[发明专利]一种高强度块体316L不锈钢的制备方法

说明书

本发明提出了一种高强度块体316L不锈钢的制备方法，包括以下步骤：使用快速压缩设备沿块体316L不锈钢的x、y、z轴循环进行2到4次压缩，每次压缩后立即冷却至室温；每次改变压缩方向前对块体316L不锈钢进行退火处理。本发明制备方法处理块体316L不锈钢后，其孪晶体积分数高达60％，远高于只经单方向高速率变形后形成的孪晶的体积分数；块体316L不锈钢的屈服强度高达1560MPa，远远高于当前其他任何不借助添加合金元素或马氏体相变的方法可达到的屈服强度；本发明方法所用的快速压缩设备和退火处理设备具有选择范围广、投入成本低廉、易于控制等优点，降低了产品成本，利于工业化生产。

技术领域

本发明属于金属强化领域，特别涉及一种高强度块体316L不锈钢的制备方法。

背景技术

纯金属或合金的屈服强度会随着金属内部晶粒尺寸的减小而升高，这是因为随着晶粒尺寸减小，金属内部晶界的面积增加。在金属变形过程中，更多的晶界会增强对位错运动的阻碍作用，进而提高金属的屈服强度。当晶粒尺寸从毫米尺度到亚微米尺度变化时，金属材料的屈服强度与晶粒尺寸近似服从Hall-Petch关系：σ_y＝σ₀+kd^-1/2,式中,σ_y为屈服强度,σ₀为晶格摩擦阻力,k为常数,d为晶粒的直径。可以看出，金属材料的屈服强度与晶粒直径的平方根成反比。大量研究表明，即使当晶粒减小至纳米级别(小于100nm)时，Hall-Petch关系依然成立，因此制备含纳米晶粒的金属已成为金属强化领域的关键技术手段。

当前块体金属材料晶粒的细化过程主要通过使其发生塑性变形来实现。通常情况下，在塑性变形过程中晶体内会产生大量位错,一些位错通过重新分布在初始粗晶内聚集形成小角度晶界，将原始晶粒分割成尺寸更小的亚晶粒。随着变形继续，越来越多的位错在小角度晶界处聚集，使相邻亚晶粒的晶体取向差不断增大。最终这些亚晶粒逐渐发展成为具有随机晶体取向的细小晶粒，从而实现晶粒的细化。使金属发生严重塑性变形的工艺，如冷轧、等径角挤压、高压扭转等均通过上述过程，即在变形过程中产生大量位错使晶粒得到显著细化，因此，构成这些细小晶粒的晶界主要源自位错的聚集，具有较高的能量。随着晶粒尺寸减小，储存在晶界中的能量逐渐增加，成为晶粒长大的驱动力，促使细化后的晶粒又趋于长大。当这种使晶粒长大的驱动力与使晶粒细化的外界驱动力达到平衡时，晶粒的尺寸将趋于稳定，不再随着变形继续减小。因此通过严重塑性变形工艺只能将晶粒细化至有限的水平，通常为亚微米级别(≥100nm，细化后的晶粒称为超细晶)。

一些文献结果表明，提高变形速率或降低变形温度，可以抑制变形过程中位错的运动，使金属的变形机制从位错运动转变为生成孪晶。高速率变形后产生的孪晶通常以孪晶束的形式存在，孪晶束中孪晶与基体交替排列，他们之间的界面为孪晶界，相邻孪晶界的距离可以低至几个纳米。因此，由孪晶束的碎片化或是变形过程中在孪晶束中生成剪切带均可以使孪晶断裂成极细小的纳米晶(≤100nm)，原有的孪晶界直接变成纳米晶的晶界。由于孪晶界的能量远低于由位错形成的晶界的能量，因此生成的纳米晶晶界能量极低，这些能量不足以使细化后的纳米晶粒再发生长大现象。据此原理，一些学者利用高速率变形技术已将一些面心立方结构的金属如纯铜、Fe-25Mn钢、316L不锈钢的晶粒部分细化至40nm-100nm，并使这些材料由此获得了较高的屈服强度，如CN 103114185A公开的一种具有多尺度孪晶结构钢及其制备方法，采用表面机械研磨处理、激光处理、高压喷涂或喷丸等方法产生高应变速率，从而强化结构钢强度。

316L不锈钢由于具有优异的耐腐蚀性、抗氧化性以及良好的成型性，被广泛应用在生物医疗、石油化工、污水处理以及核能发电等领域，但屈服强度较低成为316L不锈钢在这些应用中的一个短板，退火态的316L不锈钢屈服强度通常只有150-300MPa。由于316L不锈钢层错能较低，易于在高应变速率变形中产生孪晶，因此快速压缩成为细化316L不锈钢晶粒、提高其屈服强度的有效方法，但目前简单的快速压缩只能将块体316L不锈钢中的少部分晶粒细化成纳米晶，对其屈服强度的提升作用十分有限。

发明内容