一种利用温轧析出
β-mn相强化twip钢的方法
技术领域
1.本发明涉及钢铁轧制及热处理技术领域，特别是一种利用温轧析出β-mn相强化twip钢的方法。
背景技术：2.twip钢(孪生诱发塑性钢)由于具有高的抗拉强度、优异的塑性变形能力、高的应变硬化率和高的能量吸收率从而引起汽车行业的广泛关注，被认为是有发展潜力的新型高强度汽车用钢，且已被应用于汽车安全零部件、耐冲击零部件、底盘零部件等的制造。然而，对于更高抗拉强度需求的工况如矿山支护等领域，现有twip钢的屈服强度和抗拉强度仍然较低，这限制了其进一步应用。
3.为了提升其屈服强度、抗拉强度，常用剧烈塑性变形和热处理方法强化twip钢。其中剧烈塑性变形的方法包括冷轧、高压扭转、喷丸等，这些方法虽可显著提升屈服强度和抗拉强度，但也降低了材料的塑性，且高压扭转、喷丸等工艺需要特殊的设备，生产成本高。
4.常见提升twip钢力学性能的热处理方法是采用高温固溶、长时间(通常大于10h)时效使twip钢析出κ’碳化物、β-mn相等强化相。这种方法虽然可显著提高twip钢的屈服强度和抗拉强度，但该方法通常只适用于高mn(质量百分比》30％)、高al(质量百分比》9％)含量的twip钢，且生产周期长，与此同时，κ’碳化物虽可起到弥散强化的作用，但在晶界处高硬度的β-mn相向奥氏体晶粒内部生长，产生应力集中，这会使材料在拉伸的弹性阶段发生过早断裂，降低材料的塑性。
5.也有研究者利用温轧对twip钢层错能的影响来调控位错和孪晶对twip钢强塑性的影响：随着轧制温度的升高，twip钢的层错能升高，其变形机制由孪晶诱导塑性变为位错平面滑移，同时材料会保留一定体积分数的孪晶。在室温拉伸时，温轧保留的孪晶可发生twip效应，有利于材料塑性的提高。然而，目前利用温轧制备的twip钢，当其抗拉强度达到1400mpa时，其断裂伸长率通常小于20％，这种高强度是通过形成大量位错塞积、位错缠结形成的，这会使材料中可动位错减少，降低材料的塑性。
6.综上，采用现有固溶、时效热处理工艺强化twip钢时，晶界处析出的β-mn相会向奥氏体晶粒内部长大，从而割裂晶粒，降低拉伸性能；而现有温轧工艺制备twip钢时，虽可提高材料的抗拉强度，但降低了其延伸率。单独利用上述两种方法均难以制备成高强、高塑性twip钢。
技术实现要素：7.为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种利用温轧析出β-mn相强化twip钢的方法，其利用温轧工艺使β-mn相沿晶界析出长大，而不向晶粒内部生长，即通过大变形量温轧控制β-mn的生长方向，使其对晶界处萌生的裂纹起抑制作用，保证了twip钢在提升抗拉强度的同时也保留高延伸率。
8.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种利用温轧析出β-mn相强化twip
钢的方法，包括按顺序进行的如下步骤：
9.s1均匀化退火处理；
10.s2热轧处理；
11.s3温轧处理：将热轧处理后的twip钢冷却至室温，然后放入500～650℃的热处理炉中保温20～40min，之后进行多道次温轧，直至温轧总压下量≥80％，且每道次温轧结束后重新放入500～650℃的热处理炉中保温3～8min，温轧结束后冷却至室温。
12.作为进一步的优选实施方案，所述均匀化退火处理的具体操作为：将twip钢放入1100～1200℃热处理炉中保温1～1.5h进行均匀化退火处理。
13.作为进一步的优选实施方案，所述热轧处理的具体操作为：取出均匀化退火处理后的twip钢，进行多道次热轧，每道次热轧结束后重新放入1100～1200℃热处理炉中保温10～15min。
