一种高强韧性中锰钢板材及其制备方法

1.本发明涉及中锰钢材生产技术领域，特别涉及一种高强韧性中锰钢板材及其制备方法。


背景技术：

2.多年以来，汽车行业一直是钢铁使用的重要领域。钢铁材料将继续成为汽车制造关键材料的主要原因是其在满足日益严格的工程需求的同时，也在成本、寿命和强度方面也形成了体系。此外，钢铁还有优异的成形性能、可焊性、回收性和良好的碰撞能量吸收能力。近几十年来，全球对更轻、更经济的汽车需求不断增加，导致了高强度和延展性良好的先进高强度钢的不断发展。中锰钢作为第三代先进高强钢，其强度和韧性组合优于第一代先进高强钢；由于合金元素较低，其生产成本低于第二代先进高强钢。
3.中锰钢的特点是低碳中合金，通常含有3-12wt.％的mn以及少量si、al和微合金添加剂。中锰钢组织中通常含有一定体积的亚稳态残余奥氏体，奥氏体在变形过程中发生马氏体相变；这种相变大大提高了加工硬化率，可以导致颈缩的延迟，实现强度和韧性的匹配。目前中锰钢板材虽然已经有工业试制品，但成分设计和工艺技术尚未成熟，仍未进入工业化大生产阶段。此外中锰钢在室温下冷轧过程中其残余奥氏体由于形变产生马氏体组织，变形抗力增大，轧机将会承受较高载荷，增加对轧辊的磨损，提高了生产成本。冷轧及逆相变退火工艺得到的中锰钢组织不均匀，降低中锰钢的力学性能。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种高强韧性中锰钢板材及其制备方法，本发明使使用温轧工艺，相比于室温轧制所需的轧制力更小，而所获得材料的韧性更好，且加工更加容易进行，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为实现上述目的，本发明的一方面提供了一种高强韧性中锰钢板材，所述高强韧性中锰钢板材的化学成分按照质量百分比计为：0.01％≤c≤0.1％，10％≤mn≤12％，其余为fe及不可去除的杂质。
6.优选地，mn的质量百分比为：10％～12.0％。
7.优选地，所述高强韧性中锰钢板材的屈服强度≥380mpa，抗拉强度≥950mpa，均匀延伸率≥7％。
8.本发明的另一方面提供了一种高强韧性中锰钢板材的制备方法，所述制备方法用于制备权利要求1和2所述的高强韧性中锰钢板材，所述制备方法包含以下步骤：
9.步骤1、冶炼：按照所述合金成分按所述的化学成分质量百分比取料，然后采用真空感应炉进行冶炼，冶炼后依次经铸造、锻造，制得中锰钢铸锭；
10.步骤2、固溶处理：将所获得的铸锭在900
±
50℃的加热炉中固溶处理2h；
11.步骤3、温轧：固溶处理结束后，使铸锭在奥氏体单相区保温一段时间，进行温轧，后空冷至室温；
12.步骤4、退火：对温轧后得到的板材加热到临界区退火，提高材料的力学性能。
13.优选地，所述步骤2中的温轧包括：轧制前将板材放在650～700℃的马弗炉膛内保温10分钟，后每道次前在680℃的炉膛保温3分钟，最终轧制量为90％
±
3％。
14.优选地，所述步骤4中的退火温度为550℃，退火时间为0～4h。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
16.本发明的实施方式提供的高强韧性中锰钢板材的制备方法采用温轧工艺，预先对材料进行加热处理可降低轧制时的变形抗力，相比于室温轧制所需的轧制力更小，而所获得材料的韧性更好，且加工更加容易进行；本发明使用的设备简单，易于操作，有利于大规模工业生产；本发明提供不同强度韧性组合的中锰钢板材，可适用于不同材料需求。
附图说明
17.图1为本发明的实施方式提供的高强韧性中锰钢板材的制备方法的加工流程示意图；
18.图2为本发明的实施方式提供的实施例1的ebsd表征结果；
19.图3为本发明的实施方式提供的实施例1与对比例1、2、3的板材拉伸实验的工程应力-应变曲线；
20.图4为本发明的实施方式提供的实施例1、2的工程应力-应变曲线；
21.图5为本发明的实施方式提供的实施例1预拉伸不同应变的xrd结果。
具体实施方式
22.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.本发明提供一种高强韧性中锰钢板材，该高强韧性中锰钢板材的化学成分按照质量百分比计为：0.01％≤c≤0.1％，10％≤mn≤12％，其余为fe及不可去除的杂质。
