CN112281057A - 一种具有不同晶粒尺寸和孪晶含量的twip钢板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有不同晶粒尺寸和孪晶含量的TWIP钢板及其制备方法。所述钢板化学组成按重量百分比为:C:0.62~0.64%,Mn:20.21~20.24%,Si:0.18~0.20%,Nb:0.06~0.08%,S:0.02~0.04%,余量为Fe和不可避免杂质;制备方法为:(1)将Fe、Mn、C等合金原料在氩气保护下进行真空熔炼,然后浇铸成铸锭;(2)将铸锭加热至1200±10℃保温6h进行均匀化处理,初轧温度分别为1150±10℃或1050±10℃或950±10℃,连续轧制7道次,总变形量77.5~77.9%,压下率保持在20±5%;(3)以60~80℃/s的速度降至室温,随后进行退火处理,700±10℃保温2h,取出空冷至室温。本发明最终获得超高延伸率钢板,抗拉强度高于同类钢板材料,制备方法经济有效、简单且可操作性强。
Description
技术领域
本发明属于材料技术领域,特别涉及一种具有不同晶粒尺寸和孪晶含量的 TWIP钢板及其制备方法。
背景技术
钢是社会工业发展的物质基础,其成分以铁元素为主,碳含量质量百分比 在0.0218~2.11%之间,不仅价格低廉,而且具有良好的物理化学和机械性能, 因此,钢被广泛运用在建筑、汽车、航空航天、机械、石油等工业领域。目前, 高强度钢板在汽车工业内历经了几代发展,第一代高强度汽车用钢:主要代表 有无间隙原子钢、双相钢、相变诱发塑性钢等,该类钢材强塑积只达到15GPa%, 难以兼具高强度和高塑性,第二代高强度汽车用钢:主要代表有孪生诱发塑性 钢、奥氏体钢等,其强塑积可达50GPa%,但部分钢材合金成本过高,难以投入 到大批量工业生产中,第三代高强度汽车用钢:其性能和经济投入平衡于第一、 二代高强度汽车用钢之间。
近年来,汽车工业已成为世界众多国家经济发展的支柱,为满足对汽车轻 量化的要求,汽车行业需要开发具有更优异性能的轻质钢板材料。TWIP (Twinning InducedPlasticity)钢即孪生诱发塑性钢,在变形过程能产生大量形变 孪晶,推迟颈缩的产生,从而在不牺牲塑性的前提下仍能获得较高强度,其强 塑积高于传统汽车钢3倍以上,具有高强度、高塑性、高能量吸收率等优异力 学性能,被广泛运用在汽车结构件上。在汽车轻量化高速发展的过程中,各类 轻质合金材料被广泛运用,但TWIP钢作为第二代高强度钢的代表,高强度和 高塑性的特点满足了现代汽车用钢要求,并且其经济性和可开发性仍显示出不 可替代的作用。特别的,锰是TWIP钢中至关重要的元素,随着锰含量升高, 层错能增加,奥氏体相稳定存在,从而促使孪生诱发塑性,因此,国内外钢厂 和汽车工业始终选择高锰TWIP钢作为高强度汽车用钢的材料。
细晶强化为金属主要强化方式之一,在提高材料强度的同时,还可以改善 材料的塑性和韧性,随着晶粒尺寸减小,晶界增多对位错的阻碍作用增强,从 而表现为材料强度的提升,这遵从经典的霍尔佩奇关系。除此之外,在工业生 产中,调整晶粒尺寸是一种改变材料力学性能的经济有效方法,晶粒尺寸在一 定程度上控制孪晶率和变形机制,在细晶强化和TWIP钢变形过程中形变孪晶 的协调变形、应***化效应共同作用下可以制备出具有优异力学性能的钢板材 料,因此,改变晶粒尺寸可以作为改善TWIP钢力学性能的一种经济有效方法。
