[发明专利]一种亚稳多相构型化叠层复合钢及制备方法

说明书

本发明涉及复合钢材料加工技术领域，提供了一种亚稳多相构型化叠层复合钢及制备方法，包括夹心复合层，夹心复合层的表面分别连接有表面复合层，夹心复合层包括低碳钢层和中锰钢层，表面复合层为不锈钢层，两个表面复合层之间至少包括两张夹心复合层，分别为第一夹心复合层和第二夹心复合层；采用该技术方案，减少了复合钢的整体成本，不锈钢层的不锈钢材质避免夹心复合层被腐蚀，从而提升了复合钢的耐腐蚀性；第一夹心复合层和第二夹心复合层的构型化设计，同时结合其具备的强韧性，提升了复合钢的强韧性，并且有效提高了复合层间的微观塑性应变协调作用，增强界面影响区加工硬化能力，从而实现整体力学性能的优化升级。

技术领域

本发明涉及复合钢材料加工技术领域，具体涉及这一种亚稳多相构型化叠层复合钢。

背景技术

传统金属叠层复合材料是一类具有特殊组织结构和力学性能的金属材料，是复合材料的重要分支。通常由几种不同力学性能或理化性质的异质金属或特定形态材料经过不同构型复合方式形成较强界面结合而成，实现比单一基体材料更优异的综合力学性能(如强度、韧塑性)和一些独特的使役性能(如减震、抗穿透、耐应力腐蚀等)。

金属叠层复合材料在强韧化方面的优势，一直是其得以获得广泛工业应用的重要基础。1983年，斯坦福大学Kum等，通过焊后轧制法将高碳钢板与低碳钢复合，获得高碳钢与低碳钢叠层复合构型，大幅度提高冲击韧性，显著降低韧脆转变温度。2017年，浦项科技大学Park等采用热轧复合法制备出以TRIP钢为芯部基体层，低碳钢为双侧复合表层的TWIP复合三层板，获得抗拉强度545–878MPa，以及强塑积48–54GPa·％的综合力学性能匹配。2018年，四川大学Huang等同样利用热轧复合法制备纳米晶/微米晶叠层结构Cu-CuZn-Cu复合材料，利用界面影响区及其对强度–塑性匹配性能的尺度效应，获得优异综合性能。2021年，哈尔滨工业大学Li等通过将粗晶层、细晶层、及混合晶粒层，进行叠层复合制备，并优化不同复合层的厚度匹配，使叠层复合样品整体获得了极高的屈服强度，远超出了Hall-Petch关系和复合法则的预测值，形成了优化单相金属材料性能的新型同质金属的构型化复合设计策略。

同时，叠层复合材料制备用基体材料的高性能化研究也正在同步升级，2006年，德国马普所Frommeyer等报导一种具有较高强度和极佳塑性的Fe-Mn-Al-C高比强度相变/孪晶诱发塑性(TRIP/TWIP)钢，其微观组织以奥氏体为基体，在基体上层状分布着10～15％铁素体，以及少于10％纳米尺度к-型碳化物，强塑积可达60GPa·％，具有极佳的强度和塑性。2008年，日本学者Tsuzaki对0.4C-2Si-1Cr-1Mo中碳低合金钢进行500℃中温轧制处理，获得了以扁平状铁素体晶粒为基体，细小碳化物弥散分布其上的复合型微结构，其在低温区具有超高强度和极高的冲击韧性，即抗拉强度1800MPa和–50℃冲击韧性290J，比同等强度下均匀等轴晶结构高强钢的冲击韧性提高10倍以上。2015年，韩国学者Kim等报导了等轴状奥氏体晶粒基体，断续层状、以及弥散粒状硬脆B2-金属间化合物相穿插其间的组织形态，抗拉强度达1500MPa，均匀延伸率不低于25％的高比强度钢，其均匀延伸率是普通超高强度钢的5倍以上。2017年，钢铁研究总院Cao等研发的含中锰TRIP/TWIP钢，利用高温双相区轧制使得奥氏体与铁素体发生几何扁平化，后续冷却至室温后形成层片状铁素体与马氏体相间排列的层片双相组织，同时实现450J冲击韧性和1.2GPa抗拉强度的优异性能匹配，充分发挥层片状微观组织的超高韧性和良好综合力学性能特点。

纵观上述高强韧性叠层复合材料设计与复合基材的发展概况可知，构型化复合结构设计与高性能化复合基层材料开发是近年来高强韧化叠层复合材料研发的核心思路。其中，构型化设计尤以将等轴状组织向层状、多相、TRIP/TWIP组织转变的设计及可控制备技术探索为前沿。

但是，现有技术中的复合钢存在下述问题：一方面成本太高，少量成本较低的复合钢的耐腐蚀性能却有待提升；另一方面部分复合钢的强韧性能有待进一步提升；再一方面复合钢的复合层间的微观塑性应变协调作用较差，无法实现增强界面影响区加工硬化能力，从而无法实现整体力学性能的优化。