[发明专利]一种孪生诱导塑性钢及其制备方法

说明书

本发明提供一种高强度高塑性孪生诱导塑性(TWIP)钢及其制备方法。针对钢中孪晶强化与纳米析出强化在单一强化中难以获得更高强度和更高塑性的缺陷，在对比研究TWIP钢中由于高Mn含量带来的熔炼、均质化和延迟开裂等问题的基础上，本发明提出利用Cu、Ni和Al等合金元素替代部分Mn含量，以增加层错能，促进TWIP效应，同时稳定奥氏体相，抑制马氏体相变，细化孪晶组织；并利用强磁场控制钢中产生的纳米级富Cu颗粒和NiAl颗粒的尺寸、密度及分布等，在不降低塑韧性的前提下来提高TWIP钢的强度。

技术领域

本发明涉及一种高强度高塑性孪生诱导塑性钢及其制备方法，属于合金制备技术领域。

背景技术

孪生诱导塑性(TWIP)钢不仅具有优异的强度和延展性，而且抗冲击性和能量吸收能力均要比传统合金钢高，在需要高强度、高延展性、轻量化、低成本和环境友好性的汽车用钢中得到广泛应用。然而，高Mn含量TWIP钢由于存在熔炼、均质化和延迟开裂等相关问题，探索研究解决TWIP钢在制备过程中存在的问题，进一步提升合金力学性能等，具有重要的理论和应用价值。

TWIP钢的变形主要是孪生方式，与层错能(SFE)密切相关。通过添加Cu、Al、Ni等合金元素来取代部分Mn，可以提高SFE，促进TWIP效应而改善材料性能。其中Cu是奥氏体稳定元素，不仅可以增加SFE，而且还可以抑制相变诱导塑性(TRIP)效应；Al也可增加SFE，抑制马氏体相变，有利于形变孪晶的形成；Ni是钢中稳定奥氏体的合金元素，也可以增加SFE，而且能够缓解钢中加入Cu而产生的热脆现象。中国发明专利201010526063.2提出在TWIP钢中加入Cu元素，不仅降低了炼钢难度和成本，而且可以进一步优化提升合金性能，但不足之处在于Cu含量过高，在热轧过程中易发生开裂。中国发明专利200710178352.6提出一种铜镍合金化的高强度高塑性孪晶诱导塑性钢，热处理后奥氏体基体中存在有大量的退火孪晶和层错，在外力作用下形成形变孪晶，在保持高强度的同时也具有高塑性，其不足之处是Mn含量过高导致合金成本过高而且易发生延迟开裂现象。中国发明专利201410512333.2公开了一种高强塑积TWIP钢及其制备方法，Al元素可以有效提高钢板的SFE，抑制马氏体相变，其不足之处在于Al含量过高会导致连铸生产困难。因此，通过适量添加合金元素取代Mn，提高SFE可以促进TWIP效应，有助于提高材料性能。

另一方面，本发明设计的合金中由于存在一些Cu、Al、Ni等合金元素，纳米级Cu和NiAl颗粒会在合金中产生共沉淀的效果。Z.B.Jiao人等在Acta Materialia 97(2015)58-67论文“纳米NiAl和Cu颗粒硬化的超高强度钢的析出机理和力学性能”中提到纳米级NiAl颗粒，Cu颗粒和碳化物的强化效应的组合有助于提高钢的整体超高强度；中国发明专利201710911471.1公开了一种高强塑积纳米析出强化低温钢制备方法，提出了利用添加Al、Cu等元素与Ni元素形成纳米析出相如Ni₃Al等从而得到析出强化的效果，原则上讲纳米沉淀强化方法可以在强化材料的同时，而不显著降低材料的其他重要性能。B.B.Zhang等人在Acta Materialia 151(2018)310-320论文“铁基高温合金中纳米颗粒与纳米沉淀物的复合强化”中提到由孪晶和沉淀强化两种复合强化方式，为进一步提高材料的强度提供了一种新的策略，但是因其特殊生产手段很难在工厂大批量生产。因此，研究孪晶强化与纳米强化相结合有望突破单一强化的局限，为高强度高塑性孪生诱导塑性和纳米析出强化钢的制备提供理论依据和应用价值。

发明内容

本发明针对钢中孪晶强化与纳米析出强化在单一强化中难以获得更高强度和更高塑性的缺陷，在对比研究TWIP钢中高Mn含量带来的熔炼、均质化和延迟开裂等问题基础上，提出利用不同合金元素添加代替部分Mn含量增加SFE，促进TWIP效应，稳定奥氏体相，抑制马氏体相变，细化孪晶组织。并利用强磁场控制钢中产生的纳米级富Cu颗粒和NiAl颗粒的尺寸、密度及分布等，在不降低塑韧性的前提下提高TWIP钢的强度。

本发明的目的是针对现有技术的问题，提出一种高强度高塑性TWIP钢及其制备方法。