[发明专利]一种具有超高强度超高韧性钢板及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料技术领域，特别涉及一种具有超高强度超高韧性钢板及其制备方法。

背景技术

钢是所有金属中用途最广泛的一种材料，在航空、核能、舰船、石化等工业领域广泛应用，近年来向交通运输（汽车、火车）、厨房用具、家用电器、建筑装饰等民用领域发展。因此，钢材的性能与人们的生活安全密切相关。目前，汽车工业用钢的开发主要致力于提高钢的强度并保持其成形性。汽车轻量、安全、低能耗的发展趋势对钢铁产品在品种、规格、质量上提出更高的要求。研发质量轻、耐冲击的运输工具体系的新设计理念要求开发强度高、塑性好及能量吸收能力优良、比质量轻的材料。提高强度可以减轻汽车的重量（满足节能环保需求），而塑性提高则可满足复杂车型设计及提高驾乘安全性能的需求。

近几年来，国内汽车行业发展迅速，带来对汽车用钢需求量的上升，另外，目前世界船舶建造订单吨位总和为3亿5630万吨，中国造船厂占世界水上运输设备建造总量的69.4%，韩国仅占23%。虽然我国已经从数量上逾越韩国和日本成为世界第一造船大国，但并不是第一造船强国，这主要是因为受到高性能钢铁材料的制约。例如，在我国从俄罗斯将“瓦格良”号航空母舰买入进行修复时，就发现我国的军用钢性能较差，与该舰钢板连接处的强度根本无法达到该航母所需的要求；依照当时用钢的质量，即使能够修复“瓦良格”号也会对其整体结构的强度和防护性能造成很大的破坏。而当时我国尚不具备建造航空母舰用钢的能力，因此希望从俄罗斯引进这种特殊钢的生产技术，航空母舰用钢与民用大型船舶用钢相比所具有的特殊性主要包括：抗海水腐蚀、防磁性、耐高温性以及有很高的强度、韧度和良好的焊接性能等等，目前我国生产的汽车用钢仍不能完全满足汽车工业发展的需求。

高锰钢的研究与使用历史悠久，具有良好的加工硬化性能，因而高锰钢广泛用于制造抗冲击磨损的工件。近年来，高锰钢在理论研究和实际应用方面日益得到重视。高锰钢在变形过程中因稳定奥氏体相中形成应变诱导孪晶而提高塑性。但在实践中发现，只有在冲击大、应力高、磨料硬的情况下, 高锰钢的高耐磨性才得到体现。而且，由于高锰钢的屈服强度低，初次使用时易于变形，并且造成较大的磨损；另外，寒冷地区经常发生高锰钢部件脆性断裂现象；因此，如何通过适当的成分及加工工艺设计，通过孪生或相变以提高高锰钢的屈服强度，同时提高其塑性变形能力，降低初次使用时的变形量而进一步提高高锰钢耐冲击性、耐磨性而使其成为新一代车体材料，成为材料研究工作者的新课题，也成为当前世界范围内的金属材料的研究热点之一。

在工程应用上，为了强化材料采用固溶强化法，这是一种利用大量融入固溶体中的溶质原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使滑移难以进行，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。在溶质原子浓度适当时，可提高材料的强度和硬度，而其韧性和塑性却有所下降。这就涉及到另两种强化机制，马氏体相变强化及孪生强化。马氏体是一种能使钢变硬、增强的组织，马氏体强化已经普遍应用于钢铁。由于马氏体相变时原子规则地发生位移，使材料在相变时塑性增长，利用此特点已开发了相变诱发塑性钢（TRIP），可以在提高钢强度的同时使其保持一定的塑性变形能力；同时，在工程应用中为了强化材料采用细化晶粒法，这是一种利用大量晶界限制或钉轧位错运动来提高材料的强度，可由著名的Hall-Petch关系来描述。人们已经从各种金属及合金中观察到高强度，大多数金属材料的屈服强度和硬度值随晶粒尺寸的减小表现出增加的趋势，很好地遵从 Hall-Petch 关系。孪生诱导塑性钢（TWIP）正是利用金属在变形过程中因为切变而导致孪晶界面增加的特点，使材料中塑性变形的同时因为孪晶界对位错的阻碍作用而使其强度增加，与通过晶粒细化导致材料强化具有相同的效果，从而使材料同时具有高强度及高韧性。