專利名稱：一種磷強化的孿晶誘導塑性鋼鐵材料及其制備工藝的制作方法
技術領域：
本發明屬鋼鐵材料制備領域，涉及一種磷強化的孿晶誘導塑性鋼鐵材料及其制備工藝。
背景技術：
當今汽車工業的一個大的發展趨勢，就是節能、降耗、有利于環境和更安全，因此 使用高強和超高強度鋼以達到汽車的輕型化是汽車近年研究的重點。高強度鋼板對減輕 汽車重量起著極其重要的作用。對降低油耗，提高汽車構件強度，確保安全性能等也具 有重要意義。汽車設計中車身起著非常重要的角色。汽車生產企業努力開發新型材料， 采用高科技技術來保護駕駛員和乘車人的安全。當汽車碰撞時，必須要具備兩個性能， 既有很好的延展性，又有足夠的剛度，能在撞擊中更好地保護乘客。因此強度和延展性 作為汽車用鋼發展的重要的兩個性能指標同時被要求。
奧氏體鋼的性能主要取決于堆垛層錯能，層錯能決定了變形過程中的主要變形機 制。高錳奧氏體鋼層錯能較低，在塑性形變初期，低的層錯能將阻止晶粒交滑移，產生 大量的層錯，隨著形變量的增加和不完全位錯的運動，高錳奧氏體鋼會在層錯的基礎上 形成孿晶。孿晶界面的存在使位錯運動的阻力增大，孿晶愈細愈多阻力愈大，孿晶的數 目多且細切割晶體的作用愈顯著，導致材料的強度提高。正是由于TWIP鋼在變形過程 中應變誘導產生形變孿晶，孿生調整了晶體的取向，使塑性變形得以繼續進行，大量的 孿晶的形成會使TWIP鋼發生較大的無頸縮均勻延伸，因而表現出非常高的塑性。
磷在固體鐵中形成置換式固溶體，在純奧氏體中的最大溶解度約為0.5%;磷是使 奧氏體相區封閉的元素，磷元素有增大奧氏體晶粒長大的作用，磷元素溶入奧氏體后削 弱了鐵原子結合力，加速鐵原子擴散，因而促進奧氏體晶粒長大。在變形的面心立方晶 體金屬中，以置換型雜質合金化明顯的促進面心立方金屬中的孿生，特別是當雜質原子 強烈降低層錯能時。尤其是在每個雜質原子具有較多價電子的合金中，層錯能降低得更 為迅速。磷原子就具有這些特性，因此希望通過將磷加入TWIP鋼中，降低層錯能，使 孿生的開始也更為容易。
最近幾年發展起來的強度和塑性較好的TRIP鋼(應力誘發相變，相變誘發塑性)， 即采用熱處理工藝，形成鐵素體、馬氏體和少量奧氏體600-800MPa高強度和高延伸性 的新鋼種，其不同級別的Trip鋼延伸率保持在20-40%，其延伸率很難突破40%。 Sung-Joon Kim等人(文獻1: Sung-Joon Kim， Chang Gil Lee, Tae-Ho Lee, Chang-saek0h， Effect of Cu， Cr and Ni on mechanical properties of 0. 15wt. %C TRIP-aided cold rolled steels, Scripta Materialia 48(2003) 539-544)研究的冷軋0. 15%C的Trip 鋼抗拉強度達到80冊Pa，而延伸率最高有34%。
由以上分析表明，通過調整材料成分，控制材料層錯能，使材料在退火后產生退火 孿晶并在外載荷作用下產生機械孿晶，使材料具有高強度和高塑性的配比。從上述理論 出發，本發明提出了一種磷強化的高強度、高塑性的具有孿晶和層錯微結構的鋼鐵材料 及其制備方法。

發明內容
本發明的目的是提供一種加磷強化的孿晶誘導塑性具有高強度高塑性的鋼鐵材料 及制備方法。
一種加磷強化的孿晶誘導塑性具有高強度高塑性的鋼鐵材料，其成份范圍為.-C%:0. 01-0. 08%， Mn%:15-35%, A1%:1-6%, Si%:l-6%,S%〈0. 008%,磷含量在 0. 062-0. 2wt%，余量是Fe及不可避免的雜質。層錯能控制在15-50 mj mm2。 其中磷含量的優選范圍為0. 062-0. 15wt%。
加磷強化的孿晶誘導塑性具有高強度高塑性的鋼鐵材料的制備方法
1) .采用電磁感應爐真空熔煉，充氬氣保護，澆鑄成板坯；
2) .利用軋制技術，經熱軋、冷軋，其中熱軋的加熱溫度1100-1200°C，保溫30 分鐘-3小時后，在350 二輥熱軋機上熱軋，得到厚度為2.5 3. 5mm的熱軋薄板，總變 形量為80 90%,熱軋的開軋溫度為1100，終軋溫度為750°C;冷軋鋼板經酸洗后在430 四輥冷軋機上冷軋，冷軋板厚度0.8-1. 5腿，冷軋壓下率控制在30-80%,優選冷軋壓下 率是55-70%。