14.作为进一步的优选实施方案，热轧过程中，保证twip钢终轧温度大于900℃。
15.作为进一步的优选实施方案，热轧处理时单道次压下量为15～25％，直至总压下量≥50％时结束热轧。
16.作为进一步的优选实施方案，twip钢在热轧结束后的冷却方式为空冷至室温。
17.作为进一步的优选实施方案，温轧处理时单道次压下量为5～10％。
18.作为进一步的优选实施方案，twip钢在温轧结束后的冷却方式为空冷至室温。
19.本发明的积极效果：
20.(1)本发明采用工业中成熟运用的轧制工艺，通过500-650℃多道次大变形量的温轧：一方面保证了晶界处生成的β-mn相不会向晶粒内部生长，避免脆硬相对晶粒的割裂作用；另一方面较高温轧温度使twip钢层错能提高，使温轧时变形机制为位错平面滑移，材料中累积大量位错，并为后续室温拉伸保留一定体积分数的孪晶。与此同时，本发明的温轧处理使twip钢内形成条带状晶粒，晶界处的β-mn相会诱使材料优先在晶界处发生分层开裂，而在断裂时β-mn相会抑制裂纹扩展。
21.本发明中关键的实现步骤是500-650℃温轧温度与多道次大轧制压下量(≥80％)的相互结合，其中500-650℃温度区间的轧制温度有利于c、al、mn等元素的扩散，在靠近晶界处会形成贫c区和富al区，al是铁素体稳定元素，而c为奥氏体稳定元素，因此晶界处会形成铁素体，将c及mn元素排出，从而便于β-mn的形成；单道次小下压量温轧，且每道次轧制后重新放入热处理炉保温有类似于时效的作用。总的大变形量使得twip钢中累积位错密度及变形过程中储存的变形能增加，在每道次间的保温过程中也有利于原子扩散，这些都有助于强化相的形成，且多道次大变形能够调控β-mn相的生长方向，使其不向晶粒内部生长，只沿晶界生长，有助于拉伸过程中延伸率的提高。
22.当温轧温度低于500℃时，原子活动能力差，β-mn形核的驱动力不足，此时没有β-mn相析出，而当温度高于650℃时，由于原子活动能力加剧，β-mn相会溶于奥氏体基体中。当轧制总变形量小于80％时储存的变形能少，不利于β-mn析出，即使析出少量β-mn相也不能使其沿晶界生长。
23.(2)本发明中所采用温轧工艺(较高温度+多道次+大压下量)在提升位错密度的同时能够促进β-mn相析出，且利用温轧控制β-mn的生长方向，使其对晶界处萌生的裂纹起抑制作用，保证twip钢在提升抗拉强度的同时也保留高延伸率，因此经本发明所述温轧处理
后的twip钢材料可以直接使用，而诸如公开号为cn 110951956 a等的专利文献中温轧/轧制工艺只能作为中间工艺，因为其温轧目的是为了细化晶粒，需要结合后续的退火/时效处理来调控晶粒尺寸以增加材料塑性。综上，本发明的温轧工艺及作用目的与现有温轧工艺及作用目的均不相同，本发明的温轧处理可以作为最终生产工艺，而现有温轧处理只能作为中间处理工艺。
24.(3)本发明的生产加工工艺简单，采用均匀化退火和后续轧制处理即可得到含β-mn相强化的twip钢。
25.(4)本发明制备过程清晰准确，有较高的生产效率，温轧温度从500-650℃且总下压量大于80％都可产生明显强化效果。
26.(5)实现本发明所述工艺设计的装置结构简单，工艺过程中也易于控制与调控参数，对设备及工人要求不高，便于工业化生产。
附图说明
27.图1是实施例1所获得twip钢的金相图；
28.图2a是实施例2所获得twip钢的显微组织图；
29.图2b是实施例3所获得twip钢的显微组织图；
30.图3a是实施例2所获得twip钢的位错；
31.图3b是实施例2所获得twip钢中的孪晶；
32.图3c是实施例2所获得twip钢中的β-mn强化相及奥氏体基体形貌；
