[发明专利]一种Fe-Mn-Cr-Ni系中熵不锈钢及其制备方法

说明书

一种Fe‑Mn‑Cr‑Ni系中熵不锈钢及其制备方法,该中熵不锈钢的化学成分为：Fe₄₀Mn₂₀Cr₂₀Ni₂₀。本中熵不锈钢由不同质量的原料高纯Fe、高纯Ni、高纯Cr和原子比为1：1的Fe‑Mn二元钢。采用真空电弧熔炼和铜模吸铸法铸造，工艺过程包括熔炼、热处理和冷加工等环节。本发明通过参数计算设计出该中熵不锈钢，其结构为单相面心立方晶体结构，不仅拥有良好的室温强度和塑性变形能力，而且在低温下具有特别优异的力学性能。此外，相比于304不锈钢在3.5%氯化钠溶液中表现出更优异的耐蚀性能。在未来还可以在该材料当中添加碳，硅，铝等元素，进一步强化材料的综合性能。因此，这种中熵不锈钢在海洋装备和高寒地区作为结构材料有着非常广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种Fe-Mn-Cr-Ni系中熵不锈钢的成分、制备及其性能，属于钢技术领域。

背景技术

数千年来，人类的发展史和金属材料的发展史紧密相连。金属材料一直是人类最重要的材料之一，在国民经济和社会生活中具有重要的意义。在国家大力提倡可持续发展战略的大背景下，我们极其渴望发展同时具有高强度、高塑性，高的耐腐蚀性并且廉价的材料，在满足社会生产生活需要的同时，达到增加材料的使用寿命，节约资源，保护环境的目的。传统钢的设计原则一般是选择一种或两种元素为主，或者添加几种少量的钢元素、来提高钢的综合性能，比如：铁基钢、钴基钢、铝基钢等。大家普遍认可当在钢中添加的大量的钢元素，很容易形成比较多的的金属间化合物或者复杂相，较多的复杂相以及金属间化合物会使得钢的性能急剧下降。而高熵钢的出现，突破了传统的钢设计理念，给人们提供了一种新的钢设计思路。由于高熵钢具有诸如高强度、高硬度、优异的耐蚀性和热稳定性、突出的的抗疲劳强度及断裂强度、强耐辐射性等优异的综合性能，这都是传统钢无法与之比较的。目前，高熵钢已经引起了大家广泛的关注。

多组元高熵钢虽然拥有很多优异的性能，但由于其使用大量的贵金属元素，相对于传统的钢铁材料其经济成本非常高，实现工业化生产面临实际困难。随着高熵钢发展到第二代非等原子比高熵钢，进一步拓宽了人们的视野和研究范围。本发明中的钢成分借助这一最新理念，设计出不含贵重元素的中熵不锈钢。其不仅可以形成简单稳定的相结构，而且在经济成本上显著降低，同时具备相比高熵钢更加优异的低温拉伸性能。另外，该材料具有相比不锈钢更加良好的耐腐蚀性。目前,对于中熵不锈钢的研究仍处于起步阶段,腐蚀作为结构材料的主要失效形式之一,在开发新型钢材料的过程中,耐蚀性能是必须考虑的重要因素。有研究显示,易钝化元素(如Cr,Ni)的添加,能够使钢具有令人满意的耐蚀性能。因此，该材料有望作为潜在的低温材料应用到实际工况下。

发明内容

本发明提供一种Fe-Mn-Cr-Ni系中熵不锈钢的成分及其制备方法，其目的是利用几种廉价的元素，开发了非等原子比Fe-Mn-Cr-Ni系中熵不锈钢，在提高性能的同时显著降低其生产成本，为工业化生产和应用奠定坚实的基础。

本发明中熵不锈钢的钢成分不含贵重元素，显著降低了生产成本。中熵不锈钢不仅满足形成简单稳定的高熵相结构，而且表现出相比高熵钢更高的低温性能的同时具备相比不锈钢更加优异的耐腐蚀性。

本发明考虑到熔炼过程中纯Mn容易挥发导致成分偏差过大而选择Fe、Mn原子比为1：1的Fe-Mn钢来代替纯Mn，并且在钢化学成分的基础上多添加加5%的锰作为补偿量加入。制备工艺包括热处理和冷变形，首先对吸铸的板状样品进行均匀化处理，后经过冷轧，再进行去应力退火。使用电火花线切割将板状样切为拉伸试样，进行室温和低温下准静态拉伸。

本发明提供了一种Fe-Mn-Cr-Ni系中熵不锈钢，其中各元素的配比为：Fe、Mn、Cr、Ni元素的原子百分比依次为40%：20%：20%：20%。

本发明提供了一种Fe-Mn-Cr-Ni系中熵不锈钢的制备方法，包括以下步骤：