[发明专利]一种中温形变纳米奥氏体增强增塑钢及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属高强度和高塑性汽车钢板材、型材及棒线材技术领域，特别是提供了一种中温形变纳米奥氏体增强增塑钢及其制备方法，通过中温形变来稳定和细化亚稳奥氏体的纳米奥氏体和铁素体双相钢。该钢的奥氏体和铁素体尺寸在50-250nm的级别，低成本易生产，具有高强度高塑性，其屈服强度在0.6GPa-1.3GPa，抗拉强度在1.0GPa-1.5GPa，而塑性在20-50%。同时由于晶粒尺寸细化到了纳米级别，因而该钢具有较高的低温韧性。

技术背景

随着社会的发展和进步，汽车工业的发展有了巨大的飞跃，汽车用钢的要求及标准也在不断提高，汽车产业已经发展为国民经济重要支柱之一，推动着社会的进步和发展。节能减排是汽车钢发展的重要方向，通过降低汽车的重量和应用具有高强度和高塑性钢板是一种有效提高汽车安全性的方法。目前在汽车轻量化与节能减排要求的驱动下，国内外在第一代和第二代汽车用钢的基础上，投入大量人力物力进行新型高强度和高塑性汽车钢的研发。为了实现这一目的，美国材料学者在2007年提出了强塑积介于第一代汽车钢和第二代汽车钢的低成本高性能的第三代汽车钢，如图1所示。

第三代汽车用钢的基本目标为抗拉强度(R_m)为600-2000MPa，塑性(A)在15-50%的级别，即强塑积（R_m×A）不小于30GPa%，介于其性能介于第一代和第二代汽车用钢之间。从图1可以看出第一代汽车用钢和第二代汽车用钢主要组织分别为BCC和FCC结构。对于第三代汽车钢而言，它的组织则应该是具有高强特点的BCC相和较高组分的具有高塑性特点的FCC相的复合组织结构。图2所给出的各种汽车钢的强塑积与亚稳奥氏体含量间的近似线性关系也表明，具有高强特点的BCC相和较高组分的具有高塑性特点的FCC相的复合组织结构至少是第三代汽车钢的组织结构的一种，即铁素体与奥氏体双相组织是第三代汽车钢的一个非常具有前景的研发方向。

目前在国内外已经商业化的高塑性高强度TRIP钢就是铁素体与奥氏体双相钢的典型之一。但是传统TRIP钢中铁素体的晶粒尺寸在5-10μm，而奥氏体的晶粒尺寸也在1-2μm。因而传统TRIP钢的屈服强度仅仅达到500MPa上下的屈服强度和600-800MPa的抗拉强度。如果其晶粒尺寸得到进一步细化，那么钢的强度和塑性都会得到大幅度的提高。对于高强高塑性第三代汽车钢而言，目前国内外均是通过逆相变或淬火配分等热处理方式在钢中引入奥氏体进行组织调控，得到在马氏体或超细晶铁素体的基体上引入大量亚稳奥氏体的复合组织，从而显著提高钢的综合力学性能，达到甚至超过30GPa%的强塑积。但是这种仅仅靠热处理热处理方法得到的第三代汽车钢，晶粒或亚晶尺寸仅仅达到0.5-1μm。这样的晶粒尺寸仅仅使钢的强度达到1000MPa的水平，很难进一步提高。

根据对传统TRIP钢和第三代汽车钢的奥氏体稳定性结构与性能的理解，具有奥氏体组织的钢的塑性主要是钢中奥氏体的含量和钢中奥氏体的稳定性所决定的：奥氏体的体积分数越大、稳定性在一定的范围内越大，则钢的塑性越好。但是钢的强度则主要决定于钢的晶粒尺寸和钢中的位错密度。根据晶粒细化强化和位错强化理论，进一步细化钢中晶粒尺寸、增加位错密度和纳米析出等措施，可以大幅度提高钢的强度。传统的细化晶粒和提高位错密度的措施有很多，可以在工业流程上应用的有传统的热轧和冷轧。传统的热轧可以细化晶粒，但它的细化能力是有限的，进行能够达到10μm级别的水平，导致塑性和韧性都很差。而传统的冷轧可以通过减小晶粒尺寸和增加位错来提高钢的强度，但是钢的塑性会大幅度降低，一般冷轧钢的塑性仅仅在10%的水平，不利于钢板的进一步成形。因此为了进一步提高钢的强度，可以对具有铁素体和奥氏体的双相钢进行形变处理，一方面细化晶粒并增加位错密度，另一方面通过轧制细化奥氏体晶粒尺寸，增加奥氏体的稳定性，从而通过奥氏体的TRIP效应来提高钢的塑性。为此本发明提出逆相变与热变形相结合的处理方式，即先进行奥氏体逆相变处理，然后在奥氏体稳定的温度区间内进行形变，从而得到尺寸更小（纳米尺度），含量更多，而且稳定性更高的纳米亚稳奥氏体与纳米晶粒铁素体复合的双相高强高塑性钢。利用本发明思路得到的高强高塑性钢，比仅仅通过逆相变处理得到的高强高塑性钢的综合力学性能得到大幅度提升。比如屈服强度提高100-500MPa，抗拉强度提高100-400MPa，延伸率比传统冷轧钢板提高了20-30%。