24.在本发明的一种优选实施方式中，该高强韧性中锰钢板材中mn的质量百分比为：10％～12.0％。
25.进一步地，该高强韧性中锰钢板材的屈服强度≥380mpa，抗拉强度≥950mpa，均匀延伸率≥7％。
26.本发明提供一种高强韧性中锰钢板材的制备方法，该制备方法按照冶炼-固溶-温轧-退火的处理流程进行，如图1所示，该制备方法具体包括：
27.步骤1、冶炼：按照所述合金成分称取相应的高纯度金属粉末，使用加压真空感应炉冶炼得到铸锭；
28.步骤2、固溶处理：将所获得的铸锭在900
±
50℃的加热炉中固溶处理2h；
29.步骤3、温轧：固溶处理结束后，使铸锭在奥氏体单相区保温一段时间，进行温轧，后空冷至室温；
30.步骤4、退火：对温轧后得到的板材加热到临界区退火，提高材料的力学性能。
31.下面对温轧过程进行详述：轧制前将样品放在650～700℃的马弗炉膛内保温10分
钟，取出后沿着轧制方向轧制，后每道次前在680℃的炉膛保温3分钟，最终轧制量为90％
±
3％。先期每道次下压量为1mm，达到变形量60％后下压量改为0.5mm，直至获得轧制量为90％的高强韧性中锰钢板材。
32.下述实施例和对比例中进行室温拉伸试验的设备是在instron5982万能试验机上进行，位移速率为3mm/min。
33.下述实施例1的ebsd微观表征技术的设备为基于gemini 500场发射扫描电镜上配备的oxford公司生产的nordlys 2s探头来采集菊池图谱信号，并由hkl channel 5系统软件来完成数据分析。
34.下述实施例xrd结果测定设备为bruker d8advance x射线衍射仪。
35.实施例1
36.本实施例提供一种高强韧性中锰钢板材，其制备方法包括：
37.步骤1.冶炼：按照设定的成分冶炼钢水，钢水的质量百分比计为c：0.01％～0.1％，mn：11.8～12.0％，余量为fe及不可避免的杂质。然后采用真空感应炉进行冶炼，冶炼后依次经铸造、锻造，制得中锰钢铸锭。
38.步骤2.固溶处理：将铸锭加热至900℃，保温2小时，水冷至室温；采用线切割技术对板坯进行线切割处理，切取板材厚度为15mm钢板。
39.步骤3.温轧：将钢板加热到680℃进行保温10min，然后进行多次温轧，后每道次前在680℃的炉膛保温3分钟，最终轧制量为90％。先期每道次下压量为1mm，达到变形量60％后下压量改为0.5mm，制作成1.5mm厚的温轧板空冷至室温，本实例得到的样品ebsd结果如图2所示。
40.本实例通过上述方法得到的中锰钢板材屈服强度为806mpa，抗拉强度为1215mpa，均匀延伸率为14.8％。经过处理后板材的工程应力-应变曲线如图3所示。
41.实施例2
42.本实施例提供一种高强韧性中锰钢板材，其制备方法与实施例1基本一致，不同之处在于：
43.步骤4.退火：在步骤3后将相同的温轧板分别在550℃保温1h，2h，4h。然后空冷至室温下，制作成为3组温轧中锰钢板材。
44.本实例通过上述方法得到的高强韧性中锰钢如下表：
[0045][0046]
经过处理后板材的工程应力-应变曲线如图4所示。
[0047]
对比例1
[0048]
按照本实验实施例1所述的步骤1和步骤2获得的组织均匀的淬火态中锰钢板材；
[0049]
本实例通过上述方法得到的中锰钢板材屈服强度为390mpa,抗拉强度为985mpa，均匀延伸率为7.5％。经过处理后板材的工程应力-应变曲线如图3所示。
[0050]
对比例2
[0051]
1.按照实施例1所述的步骤1和步骤2获得10mm厚的组织均匀的中锰钢板材；
[0052]
2.温轧：先将材料放入680℃的加热炉中保温10min，后每道次轧制前在加热炉中保温3min。分6道次将板厚轧制约5mm，总轧制量约为50％；
[0053]
本实例通过上述方法得到的中锰钢板材屈服强度为506mpa,抗拉强度为1108mpa，均匀延伸率为12.4％。经过处理后板材的工程应力-应变曲线如图3所示。
[0054]
对比例3
[0055]
1.按照实施例2所述的步骤1和步骤2获得获得15mm厚的组织均匀的淬火态中锰钢板材；
[0056]
2.室温轧制：在室温下分20道次将板厚轧制约1.5mm，总轧制量约为90％；
[0057]
本实例通过上述方法得到的中锰钢板材屈服强度为1190mpa,抗拉强度为1215mpa，均匀延伸率为1.5％。经过处理后板材的工程应力-应变曲线如图3所示。
[0058]
