本發(fā)明屬于材料加工領(lǐng)域，具體涉及一種高強(qiáng)塑積TRIP鋼棒材及等通道轉(zhuǎn)角擠壓制備方法。

背景技術(shù)：

目前，我國的汽車行業(yè)已經(jīng)處于發(fā)展的快車道，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展對高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用的驅(qū)動力越來越大；而且汽車工業(yè)對輕量化、安全、排放、成本控制及燃油經(jīng)濟(jì)性要求越來越高，這就驅(qū)使汽車工業(yè)采用高強(qiáng)度鋼板和一些高強(qiáng)度輕量化材料。而相變誘發(fā)塑性鋼(Transformation Induced Plasticity，TRIP)就屬于這類材料，TRIP鋼的出現(xiàn)為解決強(qiáng)度和塑性的矛盾提供了方向，TRIP鋼的本質(zhì)是通過相變誘發(fā)塑性效應(yīng)，使得鋼材中奧氏體在塑性變形過程中誘發(fā)馬氏體生核和長大，并產(chǎn)生局部硬化，繼而變形不再集中在局部，使相變均勻擴(kuò)散到整個(gè)材料以提高鋼板的強(qiáng)度和塑性。TRIP鋼板具有高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，延展性強(qiáng)，沖壓成形能力高，其中，第一代高強(qiáng)鋼-常規(guī)TRIP鋼的強(qiáng)塑積一般在15-20GPa％，第三代高強(qiáng)鋼-中錳TRIP鋼的強(qiáng)塑積在20-40GPa％，用作汽車鋼板可減輕車重，降低油耗，同時(shí)能量吸收的能力強(qiáng)，能夠抵御撞擊時(shí)的塑性變形，顯著提高了汽車的安全等級。如何提高細(xì)晶材料的塑性、韌性以及加工硬化能力，已成為國內(nèi)外金屬材料領(lǐng)域普遍關(guān)注的重大科學(xué)問題。

在常規(guī)TRIP鋼組織中，相對于鐵素體，合金元素的固溶強(qiáng)化和碳元素的富集使得殘余奧氏體作為一種硬相組織而存在，變形過程中，分配在殘余奧氏體的應(yīng)力/應(yīng)變相對集中，過早的形變誘導(dǎo)奧氏體相變影響TRIP效應(yīng)對塑性、韌性以及加工硬化能力的提高。于是需要找到一種分散殘余奧氏體過早應(yīng)力/應(yīng)變集中的方法，在不添加合金元素的前提下，細(xì)化鐵素體晶粒是一種分散殘余奧氏體過早應(yīng)力/應(yīng)變集中的方法，同時(shí)，細(xì)化的殘余奧氏體具有較高的穩(wěn)定性。

等通道轉(zhuǎn)角擠壓變形(Equal Channel Angular Pressing，簡稱ECAP)屬于劇烈塑性變形(Severe Plastic Deformation，簡稱SPD)技術(shù)的一種，它在不改變材料橫截面積的情況下，以純剪切方式實(shí)現(xiàn)對材料的大塑性變形，每一道次的ECAP變形都會給試樣施加非常均勻的強(qiáng)烈應(yīng)變，多道次ECAP變形可實(shí)現(xiàn)非常大的累計(jì)應(yīng)變，從而可以獲得亞微米晶甚至納米晶材料。所以，等通道轉(zhuǎn)角擠壓變形(ECAP)技術(shù)作為制備塊狀亞微米或納米材料的有效方法，經(jīng)常被用于制備超細(xì)晶材料。

TRIP鋼的熱處理工藝分為兩步：(1)臨界區(qū)退火；(2)貝氏體區(qū)等溫保溫，隨后空冷至室溫。本專利通過ECAP變形結(jié)合適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?，可以有效?xì)化材料的晶粒尺寸，在通過細(xì)化鐵素體晶粒來分散殘余奧氏體過早應(yīng)力/應(yīng)變集中的同時(shí)，細(xì)化的殘余奧氏體能提高其穩(wěn)定性，綜合提高TRIP鋼棒材的力學(xué)性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種一種高強(qiáng)塑積TRIP鋼棒材及等通道轉(zhuǎn)角擠壓制備方法；通過合理設(shè)計(jì)鋼的成分，經(jīng)煉鋼-鍛造-熱軋-機(jī)加工圓棒-等通道轉(zhuǎn)角擠壓-TRIP工藝熱處理，目的是通過等通道轉(zhuǎn)角擠壓變形細(xì)化晶粒并結(jié)合適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?，制成具有高?qiáng)塑積的低碳硅錳系TRIP鋼棒材。

