，Cr：1.00～5.25wt.％，Ni：1.00～3.26wt.％，Ti：0.40～0.60wt.％，S：≤0.01wt.％，P：≤0.03wt.％，余量为Fe。本发明专利技术的制备及加工工艺简单，仅需对铸态材料进行均匀化处理过后即具备最高930MPa的强度和70％的延伸率，强塑积可达60GPa％以上。密度为6.5g/cm3～6.7g/cm3，与普通铸钢相比，减重效果达到15％～17％。本发明专利技术的铸钢为单一奥氏体钢，其主要析出强化相为TiC相与纳米级κ碳化物[(Fe,Mn)3AlC
【技术实现步骤摘要】
一种高强度高塑性奥氏体低密度钢及其制备方法
[0001]本专利技术涉及一种高强度高塑性奥氏体低密度钢及其制备方法，属于金属材料及冶金领域。
技术介绍
[0002]随着我国汽车工业的快速发展，我国的汽车产量与保有量迅速增加，汽车的普及在便利了我们生活的同时，也使得能源消耗、环境污染等问题逐渐凸显。为保障我国汽车工业的良性发展，汽车行业积极寻求新的发展方向与高效的发展模式，因此高强度低密度材料逐渐进入研究人员的视野。采用密度更低的材料制造车身可以有效减轻汽车重量，在保证行车安全的同时，降低能源消耗与碳排放量。据统计，汽车自身重量每降低10％，每百公里油耗量将减少6～8％，碳排放量将降低10％，同时更轻的车身也能提高汽车的比功率，使得汽车的动力性和承载能力进一步提高。
[0003]Fe
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Mn
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Al
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C系低密度钢是通过向钢中加入C、Al、Mn、Si等轻量化元素来降低钢的密度。有研究表明，每添加1wt.％的Al，钢的密度下降0.101g/cm3，可减重约1.3％；每添加1wt.％的C，钢的密度下降0.41g/cm3，可减重约5.2％；同时，钢中每添加1wt.％的Mn含量也可使其密度下降0.0085g/cm3，取得0.1％的减重效果。本专利技术对C、Al、Mn、Si主要轻量化元素进行合理化设计，在保证钢低密度的同时又能保持其高强度。
[0004]汽车轻量化通常从汽车车身材料入手，由于汽车车身重量通常占总重量的1/3～1/2，在轻量化领域具有较大的优化空间，同时汽车轻量化要建立在保证汽车稳定性，舒适性和安全性的前提上来进行，因此对车身制造材料的综合力学性能也有较高要求。目前在车身轻量化领域的研究已经涵盖了高强度钢、铝合金、镁合金以及碳纤维复合材料。其中铝镁合金以及轻质碳纤维复合材料虽然能够提供明显的减重效果，但具有成本过高，成型工艺复杂，焊接性能差和冲击功低的缺点，与汽车实际生产和市场化不匹配。因此，钢铁仍是汽车生产过程中使用的主导材料。目前，高强度钢主要用于汽车车身的加强件以及复杂形状的安全件和结构件上，比如汽车AB柱内外板、加强板、车门防撞梁、座椅滑轨和保险杠等。
[0005]Fe
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Mn
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Al
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C系奥氏体低密度高强钢可以利用其优异的强度与塑性减少结构件钢材的使用量，对于某些对材料的刚度要求较高的部位，也可以凭借其更低的密度达到构造件轻量化的效果。出于商业航运和国防技术的需要，航空航天领域对高比强度材料也存在依存关系。因此，兼具高强度和良好塑性的Fe
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Mn
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Al
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C系奥氏体高强度低密度钢在对汽车行业和航空航天材料领域均存在重大应用前景。
[0006]在已有的研究成果中，绝大多数的低密度钢都需要均匀化处理过后再对材料进行固溶与时效等较为复杂的热处理工艺后才具有较为良好的综合力学性能。CN106521318A公开了一种最高达到930MPa级的奥氏体
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铁素体双相Fe
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Mn
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Al
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C系低密度钢及其制备方法，但由于其中添加了较多的Si，虽然能有效提高材料的屈服点和抗拉强度，但会显著降低材料的延伸率，该专利中也未对材料的延伸率进行统计。CN110592487B公开了一种700MPa级的奥氏体
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铁素体双相低密度铸钢及其制备方法。其密度在6.40g/cm3左右，但其抗拉强度
仅有730MPa，延伸率仅有32.5％，综合力学性能较差。CN108642403A公开了一种780MPa级的低密度铸钢，由于Mn和Al含量较少，其轻量化效果不明显，且延伸率也不超过30％。此外，CN109628850A、CN109628850B和CN109628850A中公开的奥氏体Fe
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Mn
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Al
