[发明专利]约束相变的超级强化方法和基于该方法对纯铁或低碳钢强化的工艺

说明书

技术领域

本发明属于对金属材料强化的技术领域，具体涉及一种约束相变的超级强化方法和基于该方法对纯铁或低碳钢强化的工艺。

背景技术

金属材料的诸多性能无不取决于内部的位错、孪晶等缺陷。固态相变（如马氏体相变）强化材料的本质原因是产生了高密度的晶体缺陷。上世纪八十年代以来兴起的纳米材料和严重塑性变形也旨在提高晶体缺陷密度。

但是，强化型固态相变尚待优化，比如要求快速冷却、难以强化纯铁、低碳马氏体强度不高、高碳马氏体断裂韧性较差等。采用大塑性变形调控组织结构也存在不足之处，比如能量转化率很低（1-10%），高应变时还出现晶体缺陷积累的饱和。

晶体缺陷类型因应力大小而发生变化，外加应力提高导致晶体缺陷由位错转变为变形孪晶，而内应力随碳含量的增加也导致位错马氏体转变为孪晶马氏体。相比于人为外加应力，相变导致的内应力属于自然的馈赠，对之加以利用则可成为行之有效且低能环保的晶体缺陷调控资源。

固态相变中均伴随晶体结构变化导致的内应力，面心立方结构或密排六方结构转变为体心立方结构伴随6%的体积膨胀，四方结构转变为金刚石结构的体积膨胀甚至高达20%。但是，长期以来，自然过程中相变产生的内应力被白白释放，非但不被用于调控结构优化性能（如纯铁），高内应力导致的样品变形和开裂（如马氏体相变）还被视为不利因素而设法避免。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种约束相变的超级强化方法和基于该方法对纯铁或低碳钢强化的工艺，其通过完全约束相变引起的体积膨胀，将相变产生的内应力释放在金属材料的晶格中，从而在晶体内部形成大量的晶格缺陷，产生大量的位错密度，大幅提高材料的强度。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案1是：

一种约束相变的超级强化方法，该方法中包括高压和高温技术手段的结合，该方法的步骤中包括：

a、将加工后的试样加热至至材料相变温度以上，

b、然后对试样全方位加压1~5GPa，

c、在选择的压力点上保温3~60min，

d、降温的过程中随机维持选择的压力值，达到室温时卸压。

本发明还提供了另外一种技术方案2

一种约束相变的超级强化方法，该方法中包括高压和高温技术手段的结合，该方法的步骤中包括：

a、对加工后的试样全方位加压1~5GPa，

b、维持压力值将试样加热至相变温度以上，保温3~60min，

c、随机维持压力值直至降至室温，卸压。

上述两种技术方案用于金属铁、锡或锰的强化处理，或用于贝氏体合金钢、珠光体钢或铜铝合金的强化处理。这些材料具有共同的特征：当温度升高到相变点以上时，体积缩小，当从相变点温度降温时，材料的体积又膨胀，通过完全约束降温过程中的体积膨胀达到强化材料强度的目的。

基于上述技术方案1本发明提供了技术方案3：

一种对纯铁或低碳钢强化的工艺，包括原料的熔炼、钢锭的均质处理、试样加工和强化，以上工艺包括以下步骤：

A、原料的熔炼：按照工业纯铁或碳含量低于0.2wt.%的低碳钢的配方，计算投料比例、并熔炼成钢锭；

B、钢锭的后处理：将步骤A中的钢锭保持在1000℃~1200℃条件下热处理1~10小时，然后转移到室温，在水淬池中均质完成固溶处理；

C、试样的加工：将步骤B中固溶处理后的钢锭开坯，按照设计要求加工成试样；

D、试样的强化：将试样加热至750~1100℃，均热后，放入顶压装置中，3~30s内加压至1~5GPa，将试样自然降至室温，卸载压力。

基于上述技术方案2本发明提供了技术方案4：

一种对纯铁或低碳钢强化的工艺，包括原料的熔炼、钢锭的均质处理、试样加工和强化，以上工艺包括以下步骤：

A、原料的熔炼：按照纯铁或碳含量低于0.2wt.%的低碳钢配方，计算投料比例、并熔炼成钢锭；

B、钢锭的后处理：将步骤A中的钢锭保持在1000℃~1200℃条件下热处理1~10小时，然后转移到室温，在水淬池中均质完成固溶处理；

C、试样的加工：将步骤B中固溶处理后的钢锭开坯，按照设计要求加工成试样；

D、试样的强化处理：借助物理加压的方式对试样的每个面均匀持续加载1~5GPa的高压，维持压力值将试样加热至750~1100℃，保温3~60min，然后随机维持压力值将试样自然降至室温，卸压。