一种双晶粒结构中锰钢材料的制备方法与流程

本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种双晶粒结构中锰钢材料的制备方法。

背景技术：

中锰钢的锰含量一般为3～10wt.％，组织中亚稳奥氏体的含量约为30～40vol.％。由于奥氏体的比例远高于传统trip钢，因此中锰钢的力学性能更依赖于亚稳奥氏体的特征及其trip效应的发生。最早关于中锰钢的报道可以追溯到1972年，miller为了验证hall-petch关系是否适用于超细晶组织，首次设计了0.11c-5.7mn钢，并发现该合金经冷轧和退火后的组织为全部的亚微米级等轴晶粒，其中包含约30vol.％的亚稳奥氏体，抗拉强度和断后延伸率分别达到878mpa和34％。进入21世纪，中锰钢已逐渐成为国内外学术界的研究热点，更被认为是第三代汽车用先进高强钢中最具发展前景的新钢种之一。

中锰钢优异的力学性能归因于回火马氏体或铁素体+亚稳奥氏体的双相组合，而双相组织的获得则得益于其独具特色的合金成分设计和热处理工艺。由于较高的锰含量使中锰钢具有非常好的淬透性，在传统trip钢生产中稳定奥氏体的等温淬火工艺不再适用于中锰钢，因此中锰钢中亚稳奥氏体含量及其稳定性仅与临界区退火工艺直接相关。在退火过程中，c、mn元素从马氏体或铁素体扩散进入奥氏体，使其热稳定性提高，从而在退火完成后冷却至室温时不再发生马氏体转变。中锰钢这一稳定奥氏体的退火工艺被称为奥氏体逆相变(austeniterevertedtransformation,art)退火。

中锰钢的最终组织对art退火前的初始组织非常敏感。冷轧态钢板直接进行art退火(简称cr样品)将得到完全的亚微米等轴晶粒，尽管cr样品的屈服极限高，但在拉伸变形中会出现明显的屈服平台，即不连续屈服现象，其结果是致使工件表面残留lüders带，这是汽车冲压零件中不允许出现的；淬火态钢板经art退火后(简称aq试样)仍然保持板条马氏体组织形貌，但屈服强度一般偏低，将影响汽车构件的抗侵入性能。因而如何制备具有连续屈服且具有较高屈服强度的中锰钢是其发展的目标之一。

根据已有研究基础，利用梯度塑性变形的方法，在中锰钢钢板的厚度方向上制备出上述两种晶粒结构，即构筑具有双晶粒结构的中锰钢，进而可以发挥两种组织类型的不同力学性能特征：既要提高屈服强度和屈强比，又要避免吕德斯应变，保持连续屈服特征。如何在现有中锰钢加工处理的工艺基础上构筑出双晶粒结构组织，以及这种中锰钢材料的力学特性，具有重要的研究价值。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种双晶粒结构中锰钢材料的制备方法，通过表面机械处理使art退火前中锰钢板表层形成强塑性变形层，使其在art处理中表层形成亚微米尺度的等轴晶粒，而心部仍然保持板条状晶粒结构，从而提高中锰钢的屈服强度且保持连续屈服特征，获得高强塑性结合的中锰钢材料。具体技术方案如下：

一种双晶粒结构中锰钢材料的制备方法，其特征在于：化学成分按重量百分比为：c0.05～0.20％，si0.5～2.0％，mn3.0～9.0％，al0.1～3.0％，p≤0.005％，s≤0.005％，n≤0.006％，其余为fe和不可避免的杂质；

制备步骤如下：

(1)将1～2.5mm厚中锰钢冷轧板加热至850～950℃完全奥氏体化，然后以20～50℃/s的冷速淬火至室温，获得完全的马氏体组织；

(2)将淬火后的中锰钢冷轧板进行表面机械研磨处理(surfacemechanicalattritiontreatment，英文简称smat)，即利用振动发生器引起密闭在容器中的若干钢丸共振，从而连续不断地高速冲击固定在容器中的中锰钢淬火钢板，钢球的每一次冲击都使钢板表层局部产生严重的塑性变形；smat处理选用直径为3～7mm的aisi304不锈钢球，振动频率为10～30khz；钢板单面smat累积处理时间设定为20～60min；为避免长时间单面机械研磨致使钢板翘曲，设计单面处理时间为10min后，翻转钢板，继续处理另一表面，且保证钢板两面smat处理时间相同；smat处理的目的是在钢板表面形成一定厚度的强烈塑性变形层；

(3)将经smat处理后的中锰钢钢板进行art退火，退火温度为600～700℃，保温时间为3～60min，随后以10～50℃/s的冷速冷却至室温，获得具有双晶粒结构的中锰钢材料。

盛放钢球和样品的容器在smat处理前要抽成真空或充满惰性气体。

步骤(3)中10～50℃/s的冷速冷却至室温可采用空冷、喷气冷却或水冷均可。

双晶粒结构中锰钢是指钢板30～200μm的表层为亚微米等轴晶，包括再结晶的铁素体晶粒和逆相变的奥氏体晶粒，晶粒直径300～500nm；钢板心部为板条状结构，包括板条状的回火马氏体和片层状的逆相变奥氏体，板条或片层厚度为100～300nm，长度为0.3～3μm。