33.图3d是实施例2所获得twip钢中的β-mn强化相衍射斑点；
34.图3e是实施例2所获得twip钢中的奥氏体基体衍射斑点；
35.图4是实施例1、实施例2、实施例3、对比例1及对比例2所获得twip钢的室温拉伸应力应变曲线。
36.图5a是实施例2所获得twip钢经室温拉伸后靠近断口侧面区域的形貌；
37.图5b是实施例2所获得twip钢经室温拉伸后远离断口侧面区域的形貌；
38.图5c是实施例2所获得twip钢经室温拉伸后断口正面区域晶界裂纹扩展、抑制形貌；
39.图5d是实施例2所获得twip钢经室温拉伸后断口正面区域裂纹放大形貌；
40.图6是对比例1所获得twip钢的形貌图；
41.图7是对比例2所获得twip钢的形貌图。
具体实施方式
42.本发明提供一种利用温轧析出β-mn相强化twip钢的方法，以简单轧制工艺调控β-mn相的生长，使β-mn相能更快析出(相较于固溶+时效工艺)，且能够保证第二相(β-mn相)不向晶粒内部生长，不会割裂晶粒，抑制晶界处裂纹扩展，即本发明利用特有温轧工艺调控位错和孪晶对twip钢强化的贡献，最终形成高强度、高塑性的twip钢。
43.利用本发明所述方法对twip钢进行加工时，热轧后仅进行温轧处理即可，无需退火/时效处理等后续工艺的处理，工艺简便，需要设备少且对设备要求低，性能稳定，具有广阔的应用前景。
44.本发明具体实施方式提供一种利用温轧析出β-mn相强化twip钢的方法，包括按顺序进行的如下步骤：
45.s1均匀化退火处理，具体操作为：将twip钢放入1100～1200℃热处理炉中保温1h进行均匀化退火处理，以消除铸造组织的不均匀；
46.s2热轧处理，具体操作为：取出均匀化退火处理后的twip钢，进行多道次热轧，每道次热轧结束后重新放入1100～1200℃热处理炉中保温10min；热轧过程中保证twip钢终轧温度大于900℃，热轧处理时单道次压下量为15～25％，直至总压下量≥50％时结束热轧。热轧处理过程中，热轧总压下量及单道次压下量可以根据生产进行调整，并不限于上述对应参数范围。
47.s3温轧处理：将热轧处理后的twip钢冷却至室温，然后放入500～650℃的热处理炉中保温20～40min，之后进行多道次温轧，直至温轧总压下量≥80％，且每道次温轧结束后重新放入500～650℃的热处理炉中保温3～8min，温轧结束后冷却至室温。其中单道次压下量为5～10％，若单道次压下量过大时会损失轧辊。一定要保证进行多道次小压下量温轧，且温轧总压下量达到80％及以上，只有在500～600℃温轧且达到该压下量时，才会使twip钢中产生强化相，并调整强化相的生长方向只沿晶界生长。
48.下面对本发明的优选实施例进行详细说明。
49.实施例1
50.本发明实施例1提供一种twip钢的处理方法，具体操作如下：
51.s1均匀化退火处理：在购买的热轧态商用twip钢(fe-0.6c-18mn-2al-0.5si-0.016p-0.002s,wt％)上切取30mm
×
40mm
×
24mm的矩形样品，并使用粒度为200#～800#的砂纸进行表面打磨，去除表面氧化皮。将箱式热处理炉升温至1100℃，而后将twip钢样品置于1100℃的高温热处理炉中，保温1h进行均匀化退火处理，以消除铸造组织的不均匀；
52.s2热轧处理，具体操作为：取出均匀化退火处理后的twip钢，进行多道次热轧，热轧处理时单道次压下量为20％，热轧过程中保证twip钢终轧温度大于900℃，每单道次热轧结束后重新放入1100℃热处理炉中保温10min；最终热轧至12mm，热轧压下量为50％。热轧后将twip钢取出空冷至室温，记为twip-1，其金相图如图1所示，其表明经热轧后材料晶界处还未有强化相形成。