3) .熱處理工藝將0.8-1. 5腿厚的冷軋鋼板在加熱爐中在設定溫度600-IOO(TC保 溫5-60分鐘后，以10-100°C/s的速度冷卻至室溫，優選熱處理的加熱溫度是700-900°C， 保溫時間是5-20分鐘，冷卻速度是10-50°C/s。
磷合金強化的高強度高塑性孿晶誘導塑性鋼鐵材料，其微觀結構熱處理后變形前是 奧氏體基體中存在有大量的退火孿晶和層錯，其晶粒尺寸為2-30Wn，退火孿晶生長并貫 穿于晶粒內部；經變形后，在外力作用下形成形變孿晶，取向相同的孿晶片層之間相互 平行。正是由于變形過程中形變孿晶的形成使材料在具有高強度的同時具有高塑性。
本材料通過工藝控制得到不同級別的強度和塑性的配比，可得到610-915MPa的抗 拉強度和225 - 610MPa的屈服強度以及45. 0-80. 5%延伸率。本發明具有如下優點
1. 具有優良的性質。本發明利用軋制技術和熱處理工藝制備出具有退火孿晶和層 錯的奧氏體晶粒，其大小為2-30Mm，具有獨特的微觀結構。本發明材料具有很高的延伸 率，A50可高達8(F。以上，該塑性指標已遠遠高于用其他傳統方法制備的鋼鐵材料。并且 其強度同時可達到425MPa的屈服強度和785MPa的抗拉強度。
2. 應用前景好。由于本發明中這種鋼鐵材料特殊的化學成分經過簡單的熱處理后 具有退火孿晶的奧氏體組織結構，使得材料具有高強度的同時具有高塑性。因此，這種 高強度高塑性的鋼鐵材料對高速發展的汽車行業及軍工用品方面和需要的發展具有重 要價值
3. 制備方法簡單。本發明利用傳統的煉鋼技術、軋制工藝和熱處理技術，只需控 制熱處理溫度和時間及冷卻速度即可獲得這種具有孿晶組織的高強度高塑性的鋼鐵材 料。
4成本低。本發明的鋼鐵材料不需要添加貴重的合金元素，只需常用的價格較低的
錳、鋁、硅元素即可獲得本鋼鐵材料，所添加的磷元素價格便宜。


圖1為本發明磷強化的高塑性、高強度孿晶誘導塑性鋼鐵材料熱處理后變形前的金 相組織照片
圖2為本發明磷強化的高塑性、高強度孿晶誘導塑性鋼鐵材料熱處理后變形后金相 組織照片
圖3為本發明磷強化的高塑性、高強度孿晶誘導塑性鋼鐵材料熱處理后變形后的 TEM照片的變形孿晶。
圖4為本發明磷強化的高塑性、高強度孿晶誘導塑性鋼鐵材料磷是0. 112%時熱處理 后變形后發生了 e—M相變的T函照片。
具體實施例方式
下面附圖和實施例詳述本發明
實施例1
1.利用傳統的真空冶煉和熱軋、冷軋工藝制備出鋼板 冶煉工藝采用電磁感應爐真空熔煉，充氬氣保護。
其成分為:P%=0. 063wt%， C%=0. 022wt%， S%=0. 0017wt%， Mn%=24. 98wt%， Si%=2. 96wt%， Al%=2. 96wt%，余量是Fe及不可避免的雜質。軋制工藝鋼鐵材料鑄坯加熱溫度為1200°C，保溫40分鐘。在350 二輥熱軋機上 熱軋，得到厚度為3mra的熱軋薄板，總變形量為80 90%，其開軋和終軋溫度分別為 IIO(TC和850°C。熱軋板經酸洗后在430四輥冷軋機上冷軋，冷軋至1. Omm厚的試驗薄 板，冷軋壓下率是66. 3%。
2.熱處理工藝將1.0mm厚的冷軋鋼板在加熱爐中在90(TC保溫IO分鐘后，以30 °C/s的冷卻速度冷到室溫。
光學顯微組織觀察其室溫組織為奧氏體基體的退火孿晶，退火后的組織有邊界平直 的退火孿晶出現(圖l所示)，其晶粒大小10-15陶。圖2是變形后微觀形貌，存在變形 孿晶。變形后的組織通過TEM觀察到的形變孿晶，如圖3所示變形孿晶，孿晶間距細小， 只有500mn,所示的變形孿晶中有兩組孿晶堆垛而成的不同取向、不同厚度的兩個孿晶 系統，說明這兩個系統在變形過程中并不是同時生成的，證實了晶粒內同時存在兩個先 后被激活的孿晶系統。因此發生了孿晶誘發塑性效應，使鋼板具有優良的力學性能。磷 強化的高強度、高塑性孿晶誘導塑性鋼鐵材料的室溫拉伸得到的791MPa的抗拉強度， 和455MPa的屈服強度以及71. 1°/。延伸率。 實施例2
與實施例1不同之處在于將熱處理溫度控制在IOOO'C保溫20分鐘后，以1(TC/s 的速度冷卻至室溫。得到的室溫力學性能為抗拉強度為235MPa，屈服強度為620MPa， 延伸率為81. 0%。 實施例3