本发明通过对淬火后的中锰钢钢板进行smat处理，使其在钢板表层一定厚度范围内累计强烈的塑性变形，从而在接下来的art退火过程中钢板表层发生再结晶，形成亚微米的等轴晶粒，而由于smat处理的变形层限制在一定厚度范围内，因此钢板中心层部分不发生再结晶，仍然保留马氏体板条的组织形貌。这样就构筑出了厚度方向上双晶粒结构中锰钢钢板，且可发挥两种组织结构的力学性能特征，即保持连续屈服特征且提高屈服强度。

附图说明

图1为本发明实施例1中的双晶粒结构中锰钢的显微组织图。

图2为本发明实施例1中具有双晶粒结构中锰钢的拉伸应力-应变曲线图。

具体实施方式

本发明实施例中冷轧中锰钢钢板的厚度为1.0～2.5mm。

本发明实施例中冷轧中锰钢钢板的尺寸为100×50mm。

本发明实施例中smat处理采用的振动发生设备可采用市购产品，如肇庆美凌环保机械科技有限公司的研磨机。

本发明实施例中性能试验采用cmt5105拉伸机。

本发明实施例中组织检测采用zeissultra55扫描电子显微镜。

实施例1

1、将中锰钢冷轧板加热至850℃完全奥氏体化，然后以30℃/s的冷速淬火至室温，获得完全的马氏体组织。

2、将淬火后的中锰钢冷轧板进行表面机械研磨处理(smat)。smat处理选用直径为5mm的aisi304不锈钢球，振动频率为10khz。钢板单面smat累积处理时间设定为30min。为避免长时间单面机械研磨致使钢板翘曲，设计单面处理时间为10min后，翻转钢板，继续处理另一表面，且保证钢板两面smat处理时间相同。

3、将经smat处理后的中锰钢钢板进行art退火，退火温度为650℃，保温时间为60min，随后以10℃/s的冷速冷却至室温，获得具有双晶粒结构的中锰钢材料。表层亚微米等轴晶粒厚度约为92μm，晶粒平均直径约为410nm，如图1所示。该材料的屈服强度902mpa，抗拉强度1079mpa，延伸率36.8％，强塑积39.7gpa％，如图2所示。

本实施例步骤1中的中锰钢冷轧板的化学成分按重量百分比：含c0.12％，si1.50％，mn6.1％，al0.1％，p＝0.005％，s＝0.005％，n＝0.006％，其余为fe和不可避免的杂质。

本实施例步骤2中的盛放钢球和样品的容器在smat处理前要抽成真空。

本实施例步骤3中的10℃/s的冷速冷却至室温可采用空冷。

实施例2

1、将中锰钢冷轧板加热至900℃完全奥氏体化，然后以50℃/s的冷速淬火至室温，获得完全的马氏体组织。

2、将淬火后的中锰钢冷轧板进行表面机械研磨处理(smat)。smat处理选用直径为3mm的aisi304不锈钢球，振动频率为30khz。钢板单面smat累积处理时间设定为60min。为避免长时间单面机械研磨致使钢板翘曲，设计单面处理时间为10min后，翻转钢板，继续处理另一表面，且保证钢板两面smat处理时间相同。

3、将经smat处理后的中锰钢钢板进行art退火，退火温度为700℃，保温时间为3min，随后以30℃/s的冷速冷却至室温，获得具有双晶粒结构的中锰钢材料。表层亚微米等轴晶粒厚度约为200μm，晶粒平均直径约为300nm。该材料的屈服强度1037mpa，抗拉强度1153mpa，延伸率26.9％，强塑积31.0gpa％。

本实施例中的中锰钢冷轧板的化学成分按重量百分比：含c0.05％，si0.5％，mn9.0％，al3.0％，p＝0.004％，s＝0.005％，n＝0.003％，其余为fe和不可避免的杂质。

本实施例步骤2中的盛放钢球和样品的容器在smat处理前要充满惰性气体。

本实施例步骤3中的30℃/s的冷速冷却至室温可采用喷气冷却。

实施例3

1、将中锰钢冷轧板加热至950℃完全奥氏体化，然后以20℃/s的冷速淬火至室温，获得完全的马氏体组织。

2、将淬火后的中锰钢冷轧板进行表面机械研磨处理(smat)。smat处理选用直径为7mm的aisi304不锈钢球，振动频率为20khz。钢板单面smat累积处理时间设定为20min。为避免长时间单面机械研磨致使钢板翘曲，设计单面处理时间为10min后，翻转钢板，继续处理另一表面，且保证钢板两面smat处理时间相同。

3、将经smat处理后的中锰钢钢板进行art退火，退火温度为600℃，保温时间为30min，随后以50℃/s的冷速冷却至室温，获得具有双晶粒结构的中锰钢材料。表层亚微米等轴晶粒厚度约为30μm，晶粒平均直径约为500nm。该材料的屈服强度820mpa，抗拉强度952mpa，延伸率26.3％，强塑积25.0gpa％。

本实施例中的中锰钢冷轧板的化学成分按重量百分比：含c0.2％，si2.0％，mn3.0％，al1.0％，p＝0.005％，s＝0.002％，n＝0.003％，其余为fe和不可避免的杂质。

本实施例步骤2中的盛放钢球和样品的容器在smat处理前要抽成真空。

本实施例步骤3中的50℃/s的冷速冷却至室温可采用水冷。