本發(fā)明的高強(qiáng)塑積TRIP鋼棒材，其化學(xué)組分的質(zhì)量百分含量為：C：0.15～0.20％，Mn：1.30～1.50％，Si：0.50～0.70％，Al：0.50～0.60％，Nb：0.02～0.05％，S：＜0.01％，P：＜0.01％，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。

所述的高強(qiáng)塑積TRIP鋼棒材，其直徑為10±0.3mm。

所述的高強(qiáng)塑積TRIP鋼棒材，其抗拉強(qiáng)度為720～760MPa，延伸率為34～40％，強(qiáng)塑積為25～30GPa·％。

本發(fā)明的高強(qiáng)塑積TRIP鋼棒材的等通道轉(zhuǎn)角擠壓制備方法，包括以下步驟：

步驟1，制備板坯：

按照高強(qiáng)塑積TRIP鋼棒材的成分進(jìn)行冶煉和鑄造后，鍛造成板坯；

步驟2，熱軋：

(1)將板坯，在1200～1250℃保溫2～3h；

(2)將保溫后的板坯，立即進(jìn)行多道次熱軋后，空冷至室溫，制得熱軋板；其中，終軋溫度為900～950℃，總累計(jì)壓下率為56～64％；

步驟3，等通道轉(zhuǎn)角擠壓：

從熱軋板上車削出棒材，進(jìn)行等通道轉(zhuǎn)角擠壓，制得擠壓棒材；其中，等通道轉(zhuǎn)角擠壓的路徑采用路徑C方式，擠壓溫度為380～420℃，擠壓力為45～55MPa，擠壓速度為4～6mm/min，如果擠壓道次大于1次，則每道次擠壓后，在進(jìn)樣口棒材旋轉(zhuǎn)180°后進(jìn)行下一道次擠壓；

步驟4，兩步熱處理：

將擠壓棒材，在兩相區(qū)溫度下保溫后，迅速淬火至貝氏體區(qū)保溫，最后空冷至室溫，制得高強(qiáng)塑積TRIP鋼棒材。

所述的步驟1中，鍛造加熱溫度為1180～1220℃，保溫時(shí)間1.5～2.5h，鍛造變形溫度為950～1100℃，鍛造成厚度為30～35mm的板坯。

所述的步驟2(2)中，共進(jìn)行3～5道次熱軋。

所述的步驟2(2)中，單道次壓下率為20～25％。

所述的步驟2(2)中，熱軋板厚度為11～13mm。

所述的步驟3中，共進(jìn)行1～4道次等通道轉(zhuǎn)角擠壓。

所述的步驟3中，路徑C方式是指金屬棒材在擠壓一道次后，下一道次旋轉(zhuǎn)180度后擠壓。

所述的步驟4中，兩相區(qū)溫度為780～820℃，兩相區(qū)保溫4～6min。

所述的步驟4中，兩相區(qū)保溫在氯化鹽的鹽浴爐中進(jìn)行。

所述的步驟4中，貝氏體區(qū)溫度為380～430℃，貝氏體區(qū)保溫2～5min。

所述的步驟4中，貝氏體區(qū)保溫在硝酸鹽的鹽浴爐中進(jìn)行。所述的硝酸鹽為亞硝酸鈉與硝酸鉀的混合物。

本發(fā)明的高強(qiáng)塑積TRIP鋼棒材，成分設(shè)計(jì)合理，在添加C、Si和Mn的基礎(chǔ)上，以Al部分取代Si降低鋼中的硅含量，同時(shí)添加少量的微合金元素Nb。其中，C元素主要有利于提高奧氏體的穩(wěn)定性，Si不溶于滲碳體，在提高奧氏體穩(wěn)定性的同時(shí)還可以起到較強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用，以Al部分代替Si有利于提高棒材材的表面性能，Nb的加入可細(xì)化晶粒，使得鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度有所提高。

本發(fā)明的高強(qiáng)塑積TRIP鋼棒材的等通道轉(zhuǎn)角擠壓制備方法，利用等通道轉(zhuǎn)角擠壓(ECAP)使材料發(fā)生劇烈的塑性變形，充分細(xì)化材料的晶粒尺寸，隨后結(jié)合適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?，使?shí)驗(yàn)鋼在兩相區(qū)退火，再淬入貝氏體區(qū)等溫，最后空冷至室溫，在通過細(xì)化鐵素體晶粒來分散殘余奧氏體過早應(yīng)力/應(yīng)變集中的同時(shí)，細(xì)化的殘余奧氏體能提高其穩(wěn)定性，從而提高其綜合力學(xué)性能。