與實施例1不同之處在于其成分為P%=0. 112wt%， C%=0. 013wt%， S%=0. 0016wt%， Mn%=24. 86wt%， Si%=3. 06wt%， Al%=2. 98wt%，余量是Fe及不可避免的雜質。
熱處理工藝為溫度控制在75(TC，保溫10分鐘后，以60°C/s的冷卻速度冷到室
溫o
該工藝條件下制備出高強度、高塑性的孿晶誘導塑性鋼，透射電子顯微鏡觀察該鋼
鐵材料也由奧氏體基體中存在退火孿晶和層錯的微觀結構，其晶粒尺寸2-5m。由于磷
的含量較高降低層錯能的作用明顯，使層錯能為15-25 mj'mm2，發生了 e—M相變， 如圖4所示的E —M形貌。該鋼鐵材料在室溫的力學性能屈服強度615MPa，抗拉強度 901MPa，延伸率53%。 實施例4
與實施例1不同之處在于其成分為P%=0. 106wt%， C%=0. 013wt%， S°/。=0. 0013wt%，Mn%=25. 06wt%， Si%=3. 01wt%， Al%=2. 98wt%，余量是Fe及不可避免的雜質。
熱處理工藝為溫度控制在800。C，保溫10分鐘后，以30°C/s的冷卻速度冷到室
溫o
該鋼鐵材料在室溫的力學性能屈服強度885MPa，抗拉強度596MPa,延伸率56. 9%。 實施例5
與實施例l不同之處在于:其成分為P%=0. 084wt%， C%=0. 021wt%， S%=0. 0017wt%， Mn%=24. 92wt%， Si%=2. 96wt%， Al%=2. 96wt%，余量是Fe及不可避免的雜質。
熱處理工藝為加熱溫度控制在85(TC，保溫15分鐘后，以30°C/S的冷卻速度冷 到室溫。
該鋼鐵材料在室溫的力學性能屈服強度565MPa，抗拉強度850MPa，延伸率62. 1%。
權利要求
1. 一種磷強化的孿晶誘導塑性鋼鐵材料，其特征是材料成份范圍為C％0.01-0.08％，Mn％15-35％，Al％1-6％，Si％1-6％，S％<0.008％，磷含量在0.062-0.2wt％，余量是Fe。
2.如權利要求1所述磷強化的孿晶誘導塑性鋼鐵材料，其特征是磷含量 0. 062-0. 15wt%。
3.如權利要求1或2所述磷強化的孿晶誘導塑性鋼鐵材料，其特征是制備工藝為-1) .采用電磁感應爐真空熔煉，充氬氣保護，澆鑄成板坯；2) .利用軋制技術，經熱軋、冷軋，其中熱軋的加熱溫度1100-1200°C，保溫30 分鐘-3小時后，在350 二輥熱軋機上熱軋，得到厚度為2.5 3. 5國的熱軋薄板，總變 形量為80 90%，熱軋的開軋溫度為1100，終軋溫度為750'C;冷軋鋼板經酸洗后在430 四輥冷軋機上冷軋，冷軋板厚度0.8-1. 5腿，冷軋壓下率控制在30-80%;3) .熱處理工藝將0.8-1.5mm厚的冷軋鋼板在加熱爐中在設定溫度600-IOO(TC保 溫5-60分鐘后，以10-100°C/s的速度冷卻至室溫。
4.如權利要求3所述磷強化的孿晶誘導塑性鋼鐵材料的制備工藝，其特征是冷軋壓 下率是55-70%。
5.如權利要求3所述磷強化的孿晶誘導塑性鋼鐵材料的制備工藝，其特征是熱處理 的加熱溫度是700-90(TC,保溫時間是5-20分鐘，冷卻速度是10-50°C/s。
全文摘要
本發明涉及鋼鐵金屬材料的改進技術，特別是一種磷強化的孿晶誘導塑性鋼鐵材料及其制備工藝，屬于鋼鐵材料加工領域。其成分范圍C％0.01-0.08％，Mn％15-35％，Al％1-6％，Si％1-6％，S％＜0.008％，磷含量在0.062-0.2wt％，余量是Fe。本發明可通過工藝控制得到不同級別的強度和塑性的配比，可得到610-915MPa的抗拉強度和225-610MPa的屈服強度以及45.0-85.5％延伸率。使鋼的強度在同等條件下不降低塑性的同時使TWIP鋼的強度提高30-70MPa。本發明制備的高強度、高塑性的鋼鐵材料對迅速發展的汽車產業和軍工行業具有重要的價值和極大的應用空間。
文檔編號C22C38/06GK101429620SQ20081023989
公開日2009年5月13日 申請日期2008年12月19日 優先權日2008年12月19日
發明者代永娟, 呂建崇, 荻 唐, 江海濤, 米振莉 申請人:北京科技大學