[发明专利]一种高强度高塑性的形状记忆钢及其制备方法

说明书

本发明涉及一种回复应力＞500MPa、回复应变＞4％的高强度高塑性的形状记忆钢及其制备方法，合金的成分及质量百分比为：Mn：18％～24％，Si：4.5％～6.5％，Cr：7％～11％，Ni：4％～6％，V：0.08％～1.5％，C：0.02％～0.3％，余量为Fe。该合金的制备方法中包括真空感应熔炼和热处理步骤，制备工艺简单可控。本发明中通过优化合金成分所获得的形状记忆钢，在不经热机械处理的情况下，回复应力＞500MPa、回复应变＞4％、强度＞700MPa、延伸率＞10％，体现出了优异的形状记忆效应和力学性能。

技术领域

本发明属于铁基形状记忆合金材料技术领域，涉及一种回复应力＞500MPa、回复应变＞4％的高强度高塑性的形状记忆钢及其制备方法。

背景技术

上世纪80年代初，相关研究表明Fe-30Mn-1Si合金沿414晶向的单晶具有优异的形状记忆效应，回复应变超过了传统的镍钛基和铜基形状记忆合金，从而开启了Fe-Mn-Si基形状记忆合金开发的新方向。与镍钛基和铜基形状记忆合金相比，Fe-Mn-Si基形状记忆合金具有成本低、可焊性好、加工性能好、力学性能优异等特点，已在大型管接头、铁轨连接板、混凝土结构中获得了应用。但是，通过常规的钢铁熔炼和加工方法制备的Fe-Mn-Si基形状记忆钢都呈现为多晶体，前期的大量研究表明，与单晶态相比，多晶态Fe-Mn-Si基形状记忆钢的回复应变显著降低，通常都低于2.5％，这极大地限制了该类合金的应用。如何提高该类合金的形状记忆效应成为该领域过去30年的研究重点。

目前研究最广泛的提高形状记忆效应的方法为热机械处理：包括“训练”和奥氏体形变热处理。前者指一定周次的室温变形和高温退火的循环，后者指在马氏体开始转变温度(Ms点)以上温区进行小量变形。这两种热机械处理的方法都能显著提高Fe-Mn-Si基形状记忆钢的回复应变和回复应力。大量的研究表明，经过这两种方法处理的形状记忆钢的微观组织中存在大量的层错，这些层错可以辅助应力诱发马氏体的形成，使得变形过程中产生的应力诱发马氏体呈现出三个特点：(1)非常薄，宽度只有几纳米；(2)均匀分布；(3)在每个晶粒内只有一个变体。这类马氏体前端的肖克莱不全位错容易保留在晶粒内部，从而在退火的过程中能回复全部的应变，获得很高的回复应变。值得注意的是，热机械处理会不可避免地提高成本，并且对于某些形状比较复杂的成型部件，热机械处理无法实施。从本世纪初开始，相关研究人员发现在Fe-Mn-Si基形状记忆钢中析出碳化物，如NbC，TiC和VC等，也有利于提高其形状记忆效应。这种方法可以不受部件形状的限制，因而呈现出了良好的应用前景。但是至今报道的提升幅度都不大，其主要原因是相关研究人员只在原有合金成分的基础上添加碳化物的形成元素，而没有主动对合金成分进行重新设计，尤其没有考虑新添加的合金元素及其与原有主干合金元素的配比对形状记忆效应的影响。另一方面，Fe-Mn-Si基形状记忆钢主要作为结构材料进行应用，因而其强度、塑性等力学性能也非常重要，最理想的状态是既具有优异的形状记忆效应又具有高强度和高塑性，但是目前相关研究人员对于该类合金的力学性能关注较少。

综上所述，目前Fe-Mn-Si基形状记忆钢发展的主要目标是合金成分的优化设计，在保证其优良的力学性能的同时，尽可能提高形状记忆效应，即回复应力和回复应变。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种回复应力＞500MPa、回复应变＞4％的高强度高塑性的形状记忆钢及其制备方法。

技术方案

一种回复应力＞500MPa、回复应变＞4％的高强度高塑性的形状记忆钢，其特征在于：合金的质量百分比为：Mn：18％～24％，Si：4.5％～6.5％，Cr：7％～11％，Ni：4％～6％，V：0.08％～1.5％，C：0.02％～0.3％，余量为Fe。

一种所述回复应力＞500MPa、回复应变＞4％的高强度高塑性的形状记忆钢的制备方法，其特征在于步骤如下：