53.实施例2
54.本发明优选实施例2提供一种利用温轧析出β-mn相强化twip钢的方法，所处理的样品为经实施例1处理后所获得的twip-1，所述方法包括如下步骤：
55.温轧处理：将空冷至室温的twip-1钢使用粒度为200#～800#的砂纸进行表面打磨，去除表面氧化皮。将热处理炉升温至600℃，将twip-1钢置于600℃热处理炉中保温，30min后取出进行温轧，其中单道次轧制压下量为10％，每道次温轧结束后重新放入600℃的箱式炉中，重新保温5min。最终温轧至2.4mm，温轧总压下量为80％。温轧后将twip钢取出空冷至室温，得到含β-mn相强化的twip钢，记为twip-2。经测试twip-2的抗拉强度高达1460mpa，断裂延伸率为38.1％。
56.从图4的拉伸曲线上明显的锯齿流可推测出，室温拉伸过程中twip-2出现明显twip效应。
57.由图2a的显微组织图可以看出，经本实施例2所述温轧处理后所获得的twip-2在
晶界处析出强化相，沿晶界分布，且未向晶粒内部生长。
58.由图3a的tem图像可以看出，twip-2材料内部存在大量位错，图3b说明twip-2材料内部存在孪晶，图3c图结合图3d图及图3e证明了β-mn相的衍射斑点和奥氏体基体的衍射斑点。
59.由图5a及图5b可清晰的看出，无论是靠近断口的裂纹还是远离断口的裂纹都是沿晶界开裂，β-mn相之间存在小的裂纹，但是并没有扩展很长距离，图5b可以清楚的看出裂纹萌生后，又止于强化相。从图5c、图5d中可以看出晶界处的裂纹沿图中左下倾斜箭头方向扩展，遇到相邻晶界(右上倾斜箭头所指示处)后，会被抑制住。
60.综上可以看出，经本发明方法处理后的twip钢(twip-2)与热轧态twip钢(twip-1)相比有着优异的强度-塑性组合，β-mn相起到了增强材料强塑性的作用，可极大促进工业应用。
61.实施例3
62.本发明优选实施例3提供一种利用温轧析出β-mn相强化twip钢的方法，所处理的样品为经实施例1处理后所获得的twip-1，所述方法包括如下步骤：
63.温轧处理：将空冷至室温的twip-1钢使用粒度为200#～800#的砂纸进行表面打磨，去除表面氧化皮。将热处理炉升温至650℃，将twip-1钢置于650℃热处理炉中保温，30min后取出进行温轧，单道次轧制压下量为10％，每道次温轧结束后重新放入650℃的箱式炉中，重新保温5min。最终温轧至2.4mm，温轧总压下量为80％。温轧后将twip钢取出空冷至室温，得到含β-mn相强化的twip钢，记为twip-3。经测试twip-3的抗拉强度高达1330mpa，断裂延伸率为49.2％。
64.从图4的拉伸曲线上明显的锯齿流可推测出，室温拉伸过程中twip-3出现明显twip效应。
65.由图2b的显微组织图可以看出，经本实施例3所述温轧处理后所获得的twip-3在晶界处析出强化相，沿晶界分布，且未向晶粒内部生长。
66.可以看出经本发明方法处理后的twip钢(twip-3)与热轧态twip钢(twip-1)相比有着优异的强度-塑性组合，β-mn相起到了增强材料强塑性的作用，可极大促进工业应用。
67.对比例1
68.本对比例1提供一种强化twip钢的方法，所处理的样品为经实施例1处理后所获得的twip-1，所述方法包括如下步骤：
