[发明专利]一种超高强度纳米异构低碳钢的制备方法

说明书

本发明提供一种超高强度纳米异构低碳钢的制备方法，包含热处理细化和变形细化两步工序。其特征在于：首先通过对初始的铁素体‑珠光体低碳钢进行全马氏体化得到超细的板条状马氏体组织，再对全马氏体组织进行临界区热处理。通过热处理细化得到具有超细片层的纤维状双相钢。最后对这种纤维状双相钢进行较大变形量的温轧，可以同时细化铁素体和马氏体，达到变形细化的目的。最终得到片层厚度为20nm左右的超高强度纳米异构低碳钢，其抗拉强度可以达到2GPa以上。

技术领域

本发明涉及的铁素体/马氏体双相异构材料制备，具体是一种超高强度纳米异构低碳钢的制备方法。

背景技术

钢铁材料作为最常见的结构材料，广泛应用于建筑、交通运输、石油化工等各领域。尤其在汽车制造业，钢铁材料常常用来制造车身及一些重要零部件。出于节能减排及汽车安全性考虑，汽车供应商对汽车用钢铁材料的强度和韧性都提出更高的要求。这一要求旨在提升钢铁材料的强度等级来满足设计需求。增加碳含量是各种强化钢铁材料方式中最有效和经济节约的强化方式，但是碳含量的增加也相应地会带来很多弊端，例如材料的可焊接性能和成型性能会降低。而目前工业上常用的低碳合金钢的强度普遍较低，例如常用的Q235钢的抗拉强度通常在500MPa以下，难以直接满足汽车供应商提出的高强度等级要求。因此，如何通过有效的方式来获得高强低碳钢对于推广钢铁材料的应用具有重要意义。

目前，提高低碳钢强度最有效的方式是相变强化，即通过热处理方式将低碳钢中的铁素体和珠光体相完全转变成很高强度的马氏体相，或者部分转变成马氏体相制备出铁素体-马氏体双相钢。T.Müller等人(Ultrahigh-strength low carbon steel obtainedfrom the martensitic state via high pressure torsion,Acta Materialia,2019.166:p.168-177)对0.1％C的低碳钢进行热处理获得马氏体组织，再对马氏体组织进行室温高压扭转(HPT)制备出强度为2.4GPa的超高强度低碳钢。此方法的优点是通过剧烈塑性变形的方式将马氏体组织充分细化，但是这种方法的局限在于：(1)HPT技术对设备要求较高，制备成本较大；(2)HPT样品尺寸受设备限制，难以实现工业化生产。Calcagnotto等人(Deformation and fracture mechanisms in fine-and ultrafine-grained ferrite/martensite dual-phase steels and the effect of aging,Acta Materialia,2011.59:p.658–670)对低碳钢进行550℃-700℃热轧结合后续热处理制得平均晶粒尺寸为1.2μm的超细结构双相钢，材料屈服强度由445MPa提高至525Mpa，抗拉强度由870MPa提高至1037MPa。该方法加工的样品尺寸更加灵活，能进行工业化生产。但是双相钢的晶粒尺寸为微米级，导致低碳钢的强度仍较低。

发明内容

本发明目的在于针对上述不足，提供一种结合热处理超细化及变形纳米化，制备超高强度纳米异构低碳钢的方法。

实现本发明目的的技术方案为：

提供一种超高强度纳米异构低碳钢，其碳含量按重量百分比C≤0.2％。该超高强度纳米异构低碳钢平均晶粒尺寸在10-40nm。

一种超高强度纳米异构低碳钢的制备方法，包括以下步骤：

第一步，热处理超细化：a)将低碳钢在920℃-950℃保温1-2小时，使组织均匀，获得粗大的奥氏体组织。b)对上述保温的铸锭进行淬火得到超细片层的全马氏体组织。c)对全马氏体化的样品进行两相区保温淬火得到超细片层的纤维状双相结构，两相区温度为700℃-900℃，保温时间在5-60分钟，然后进行淬火。

第二步，变形纳米化：对获得的纤维状双相结构在25℃-450℃进行轧制，每道次轧制前将样品放入马弗炉中加热10-30分钟,累积轧制量为70％-95％。