本發(fā)明制備的高強(qiáng)塑積低碳硅錳系TRIP鋼棒材將強(qiáng)度與塑性有效地結(jié)合在一起，綜合力學(xué)性能優(yōu)越：本發(fā)明的高強(qiáng)塑積低碳硅錳系TRIP鋼棒材，其抗拉強(qiáng)度為720～760MPa，延伸率為34～40％，強(qiáng)塑積為25～30GPa·％；而傳統(tǒng)工藝未ECAP變形+TRIP熱處理工藝的棒材的抗拉強(qiáng)度為768MPa，延伸率為28.2％，強(qiáng)塑積為21.6GPa·％；可見，本發(fā)明方法制備的高強(qiáng)塑積低碳硅錳系TRIP鋼棒材，相比傳統(tǒng)工藝提高了15～40％。

附圖說明

圖1本發(fā)明實(shí)施例2～4的高強(qiáng)塑積TRIP鋼棒材的等通道轉(zhuǎn)角擠壓制備方法中的等通道轉(zhuǎn)角擠壓(ECAP)原理示意圖；

圖2本發(fā)明實(shí)施例2～4的高強(qiáng)塑積TRIP鋼棒材的等通道轉(zhuǎn)角擠壓制備方法中對應(yīng)步驟4兩相區(qū)退火熱處理工藝示意圖；

圖3本發(fā)明實(shí)施例2～4制備的高強(qiáng)塑積TRIP鋼棒材和對比例制備的實(shí)驗(yàn)參照用的TRIP鋼棒材進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)拉伸試樣示意圖；

圖4本發(fā)明實(shí)施例2～4制備的高強(qiáng)塑積TRIP鋼棒材和對比例制備的實(shí)驗(yàn)參照用的TRIP鋼棒材拉伸變形前的金相顯微組織(OM)圖；其中，(a)對應(yīng)對比例，(b)對應(yīng)實(shí)施例2，(c)對應(yīng)實(shí)施例3，(d)對應(yīng)實(shí)施例4；

圖5本發(fā)明實(shí)施例2～4制備的高強(qiáng)塑積TRIP鋼棒材和對比例制備的實(shí)驗(yàn)參照用的TRIP鋼棒材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。

具體實(shí)施方式

以下實(shí)施例中采用的軋機(jī)來自東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(RAL)的Φ450mm熱軋機(jī)組。

以下實(shí)施例中采用的等通道轉(zhuǎn)角擠壓設(shè)備來自澳大利亞墨爾本大學(xué)。

以下實(shí)施例中進(jìn)行室溫單向拉伸的設(shè)備是東北大學(xué)ATM實(shí)驗(yàn)室從日本株式會社島津制作所購買的100kN電子萬能試驗(yàn)機(jī)，型號規(guī)格為AG-Xplus100kN。

以下實(shí)施例中觀測金相組織的設(shè)備為OLYMPUS-GSX500光學(xué)顯微鏡。

以下實(shí)施例中觀測微觀組織的設(shè)備為SSX-550掃描電子顯微鏡、FEI TecnaiG2F20S-TWIN型場發(fā)射透射電鏡。

以下實(shí)施例中殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)的測定設(shè)備為Smartlab X射線衍射儀。

以下實(shí)施例中兩步熱處理采用的是井式鹽浴爐，兩相區(qū)退火用的是氯化鈉，貝氏體保溫時(shí)用的是亞硝酸鈉與硝酸鉀組成的硝酸鹽。

以下實(shí)施例中，將制備的高強(qiáng)塑積TRIP鋼棒材和實(shí)驗(yàn)參照用的TRIP鋼棒材加工成尺寸如圖3所示的拉伸試樣，再進(jìn)行熱處理，用砂紙進(jìn)行打磨，隨后進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，拉伸速度為1mm/min直至拉斷，整個(gè)過程由計(jì)算機(jī)程序自動控制。

以下實(shí)施例中，在拉伸試樣斷口附近切取部分試樣，用砂紙磨光，在電解拋光機(jī)上拋光，拋光液為900ml酒精與60ml高氯酸的混合液，拋光電壓為25V，拋光時(shí)間為20s，拋光完成后用酒精進(jìn)行沖洗；然后用4％的硝酸酒精對試樣進(jìn)行腐蝕，腐蝕時(shí)間為7s，腐蝕完成后用酒精進(jìn)行沖洗。