从图2可以看出本发明提供的温轧板材为超细晶组织，晶界阻碍位错滑移，提高材料的强度。
[0059]
图3将实施例1与对比例1、2、3的工程应力-应变曲线进行了比较，实施例1为通过本发明办法得到的温轧板。对实施例1和对比例1进行对比，可以看出温轧后材料的屈服强度和抗拉强度大大提高的同时均匀延伸率也增加，实现了强度和韧性的全面提高。实施例1的强度和韧性也全面高于在相同温度(680℃)轧制量为50％的材料(对比例2)。此外，室温冷轧90％的板材(对比例3)虽然强度大幅增加但韧性极差，不适于应用于工程行业。
[0060]
图4为根据本发明办法得到的实施例1和2的工程应力-应变曲线。实施例1未经过退火阶段，材料的强度最高，韧性在4种材料中最低。在经过退火处理后，材料的韧性均增加较多，同时伴随着微量的强度损失，其屈服强度和抗拉强度均远高于对比例1。因此，本发明办法提供的制备方法实现了中锰钢强度-韧性的优化匹配。
[0061]
为了进一步分析本发明办法的作用机理，对实施例1进行了应变分别为0、0.035、0.07、0.10的预拉伸实验，并对拉伸试样的均匀段部分进行了xrd分析，其结果如图5所示。4种应变下温轧材料均有fcc相奥氏体、hcp相ε-马氏体和bcc相α
’‑
马氏体，见图5a。通过α
’‑
马氏体的{110}峰对4种试样进行归一化处理，并对α
’‑
马氏体的{110}峰、奥氏体的{111}峰和{200}峰、ε-马氏体的{101}峰进行放大，在变形过程中，残余奥氏体的含量逐渐降低，ε-马氏体和α
’‑
马氏体含量逐渐增加，表明残余奥氏体发生应变诱导马氏体相变诱发韧性变形(trip效应)，trip效应能够延迟颈缩，使其延伸率大幅度上升，生成的新相α
’‑
马氏体和ε-马氏体提高材料强度。同时轧制过程中位错密度的升高和相界面的增加能够提高材料的强度，中锰钢变形过程位错密度提升主要来源于马氏体，马氏体则来源于变形过程中奥氏体的相变，且相变后的新界面也会提升强度，因此本发明提供的制备方法能够增加奥氏体含量和细化晶粒，提高中锰钢的机械性能。
[0062]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种高强韧性中锰钢板材，其特征在于，所述高强韧性中锰钢板材的化学成分按照质量百分比计为：0.01％≤c≤0.1％，10％≤mn≤12％，其余为fe及不可去除的杂质。2.如权利要求1所述的高强韧性中锰钢板材，其特征在于，mn的质量百分比为：10％～12.0％。3.如权利要求1所述的高强韧性中锰钢板材，其特征在于：所述高强韧性中锰钢板材的屈服强度≥380mpa，抗拉强度≥950mpa，均匀延伸率≥7％。4.一种高强韧性中锰钢板材的制备方法，其特征在于，所述制备方法用于制备权利要求1至3任一项所述的高强韧性中锰钢板材，所述制备方法包含以下步骤：步骤1、冶炼：按所述的化学成分及质量百分比取料，然后采用真空感应炉进行冶炼，冶炼后依次经铸造、锻造，制得中锰钢铸锭；步骤2、固溶处理：将所获得的铸锭在900
±
50℃的加热炉中固溶处理2h；步骤3、温轧：固溶处理结束后，使铸锭在奥氏体单相区保温一段时间，进行温轧，后空冷至室温；步骤4、退火：对温轧后得到的板材加热到临界区退火，提高材料的力学性能。5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2中的温轧包括：轧制前将板材放在650～700℃的马弗炉膛内保温10分钟，后每道次前在680℃的炉膛保温3分钟，最终轧制量为90％
±
3％。6.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤4中的退火温度为550℃，退火时间为0～4h。

技术总结
本发明涉及中锰钢材生产技术领域，具体为一种高强韧性中锰钢板材，其化学组分及重量百分含量分别为：0.01％≤C≤0.1％，10％≤Mn≤12％，其余为Fe及不可去除的杂质。其制备方法包括：步骤1、冶炼：按所述的化学成分及其质量百分比取料，然后采用真空感应炉进行冶炼，冶炼后依次经铸造、锻造，制得中锰钢铸锭；步骤2、固溶处理：将所获得的铸锭在900


技术研发人员：杨慧芹 赖庆全 张勇
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：2023.02.28
技术公布日：2023/8/9