69.温轧处理：将空冷至室温的twip-1钢使用粒度为200#～800#的砂纸进行表面打磨，去除表面氧化皮。将热处理炉升温至400℃，将twip-1钢置于400℃热处理炉中保温，30min后取出进行温轧，单道次轧制压下量为10％，每道次温轧结束后重新放入400℃的箱式炉中，重新保温5min。最终温轧至2.4mm，温轧总压下量为80％。温轧后将twip钢取出空冷至室温，得到不含β-mn相强化的twip钢(如图6形貌图所示)，记为twip-4。经测试twip-4的抗拉强度高达1900mpa，但断裂延伸率仅为11％。从图4的拉伸曲线可以看出材料twip-4虽然有很高的抗拉强度，但是塑性变形能力极差，对于材料的实际应用有较大的限制。由此可见，单纯的保证温轧总下压量而过度降低温轧温度不能获得具有本发明所述有益效果的twip产品。
70.对比例2
71.本对比例2提供一种强化twip钢的方法，所处理的样品为经实施例1处理后所获得的twip-1，所述方法包括如下步骤：
72.温轧处理：将空冷至室温的twip-1钢使用粒度为200#～800#的砂纸进行表面打磨，去除表面氧化皮。将热处理炉升温至600℃，将twip-1钢置于600℃热处理炉中保温，30min后取出进行温轧，单道次轧制压下量为10％，每道次温轧结束后重新放入600℃的箱式炉中，重新保温5min。最终温轧至7.2mm，温轧总压下量为60％，温轧后将twip钢取出空冷至室温。如图7所示，虽然得到含少量β-mn相强化的twip钢，但β-mn相会向奥氏体晶粒内部长大，从而割裂晶粒，降低拉伸性能。此对比例2获得的twip钢抗拉强度约为1110mpa，断裂延伸率为30％。
73.实施例4
74.本发明实施例4提供一种利用温轧析出β-mn相强化twip钢的方法，具体操作如下：
75.s1均匀化退火处理：在购买的热轧态商用twip钢(fe-0.4c-20mn-1.8al-0.6si-0.014p-0.002s,wt％)上切取30mm
×
40mm
×
24mm的矩形样品，并使用粒度为200#～800#的砂纸进行表面打磨，去除表面氧化皮。将箱式热处理炉升温至1200℃，而后将twip钢样品置于1200℃的高温热处理炉中，保温1.5h进行均匀化退火处理，以消除铸造组织的不均匀；
76.s2热轧处理，具体操作为：取出均匀化退火处理后的twip钢，进行多道次热轧，热轧处理时单道次压下量为15％，热轧过程中保证twip钢终轧温度大于900℃，每单道次热轧结束后重新放入1200℃热处理炉中保温15min；最终热轧至9.6mm，热轧压下量为60％。热轧后将twip钢取出空冷至室温，其金相图表明经此热轧后材料晶界处还未有强化相形成。
77.s3温轧处理：将空冷至室温的twip钢使用粒度为200#～800#的砂纸进行表面打磨，去除表面氧化皮。将热处理炉升温至500℃，将twip-1钢置于500℃热处理炉中保温，30min后取出进行温轧，其中单道次轧制压下量为8％，每道次温轧结束后重新放入500℃的箱式炉中，重新保温3min。最终温轧至1.44mm，温轧总压下量为85％。温轧后将twip钢取出空冷至室温，得到含β-mn相强化的twip钢，且强化相在晶界处析出，沿晶界分布，未向晶粒内部生长。
78.实施例5
79.本发明实施例5提供一种利用温轧析出β-mn相强化twip钢的方法，具体操作如下：
80.s1均匀化退火处理：在购买的热轧态商用twip钢(fe-0.35c-25mn-2al-0.6si-0.015p-0.002s,wt％)上切取30mm
×
40mm
×
24mm的矩形样品，并使用粒度为200#～800#的砂纸进行表面打磨，去除表面氧化皮。将箱式热处理炉升温至1150℃，而后将twip钢样品置于1150℃的高温热处理炉中，保温1.2h进行均匀化退火处理，以消除铸造组织的不均匀；
81.s2热轧处理，具体操作为：取出均匀化退火处理后的twip钢，进行多道次热轧，热轧处理时单道次压下量为25％，热轧过程中保证twip钢终轧温度大于900℃，每单道次热轧结束后重新放入1150℃热处理炉中保温12min；最终热轧至12mm，热轧压下量为50％。热轧后将twip钢取出空冷至室温，其金相图表明经此热轧后材料晶界处还未有强化相形成。
