高低温韧性单相奥氏体低密度高强钢及其制备方法

本发明涉及低密度高强钢，具体涉及一种高低温韧性单相奥氏体低密度高强钢及其制备方法。

背景技术：

1、随着能源、运输产业和极端环境结构对钢材轻量化和适应性提出更高的要求，在保证不损失材料的强塑性和冲击韧性的前提下，实现钢铁结构件的轻量化和适应能力至关重要。近年来对钢铁材料的轻量化研究方向主要分为两种：一是研制出与传统钢材相比性能更高的超高强塑性材料应用于减重结构件，在相同强度要求下使用更少量的钢材，从而实现轻量化；二是开发拥有低密度高强性能的轻质钢，应用于结构制造。

2、fe-mn-al系低密度钢具有高强度、高塑性和更低的密度等优点，有望作为轻量化、环境友好型钢材的新选择。其中mn含量较高时，低密度钢在热加工后组织为单相的奥氏体。同时，由于当低密度钢mn和c含量较高时，奥氏体稳定性显著提高，可以在室温下得到单一稳定的奥氏体。这类钢在具有高强塑性的同时，还具有高韧性、低温适应性和高耐蚀性的优良表现。

3、为了进一步扩大低密度钢在制造产业的应用，除需要具有足够的室温力学性能外，还需要有一定的冲击韧性，尤其是对低密度钢的低温/超低温冲击韧性进行提高。单相奥氏体低密度高强钢非常适合于运输载具设备的零部件结构的轻量化和极端条件下服役的结构材料制造。

4、由于低密度钢合金成分含量较高，力学性能和变形行为与普遍钢材差异较大，加工工艺需与普遍钢材有所区别，具有一定的复杂性，须经过大量的实验已获得一系列适合的工艺流程参数以制备出合格的产品。这限制了低密度钢在工业生产中的应用。根据其现有存在的不足，开发一种高低温韧性单相奥氏体低密度高强钢及其制备方法，在保证钢材力学性能和低密度的同时，使其具有较高的对极端环境条件(如低温、腐蚀等)的适应性具有十分重要的意义。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高低温韧性单相奥氏体低密度高强钢及其制备方法，该低密度钢在具有高强塑性和低密度的同时，还具有高韧性、必要的耐蚀性和低温适应性，适应于常规加工工艺生产，即生产加工过程无需作额外的特殊处理；非常适合作为轻量化运输载具设备的零部件结构、极端环境下服役的结构材料和防撞吸能结构件制造。

2、为实现此技术目的，本发明采用如下方案：

3、一种高低温韧性单相奥氏体低密度高强钢，按质量百分比计，包括c 0.8～1.2％；si≤0.1％；mn 28.0～31.0％；p≤0.01％；s≤0.01％；al 8.5～9.5％；cu 2.5～3.0％；n≤0.005％；余量为fe和不可避免的杂质，不添加其它碳氮化物形成微合金元素，以避免硬脆相出现，影响塑性和韧性。

4、与现有技术相比，本发明中高低温韧性单相奥氏体低密度高强钢有益效果在于：具有高强塑性和低密度的同时，还具有高韧性和低温适应性，适应于常规加工工艺生产，即生产加工过程无需作额外的特殊处理。微观组织为单相奥氏体，不含其它硬脆相，以免降低塑性和韧性；相较于常规碳钢减重大于16％；屈服强度大于530mpa，抗拉强度大于845mpa，延伸率大于75％，强塑积大于65gpa·％；室温下层错能的理论计算值为95～100mj/m2；在-50℃、-120℃和-180℃的低温下，层错能分别为75～80mj/m2、55～65mj/m2和45～50mj/m2。室温冲击功kv2为225j；-50℃的低温冲击功kv2大于185j，-120℃的低温冲击功kv2大于110j，具有优良的低温韧性。

5、优选的，按质量百分比计，其中c含量为1.0～1.2％；mn含量为29.0～30.0％；al含量为9.0～9.5％；cu含量为2.8～3.0％。

6、另一方面，本发明还提供了高低温韧性单相奥氏体低密度高强钢的制备方法，包括如下工序：铁水预处理-转炉冶炼-精炼-模铸钢坯-加热-大压下热轧开坯/锻造-快节奏热轧-超快速冷却。

7、热轧前加热温度为1200℃；采用大压下热轧开坯/锻造，中间坯厚度为40～80mm；高温快节奏道次大压下热轧3～7道次，单道次压下率大于20％；终轧温度控制在1050℃以上；超快速冷却(冷速大于50℃/s)至500℃以下空冷。

8、优选的，热轧前加热温度为1200℃；采用大压下热轧开坯/锻造，中间坯厚度为40～60mm；高温快节奏道次大压下热轧3～5道次，单道次压下率大于25％；终轧温度控制在1050～1100℃左右；超快速冷却(冷速大于50℃/s)至450～500℃。

9、采用上述技术方案的本发明，与现有技术相比，具有以下创新：

10、1.本发明的低密度高强钢通过高含量al元素的加入来实现高强钢材的轻质化，密度不高于6.7g/cm3，实现了材料的大幅减重，相较于常规碳钢减重大于16％，提高了钢铁材料在工程应用中的竞争力。

11、2.本发明的低密度高强钢通过严格控制合金元素含量和热轧工艺，充分发挥合金元素的作用，得到了单相奥氏体组织，晶粒尺寸较大。屈服强度大于530mpa，抗拉强度大于845mpa，延伸率大于75％，强塑积大于65gpa·％。

12、3.本发明的低密度高强钢室温下层错能的理论计算值为95～100mj/m2；在-50℃、-120℃和-180℃的低温下，层错能分别为75～80mj/m2、55～65mj/m2和45～50mj/m2。室温冲击功kv2大于225j；-50℃的低温冲击功kv2大于185j，-120℃的低温冲击功kv2大于110j，具有优良的低温韧性。

技术特征：

1.一种高低温韧性单相奥氏体低密度高强钢，其特征在于，按质量百分比计，包括

2.根据权利要求1所述的高低温韧性单相奥氏体低密度高强钢，其特征在于，按质量百分比计，其中c含量为1.0~1.2%；mn含量为29.0~30.0%；al含量为9.0~9.5%；cu含量为2.8~3.0%。

3.根据权利要求1或2所述的高低温韧性单相奥氏体低密度高强钢的制备方法，其特征在于，包括如下工序：

4.根据权利要求3所述的高低温韧性单相奥氏体低密度高强钢的制备方法，其特征在于，

5.根据权利要求4所述的高低温韧性单相奥氏体低密度高强钢的制备方法，其特征在于，

技术总结
本发明公开了一种高低温韧性单相奥氏体低密度高强钢及其制备方法。属于先进钢铁材料技术领域。本发明在Fe‑Mn‑Al低密度钢合金系基础成分上，适当增大并严格控制C、Mn、Al和Cu合金元素的含量，在保证钢材力学性能和低密度的同时，使其具有较高的对极端环境的适应性。该低密度钢适应于常规加工工艺生产，即生产加工过程无需作额外特殊处理。其微观组织为单相奥氏体，不含其它硬脆相；相较于常规碳钢减重大于16%；该低密度钢屈服强度大于530 MPa，抗拉强度大于845 MPa，延伸率大于75%，强塑积大于65 GPa·%；室温冲击功KV<subgt;2</subgt;大于225 J；‑50℃的低温冲击功KV<subgt;2</subgt;大于185 J，‑120℃的低温冲击功KV<subgt;2</subgt;大于110 J，具有优良的低温韧性。

技术研发人员：董福涛,齐程伟,刘祎
受保护的技术使用者：华北理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17