Noh等人(Noh H.S.,Kang J.H.,Kim S.J.,Effect of grain size on hydrogenembrittlement in stable austenitic high-Mn TWIP and high-N stainless steels,International Journal of Hydrogen Energy,Vol.44,25076-25090,2019)将3mm厚 的Fe-18Mn-1.5Al-0.6C TWIP钢试件冷轧至1.5mm,分别在1000℃退火5、60min, 随后在水中淬火,最终得到晶粒尺寸分别为23、45μm的钢板,屈服强度分别为 304±3MPa、278±1MPa,抗拉强度分别为866±6MPa、804±3MPa,延伸率分 别为77.6±0.9%和82.2±1.1%,其显微组织为完全再结晶奥氏体晶粒,该方法 虽然获得较高延伸率,但对比成分相似且同等晶粒度材料,其抗拉强度及屈服 强度略低。
我国Luo等人(Luo Q.,Wang H.H.,Li G.Q.,Sun C.,Li D.H.,Wan X.L., Onmechanical properties of novel high-Mn cryogenic steel in terms of SFE andmicrostructural evolution,Materials Science and Engineering:A,Vol.753,91-98,2019)研究南京钢铁公司开发制造的Fe-25Mn-4Cr-0.4C钢,热轧板厚20mm, 显微组织由奥氏体晶粒组成,平均晶粒尺寸30μm,轧制过程中形成的孪晶形貌 类似退火孪晶,在室温下,延伸率64%,屈服强度350MPa,抗拉强度只为 810MPa,拉伸断裂方式为韧性断裂,SEM照片显示断口由较为细小的韧窝组成, 并且在拉伸应变范围内(0.0-50.0%),随着应变升高,形变孪晶数目增多,部分 出现弯曲和交叉,当应变达到50.0%,晶粒大部分变形,成长条状,除奥氏体以 外出现9.2%ε马氏体和3.1%α'马氏体。
韩国科学家Hwang(Hwang J.K.,Effecut of grain size on tensile and wiredrawing behaviors in twinning-induced plasticity steel,Materials Science andEngineering:A,Vol.772,138709,2020)研究了Fe-17Mn-2Al-0.6C钢,通过真空 熔炼-热轧得到热轧厚度20mm的钢板,分别在950、1100、1250℃热处理30min, 得到平均晶粒尺寸分别为12、65和202μm的完全再结晶奥氏体晶粒微观组织, 延伸率在60~80%之间,抗拉强度700~900MPa,屈服强度300~500MPa之间, 随着晶粒尺寸增大,延伸率身高,抗拉强度屈服强度降低,但是其抗拉强度任 然未达到1000MPa以上。
科学家Gwon等(Gwon H.,Kim J.H.,Kim J.K.,Suh D.W.,Kim S.J., Role ofgrain size on deformation microstructures and stretch-flangeability of TWIPsteel,Materials Science and Engineering:A,Vol.773,138861,2020)通过真空熔炼 -热轧-冷轧-不同温度退火制备了Fe-16Mn-0.6C-1.5Al钢,退火温度分别为800、 850、900、950、1000℃,退火30min,随着退火温度的降低,晶粒尺寸从14.83 ±7.65μm减小到4.14±2.02μm,抗拉强度由840MPa上升至972MPa,屈服强度 278上升至449MPa,但是晶粒尺寸的变化对延伸率没有显著的影响,均在60% 左右。
发明内容
为解决上述问题,本发明提供一种具有不同晶粒尺寸和孪晶含量的TWIP钢 板及其制备方法。
本发明的技术方案如下:
一种具有不同晶粒尺寸和孪晶含量的TWIP钢板,其化学组成按重量百分比 为C:0.62~0.64%、Mn:20.21~20.24%、Si:0.18~0.20%、Nb:0.06~0.08%、 S:0.02~0.04%、余量为Fe和不可避免的杂质。
上述TWIP钢板的制备方法,按以下步骤进行:
步骤一、选用重量纯度≥99.9%的Fe、Mn、Si、Nb、C粉末作为合金原 料,原料成分重量百分比为C:0.62~0.64%、Mn:20.21~20.24%、Si:0.18~ 0.20%、Nb:0.06~0.08%、S:0.02~0.04%、余量为Fe和不可避免杂质,将 合金原料置于电磁感应炉中,在氩气保护下进行真空熔炼,随后将冶炼钢水浇 铸成铸锭;
步骤二、将铸锭加热至1200±10℃保温6h,进行均匀化处理,设置初轧温 度为1150±10℃或1050±10℃或950±10℃,连续轧制7道次,总变形量控制 在77.5~77.9%,压下率保持在20±5%;
步骤三、经步骤二轧制得到的铸锭以60~80℃/S的速度降至室温,随后放在 电阻炉中进行退火处理,700±10℃保温2h后取出空冷至室温,获得所述TWIP 钢板。
本发明的有益效果为:
本发明在氩气保护下通过真空熔炼技术获得原始铸锭,随后利用连续轧制技 术结合UFC(Ultra Fast Cooling)+ACC(Accelrate Cooling Control)控制 冷却***,通过合理热处理工艺和参数配合,只需改变初轧温度即可制备出具 有不同晶粒尺寸和孪晶含量的超高延伸率钢板,制备方法简单,方法经济有效 并且易于操作。
该钢板具有不同晶粒尺寸和孪晶含量,平均晶粒尺寸分别为45.1±1.6μm、 25.8±0.7μm、15.6±0.5μm;孪晶含量分别为43.9±0.2%、49.6±0.2%、45.4 ±0.2%;抗拉强度范围为967~1035MPa,延伸率范围为107~115%,屈服强度范 围为298~337MPa,该材料组织均匀,延伸率高于同类相似成分、相似晶粒尺寸 钢的延伸率。
附图说明
图1为本发明实例1中制备的晶粒尺寸为45.1±1.6μm、孪晶含量43.9± 0.2%的超高延伸率钢板SEM-EBSD微观组织形貌图;
图2为本发明实例2中制备的晶粒尺寸为25.8±0.7μm、孪晶含量49.6± 0.2%的超高延伸率钢板SEM-EBSD微观组织形貌图;
图3为本发明实例3中制备的晶粒尺寸为15.6±0.5μm、孪晶含量45.4± 0.2%的超高延伸率钢板SEM-EBSD微观组织形貌图;
图4为本发明具有超高延伸率钢板在室温条件下,单向拉伸的工程应力-应 变曲线图;其中:1—实施例1的产品拉伸数据,2—实施例2的产品拉伸数据, 3—实施例3的产品拉伸数据。
具体实施方式
本发明实施例中采用的熔炼设备为真空感应炉。
本发明实施例中采用的热轧设备为东北大学自研Φ450×450二辊(异步) 热轧实验机组。
本发明实施例中采用的快速冷却设备为UFC(Ultra Fast Cooling)+ACC(Accelrate Cooling Control)控制冷却***。
本发明实施例中采用的保温设备为SX2-2-12型管式电阻炉。
本发明实施例中采用的合金原料均为重量纯度≥99.9%的Fe、Mn、Si、Nb、 C粉末。
本发明实施例中将合金原料放入电磁感应炉中进行真空熔炼,整个过程在氩 气保护气氛中完成。
实施例1
将合金原料Fe、Mn、Si、Nb、C粉末置于电磁感应炉中,在氩气保护下进 行真空熔炼,随后将冶炼钢水浇铸成铸锭,原料成分重量百分比分别为C: 0.62%、Mn:20.21%、Si:0.18%、Nb:0.06%、S:0.02%,余量为Fe和不 可避免杂质;
将铸锭加热至1200℃保温6h进行均匀化处理,初轧温度为1150℃,连续轧 制7道次,总变形量77.5%,压下率保持在20%;