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C系低密度钢及其制备方法具有较为优越的综合力学性能组合，但铸态材料除了要经过均匀化、固溶和时效等热处理工艺之外，还需要经过繁杂的锻造和轧制工艺，加工成本高昂。
技术实现思路
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[0007]本专利技术的目的在于提供一种高强度高塑性奥氏体低密度钢及其制备方法。
[0008]一种高强度高塑性奥氏体低密度钢，本专利技术的奥氏体低密度铸钢，其材料的成分体系质量百分比为C:1.4～1.6wt.％，Mn：30.0～32.0wt.％，Al：9.0～10.5wt.％，Cr：1.00～5.25wt.％，Ni：1.00～3.26wt.％，Ti：0.4～0.6wt.％，S：≤0.01wt.％，P：≤0.03wt.％，余量为Fe。
[0009]本专利技术的奥氏体低密度高强钢各元素组分在实验钢中的作用如下：
[0010]S：使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。降低耐腐蚀性。所以要求硫含量不大于0.01wt.％。
[0011]P：增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低材料的塑性。要求钢中含磷量不大于0.03wt.％。
[0012]C：具有阻碍奥氏体组织在形变时发生马氏体相变的作用，能够稳定奥氏体相。C可以固溶到钢的基体中起到固溶强化作用，提高钢的强度。本专利技术中κ碳化物与TiC相为主要的强化相，起到析出强化的效果。故要求钢中C元素含量为1.4～1.6wt.％。
[0013]Al：Al原子会引起晶格点阵扩张，向钢中添加Al会降低钢的平均相对原子质量并增加体积，从而降低钢的密度，每添加1％Al可降低密度1.3％。在冶金行业中，Al易于形成致密的氧化层，提高材料的抗氧化性。为保证钢的轻量化效果，加入Al含量控制在9.0～10.5wt.％，使得密度控制在6.5～6.7g/cm3。
[0014]Mn：Mn能扩大奥氏体相区，提高奥氏体稳定性，提高钢的淬透性，也可固溶于基体产生固溶强化，形成κ
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碳化物或渗碳体作为第二相对材料力学性能产生影响。较高含量的锰元素有利于在形变过程中产生形变孪晶大幅提高钢塑性。本专利技术钢中Mn的含量控制在30.0～32.0wt.％。
[0015]Ni：Ni是奥氏体形成元素，用于扩大奥氏体区，获得常温奥氏体组织。Ni能与γ
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Fe形成无限互溶，起到置换固溶强化的作用。由于Ni价格较高，为控制成本，其含量控制在1.00～3.26wt.％。
[0016]Cr：Cr能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。Cr又能提高钢的抗氧化性、淬透性和耐腐蚀性。在本专利技术中，Cr能通过固溶强化的方式提高材料的强度、硬度和耐磨性。由于过量的Cr会促使组织中出现δ
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Fe，恶化钢的塑性，其含量控制在1.00～5.25wt.％。
[0017]Ti：Ti与C或N元素结合会形成Ti(C，N)、TiN和TiC，Ti元素可细化晶粒，钢材加工过程中阻碍晶粒粗化，同时TiC和TiN可作为析出相强化基体组织。添加过量Ti会使钢的成本增加本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种高强度高塑性奥氏体低密度钢，其特征在于，材料的成分体系质量百分比为C:1.4～1.6wt.％，Mn：30.0～31.0wt.％，Al：9.0～10.5wt.％，Cr：1.00～5.25wt.％，Ni：1.00～3.26wt.％，Ti：0.40～0.60wt.％，S：≤0.01wt.％，P：≤0.03wt.％，余量为Fe。2.根据权利要求1所述的一种高强度高塑性奥氏体低密度钢，其特征在于，材料的成分体系质量百分比为C:1.40wt.％，Mn：31.93wt.％，Al：9.26wt.％，Cr：1.17wt.％，Ni：1.08wt.％，Ti：0.53wt.％，S：≤0.01wt.％，P：≤0.03wt.％，余量为Fe。3.根据权利要求1所述的一种高强度高塑性奥氏体低密度钢，其特征在于，材料的成分体系质量百分比为C:1.48wt.％，Mn：31.67wt.％，Al：9.51wt.％，Cr：1.04wt.％，Ni：1.93wt.％，Ti：0.49wt.％，S：≤0.01wt.％，P：≤0.03wt.％，余量为Fe。4.根据权利要求1所述的一种高强度高塑性奥氏体低密度钢，其特征在于，材料的成分体系质量百分比为C:1.47wt.％，Mn：31.74wt.％，Al：9.60wt.％，Cr：2.99wt.％，Ni：1.72wt.％，Ti：0.54wt.％，S：≤0.01wt.％，P：≤0.03wt.％，余量为Fe。5.根据权利要求1所述的一种高强度高塑性奥氏体低密度钢，其特征在于，材料的成分体系质量百分比为C:1.52wt.％，Mn：30.05wt.％，Al：9.82wt.％，Cr：3.12wt.％，Ni：2.91wt.％，Ti：0.49wt.％，S：≤0.01wt.％，P：≤0.03wt.％，余量为Fe。6.根据权利要求1所述的一种高强度高塑性奥氏体低密度钢，其特征在于，材料的成分体系质量百分比为C:1.50wt.％，Mn：30.33wt.％，Al：9.89wt.％，Cr：4.68wt.％，Ni：1.86wt.％，Ti：0.49wt.％，S：≤0.01wt.％，P：≤0.03wt.％...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨森，高学谦，李泓俊，杨岩，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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