以下實(shí)施例2～4的高強(qiáng)塑積TRIP鋼棒材的等通道轉(zhuǎn)角擠壓制備方法中的等通道轉(zhuǎn)角擠壓(ECAP)原理示意圖如圖1所示。

以下實(shí)施例2～4的高強(qiáng)塑積TRIP鋼棒材的等通道轉(zhuǎn)角擠壓制備方法中對應(yīng)步驟4兩相區(qū)退火熱處理工藝示意圖如圖2所示。

對比例

一種作為實(shí)驗(yàn)參照用的TRIP鋼棒材，其化學(xué)組分的質(zhì)量百分含量為：C：0.18％，Mn：1.39％，Si：0.66％，Al：0.58％，Nb：0.036％，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。

上述實(shí)驗(yàn)參照用的TRIP鋼棒材的制備方法，包括以下步驟：

步驟1，制備板坯：

(1)按照實(shí)驗(yàn)參照用的TRIP鋼棒材的成分配料冶煉和鑄造后，鍛造成30×80×120mm板坯，其中鍛造加熱溫度為1180℃，保溫時(shí)間1.5h，鍛造變形溫度為950～1100℃；

步驟2，熱軋：

(1)將板坯，在1200℃保溫2h；

(2)將保溫后的板坯，立即進(jìn)行4道次熱軋后，空冷至室溫，制得厚度為11mm的熱軋板；其中，終軋溫度為900℃，總累計(jì)壓下率為63％，單道次壓下率為20％以上；

步驟3，兩步熱處理：

從熱軋板上車削出尺寸為Φ10×70mm的棒材，隨后將棒材不進(jìn)行ECAP變形，直接在兩相區(qū)溫度800℃下保溫5min后，迅速淬火至貝氏體區(qū)溫度400℃保溫3min，最后空冷至室溫，制得實(shí)驗(yàn)參照用的TRIP鋼棒材。

本實(shí)施例制備的實(shí)驗(yàn)參照用的TRIP鋼棒材，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，其拉伸變形前的金相顯微組織(OM)如圖4(a)所示，應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5中曲線(未ECAP變形+TRIP工藝熱處理)所示，該鋼屈服強(qiáng)度為511MPa，抗拉強(qiáng)度為768MPa，延伸率為28.2％，強(qiáng)塑積為21.6GPa·％。

實(shí)施例2

一種高強(qiáng)塑積TRIP鋼棒材，其化學(xué)組分的質(zhì)量百分含量為：C：0.18％，Mn：1.39％，Si：0.66％，Al：0.58％，Nb：0.036％，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。

上述的高強(qiáng)塑積TRIP鋼棒材的等通道轉(zhuǎn)角擠壓制備方法，包括以下步驟：

步驟1，制備板坯：

按照實(shí)驗(yàn)參照用的TRIP鋼棒材的成分配料冶煉和鑄造后，鍛造成30×80×120mm板坯，其中鍛造加熱溫度為1180℃，保溫時(shí)間2.5h，鍛造變形溫度為950-1100℃；

步驟2，熱軋：

(1)將板坯，在1200℃保溫3.0h；

(2)將保溫后的板坯，立即進(jìn)行4道次熱軋后，空冷至室溫，制得厚度為12mm的熱軋板；其中，終軋溫度為920℃，總累計(jì)壓下率為60％，單道次壓下率為20％以上；

步驟3，等通道轉(zhuǎn)角擠壓：

從熱軋板上車削出尺寸為Φ10×70mm的棒材，進(jìn)行1道次等通道轉(zhuǎn)角擠壓，制得擠壓棒材；其中，等通道轉(zhuǎn)角擠壓的路徑采用路徑C方式，擠壓溫度為400℃，擠壓力為50MPa，擠壓速度為5mm/min；

步驟4，兩步熱處理：

將擠壓棒材，在兩相區(qū)800℃下保溫5min后，迅速淬火至貝氏體區(qū)溫度400℃保溫3min，最后空冷至室溫，制得高強(qiáng)塑積TRIP鋼棒材。

本實(shí)施例制備的高強(qiáng)塑積TRIP鋼棒材，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，其拉伸變形前的金相顯微組織(OM)如圖4(b)所示，應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5中曲線(1道次ECAP變形+TRIP工藝熱處理)所示，該鋼屈服強(qiáng)度為617MPa，抗拉強(qiáng)度為755MPa，延伸率為34.2％，強(qiáng)塑積為25.8GPa·％。

