[发明专利]一种纳米级金属间化合物析出强化的马氏体时效钢及其制备方法

说明书

本发明涉及一种纳米级金属间化合物析出强化的马氏体时效钢及其制备方法。本发明提供的马氏体时效钢中，按重量百分比所述马氏体时效钢的化学成分为0.05‑0.20％C，0.10‑1.5％Si，Mn≤8％，Mo≤5％，2.5‑5％Al，5‑16％Ni，V+Nb+Ti≤0.5％，Cu≤1.0％，B≤0.1％，余量为Fe和微量不可避免的杂质。其制备方法包括步骤：(1)熔炼成铸态坯料、(2)奥氏体再结晶区大变形轧制、(3)固溶处理、(4)时效处理。本发明提供的方法可以可以显著提高马氏体时效钢的强度与塑性；使用价廉质轻的Mn、Al等合金元素代替传统马氏体时效钢中昂贵的Co、Ti等，并可添加传统马氏体时效钢所避免的C元素，制备工艺简化，材料成本大幅度降低。

技术领域

本发明属于一种纳米级金属间化合物析出强化的马氏体时效钢及其制备方法。

背景技术

钢铁材料作为一种最常用的金属材料，被广泛应用于建筑等基础设施、机械制造业和交通运输等行业，是工业生产和人民生活中最广泛使用的结构材料，在人类的生产和生活中具有非常重要的作用。目前所生产的大多数钢铁材料，多未能充分地利用材料的力学性能，强度级别普遍不高，其强度只有理论强度的1/6-1/7，存在着巨大的提升空间。如果在实际的钢铁生产过程中，在保持或者稍微损失塑性(韧性)的前提条件下，将钢的强度提高一倍乃至更多以致获得具有更高强塑积的钢，使钢件轻量化，则可大大地降低钢材的使用量，从而可以节省大量的能源和资源。就钢铁材料而言，大部分情况下第二相粒子尺寸均大于其临界转换尺寸，其强化机制主要为Orowan机制，这时细化第二相粒子尺寸对强度提高的作用十分显著，尺寸细化一个数量级的作用相当于提高体积分数两个数量级的作用，因此，第二相强化将是未来钢铁材料强度发展最有潜力的发展方向之一。

铁镍基马氏体作为一种典型的超高强韧钢，通过在超低碳的位错马氏体基体上析出大量的纳米级金属间化合物(Ni3Mo、Ni3Ti、Fe2Mo)可实现超过2GPa的超高强度，具有极佳的综合服役性能。但是，这种材料需要超高量的合金元素，如高达5-12％的Co和Mo来促进主强化相Ni3Mo的析出，而Ti通过形成富Ti金属间化合物提供额外的强化效果。这些昂贵合金元素尤其是Co的使用极大的提高了成本，限制了其广泛应用。为此，材料学家们发展了无Co或低Co的马氏体时效钢，这其中Ni3Ti作为一种替代的析出强化相，通过增加合金元素Mo、Ti含量促进其析出，进而实现高强度。但是Ti、Mo含量的增加不可避免地产生有害析出物，严重降低材料的韧塑性。昂贵的合金元素、异常严格的加工制备要求，都严重限制该类超高强钢的应用，成为困扰高端钢铁工业发展的难题。

因此，现行的马氏体时效钢不管是否含Co，其强化机制始终是基于大量半共格粒子产生的大共格畸变和位错的交互作用。析出相和基体之间这种大的机械性能差异虽能提供极高强度，但是也促使材料在加载时容易过早的形成裂纹或者局部应变，这极大地限制了材料的韧塑性，同时影响材料服役的安全性和可靠性。另外，强化相和基体晶体结构上的较大差异必然导致析出过程的较高形核势垒。所以，传统方法通过增加成分上的过饱和度来促进更多的半共格粒子析出的方法(尤其是在一种高缺陷密度的基体上)，已经达到了，并成为超高强度合金进一步发展的瓶颈。

发明内容