82.s3温轧处理：将空冷至室温的twip钢使用粒度为200#～800#的砂纸进行表面打磨，去除表面氧化皮。将热处理炉升温至550℃，将twip-1钢置于550℃热处理炉中保温，30min后取出进行温轧，其中单道次轧制压下量为5％，每道次温轧结束后重新放入550℃的箱式炉中，重新保温8min。最终温轧至2.4mm，温轧总压下量为80％。温轧后将twip钢取出空
冷至室温，得到含β-mn相强化的twip钢，且强化相在晶界处析出，沿晶界分布，未向晶粒内部生长。
83.以上所述的仅为本发明的优选实施例，所应理解的是，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的思想和原则之内所做的任何修改、等同替换等等，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种利用温轧析出β-mn相强化twip钢的方法，其特征在于，包括按顺序进行的如下步骤：s1均匀化退火处理；s2热轧处理；s3温轧处理：将热轧处理后的twip钢冷却至室温，然后放入500～650℃的热处理炉中保温20～40min，之后进行多道次温轧，直至温轧总压下量≥80％，且每道次温轧结束后重新放入500～650℃的热处理炉中保温3～8min，温轧结束后冷却至室温。2.根据权利要求1所述的一种利用温轧析出β-mn相强化twip钢的方法，其特征在于：所述均匀化退火处理的具体操作为：将twip钢放入1100～1200℃热处理炉中保温1～1.5h进行均匀化退火处理。3.根据权利要求1所述的一种利用温轧析出β-mn相强化twip钢的方法，其特征在于：所述热轧处理的具体操作为：取出均匀化退火处理后的twip钢，进行多道次热轧，每道次热轧结束后重新放入1100～1200℃热处理炉中保温10～15min。4.根据权利要求3所述的一种利用温轧析出β-mn相强化twip钢的方法，其特征在于：热轧过程中，保证twip钢终轧温度大于900℃。5.根据权利要求3所述的一种利用温轧析出β-mn相强化twip钢的方法，其特征在于：热轧处理时单道次压下量为15～25％，直至总压下量≥50％时结束热轧。6.根据权利要求1所述的一种利用温轧析出β-mn相强化twip钢的方法，其特征在于：twip钢在热轧结束后的冷却方式为空冷至室温。7.根据权利要求1所述的一种利用温轧析出β-mn相强化twip钢的方法，其特征在于：温轧处理时单道次压下量为5～10％。8.根据权利要求1所述的一种利用温轧析出β-mn相强化twip钢的方法，其特征在于：twip钢在温轧结束后的冷却方式为空冷至室温。
技术总结本发明提供了一种利用温轧析出β-Mn相强化TWIP钢的方法，包括按顺序进行的如下步骤：S1均匀化退火处理；S2热轧处理；S3温轧处理：将热轧处理后的TWIP钢放入500～650℃的热处理炉中保温，之后进行多道次温轧，直至温轧总压下量≥80％，且每道次温轧结束后重新放入500～650℃的热处理炉中保温，温轧结束后冷却至室温。本发明利用温轧工艺使β-Mn相沿晶界析出长大，而不向晶粒内部生长，即通过大变形量温轧控制β-Mn的生长方向，使其对晶界处萌生的裂纹起抑制作用，保证了TWIP钢在提升抗拉强度的同时也保留高延伸率。度的同时也保留高延伸率。度的同时也保留高延伸率。
技术研发人员：曹梅青 陈鹏涛 谢鲲 夏鹏成 岳丽杰 温将云
受保护的技术使用者：山东科技大学
技术研发日：2022.06.23
技术公布日：2022/11/1