轧制结束后以60℃/s的速度降至室温,随后放在电阻炉中进行退火处理, 700℃保温2h,取出空冷至室温,最终获得具有超高延伸率的钢板,钢板厚度为 18mm;抗拉强度967MPa,延伸率115%,屈服强度298MPa;微观结构为等轴奥氏 体晶,平均晶粒尺寸为45.1μm,晶粒内部存在大量退火孪晶,孪晶含量(孪晶 长度/总界面长度)43.9%;微观组织形貌如SEM-EBSD图1所示,单向拉伸的工 程应力-应变曲线如图4中曲线1所示。
实施例2
将合金原料Fe、Mn、Si、Nb、C粉末置于电磁感应炉中,在氩气保护下进 行真空熔炼,随后将冶炼钢水浇铸成铸锭,原料成分重量百分比分别为C: 0.62%、Mn:20.21%、Si:0.18%、Nb:0.06%、S:0.02%,余量为Fe和不 可避免杂质;
将铸锭加热至1200℃保温6h进行均匀化处理,初轧温度为1050℃,连续轧 制7道次,总变形量77.5%,压下率保持在20%;
轧制结束后以60℃/s的速度降至室温,随后放在电阻炉中进行退火处理, 700℃保温2h,取出空冷至室温,最终获得具有超高延伸率的钢板,钢板厚度为 18mm;抗拉强度1008MPa,延伸率112%,屈服强度315MPa;微观结构为等轴奥 氏体晶,平均晶粒尺寸为25.8μm,晶粒内部存在大量退火孪晶,孪晶含量(孪 晶长度/总界面长度)49.6%;微观组织形貌如SEM-EBSD图2所示,单向拉伸的 工程应力-应变曲线如图4中曲线2所示。
实施例3
将合金原料Fe、Mn、Si、Nb、C粉末置于电磁感应炉中,在氩气保护下进 行真空熔炼,随后将冶炼钢水浇铸成铸锭,原料成分重量百分比分别为C: 0.62%、Mn:20.21%、Si:0.18%、Nb:0.06%、S:0.02%,余量为Fe和不 可避免杂质;
将铸锭加热至1200℃保温6h进行均匀化处理,初轧温度为950℃,连续轧 制7道次,总变形量77.5%,压下率保持在20%;
轧制结束后以60℃/s的速度降至室温,随后放在电阻炉中进行退火处理, 700℃保温2h,取出空冷至室温,最终获得具有超高延伸率的钢板,钢板厚度为 18mm;抗拉强度1035MPa,延伸率107%,屈服强度337MPa;微观结构为等轴奥 氏体晶,平均晶粒尺寸为15.6μm,晶粒内部存在大量退火孪晶,孪晶含量(孪 晶长度/总界面长度)45.4%;微观组织形貌如SEM-EBSD图3所示,单向拉伸的 工程应力-应变曲线如图4中曲线3所示。
Claims (2)
1.一种具有不同晶粒尺寸和孪晶含量的TWIP钢板,其特征在于,所述TWIP钢板的化学组成按重量百分比为C:0.62~0.64%、Mn:20.21~20.24%、Si:0.18~0.20%、Nb:0.06~0.08%、S:0.02~0.04%、余量为Fe和不可避免的杂质。
2.一种权利要求1所述TWIP钢板的制备方法,其特征在于,按以下步骤进行:
步骤一、选用重量纯度≥99.9%的Fe、Mn、Si、Nb、C粉末作为合金原料,原料成分重量百分比为C:0.62~0.64%、Mn:20.21~20.24%、Si:0.18~0.20%、Nb:0.06~0.08%、S:0.02~0.04%、余量为Fe和不可避免杂质,将合金原料置于电磁感应炉中,在氩气保护下进行真空熔炼,随后将冶炼钢水浇铸成铸锭;
步骤二、将铸锭加热至1200±10℃保温6h,进行均匀化处理,设置初轧温度为1150±10℃或1050±10℃或950±10℃,连续轧制7道次,总变形量控制在77.5~77.9%,压下率保持在20±5%;
步骤三、经步骤二轧制得到的铸锭以60~80℃/S的速度降至室温,随后放在电阻炉中进行退火处理,700±10℃保温2h后取出空冷至室温,获得所述TWIP钢板。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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