實(shí)施例3

一種高強(qiáng)塑積TRIP鋼棒材，其化學(xué)組分的質(zhì)量百分含量為：C：0.18％，Mn：1.39％，Si：0.66％，Al：0.58％，Nb：0.036％，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。

上述的高強(qiáng)塑積TRIP鋼棒材的等通道轉(zhuǎn)角擠壓制備方法，包括以下步驟：

步驟1，制備板坯：

按照實(shí)驗(yàn)參照用的TRIP鋼棒材的成分配料冶煉和鑄造后，鍛造成30×80×120mm板坯，其中鍛造加熱溫度為1200℃，保溫時(shí)間2.5h，鍛造變形溫度為950～1100℃；

步驟2，熱軋：

(1)將板坯，在1250℃保溫2h；

(2)將保溫后的板坯，立即進(jìn)行4道次熱軋后，空冷至室溫，制得厚度為13mm的熱軋板；其中，終軋溫度為950℃，總累計(jì)壓下率為56％，單道次壓下率為20％以上；

步驟3，等通道轉(zhuǎn)角擠壓：

從熱軋板上車削出尺寸為Φ10×70mm的棒材，進(jìn)行2道次等通道轉(zhuǎn)角擠壓，制得擠壓棒材；其中，等通道轉(zhuǎn)角擠壓的路徑采用路徑C方式，擠壓溫度為400℃，擠壓力為50MPa，擠壓速度為5mm/min，第1道次擠壓后，在進(jìn)樣口棒材旋轉(zhuǎn)180°后進(jìn)行第2道次擠壓；

步驟4，兩步熱處理：

將擠壓棒材，在兩相區(qū)800℃下保溫5min后，迅速淬火至貝氏體區(qū)溫度400℃保溫3min，最后空冷至室溫，制得高強(qiáng)塑積TRIP鋼棒材。

本實(shí)施例制備的高強(qiáng)塑積TRIP鋼棒材，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，其拉伸變形前的金相顯微組織(OM)如圖4(c)所示，應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5中曲線(2道次ECAP變形+TRIP工藝熱處理)所示，該鋼屈服強(qiáng)度為584MPa，抗拉強(qiáng)度為725MPa，延伸率為36.5％，強(qiáng)塑積為26.4GPa·％。

實(shí)施例4

一種高強(qiáng)塑積TRIP鋼棒材，其化學(xué)組分的質(zhì)量百分含量為：C：0.18％，Mn：1.39％，Si：0.66％，Al：0.58％，Nb：0.036％，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。

上述的高強(qiáng)塑積TRIP鋼棒材的等通道轉(zhuǎn)角擠壓制備方法，包括以下步驟：

步驟1，制備板坯：

按照實(shí)驗(yàn)參照用的TRIP鋼棒材的成分配料冶煉和鑄造后，鍛造成30×80×120mm板坯，其中鍛造加熱溫度為1200℃，保溫時(shí)間2.0h，鍛造變形溫度為950～1100℃；

步驟2，熱軋：

(1)將板坯，在1220℃保溫2h；

(2)將保溫后的板坯，立即進(jìn)行4道次熱軋后，空冷至室溫，制得厚度為11mm的熱軋板；其中，終軋溫度為920℃，總累計(jì)壓下率為63％，單道次累計(jì)下壓率為20％以上；

步驟3，等通道轉(zhuǎn)角擠壓：

從熱軋板上車削出尺寸為Φ10×70mm的棒材，進(jìn)行4道次等通道轉(zhuǎn)角擠壓，制得擠壓棒材；其中，等通道轉(zhuǎn)角擠壓的路徑采用路徑C方式，擠壓溫度為400℃，擠壓力為50MPa，擠壓速度為5mm/min，每次擠壓后，在進(jìn)樣口棒材旋轉(zhuǎn)180°后進(jìn)行下一道次擠壓；

步驟4，兩步熱處理：

將擠壓棒材，在兩相區(qū)800℃下保溫5min后，迅速淬火至貝氏體區(qū)溫度400℃保溫3min，最后空冷至室溫，制得高強(qiáng)塑積TRIP鋼棒材。

本實(shí)施例制備的高強(qiáng)塑積TRIP鋼棒材，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，其拉伸變形前的金相顯微組織(OM)如圖4(d)所示，X射線衍射結(jié)果如圖5中曲線4所示，應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5中曲線(4道次ECAP變形+TRIP工藝熱處理)所示，該鋼屈服強(qiáng)度為635MPa，抗拉強(qiáng)度為739MPa，延伸率為39.8％，強(qiáng)塑積為29.4GPa·％。