[发明专利]一种利用多重控晶手段制备超高强度钢的方法

说明书

技术领域

本发明涉及钢的初始晶粒控制、金属材料强化、性能修补和钢的冶炼、连铸等技术领域，是一种利用多重控晶手段制备超高强度钢的方法，具有生产成本低、成钢强度高的特点。

背景技术

随着人类社会发展和科技进步，高强度钢的需求越来越大，因此如何实现低成本、工业化制造新一代超高强度钢成为钢铁研究领域最重要的课题之一。

目前，钢铁材料的高强度，通常采用以细化晶粒理论为基础，以形变诱导相变、形变热处理、微合金化等形式，具体如下：

1-1细化晶粒的理论基础

细化晶粒的理论基础来自霍尔与佩奇效应。早在上世纪50年代，霍尔与佩奇(Hall-Petch)研究发现了晶粒尺寸与钢体材料强度的关系，被命名为为霍尔-佩奇(Hall-Patch)关系式：

σy=σ0+ky/d]]>

式中σ_y为材料的屈服极限；σ₀为移动单个位错时产生的晶格摩擦力；k_y为常数，与材料的种类性质有关；d为平均晶粒直径。

霍尔-佩奇(效应)揭示了材料晶体尺寸与强度关系上存在着一个临界晶体尺寸(约10纳米)，当晶粒尺寸在大于这个临界尺寸范围内，晶粒尺寸越小，材料强度越大；但若小于这个临界尺寸后，晶粒尺寸越小，材料的强度反而降低。由于霍尔-佩奇受当时实验手段的影响，用现代科技与实验手段证明后，虽然出现一些偏差，但其揭示的趋势规律仍然可以作为材料强度与晶粒尺寸关系的基础理论。

1-2细化晶粒的发展过程

根据霍尔-佩奇理论，提高材料的性能的主要途径是细化材料基体的晶粒组织，围绕这一理论，近几十年来，人们把提高钢的强度的手段聚焦在细化钢体晶粒方面来，取得了很多实际成果。上个世纪末，大多细化晶粒技术集中在应用钢相变理论和技术对钢体进行晶粒细化的实验研究，包括：①利用相变和再结晶的热处理(或形变热处理)；②钢液急速冷却；③机械合金化(碾磨)；④超细粒子烧结；⑤非晶体再结晶等，取得一定进展。进入21世纪以来，随着细化晶粒技术研究的不断深化，手段也是多样化，由偏重非冶炼手段(形变热处理等)扩展到冶炼过程的晶粒细化。主要方法包括：

1)形变诱导相变细化晶粒。

形变诱导相变(deformationinducedferritetransformation)是将低碳钢加热到奥氏体相变温度Ac₃以上，经一段时间保温，首先使其奥氏体化，然后以一定的冷却速率冷却到Ar₃和Ac₃之间，再进行大压下量变形，从而得到超细铁素体晶粒。

应用形变诱导相变技术，可以大幅度提高钢铁材料的综合性能，而不需要增加合金元素含量。形变诱导铁素体相变细化晶粒技术可以用于工业化生产，但要解决的问题难度也很大，比如超大轧制力带来的轧制设备方面的困难，材料尺度有限带来的用于大型构件整体轧制或焊接方面问题等。此外，它的应用局限性在于只适合在相变过程中可发生奥氏体-铁素体相变的低碳合金钢。

2)形变热处理细化晶粒方法。

形变热处理(deformationheatingtreatment)是对金属材料有效地综合利用形变强化(加工硬化)及相变强化，将压力加工与热处理相结合，使成型工艺与获得最终性能统一起来的一种方法。较为成熟的形变热处理工艺有两类：一是在较低的奥氏体化温度范围内(略高于Ac₃)进行变形处理，然后淬火；二是将淬火后的钢进行冷变形，然后奥氏体化在淬火。

该工艺的特点是形变温度低，而且是在硬度很大的马氏体状态下进行，所以材料的变形抗力较大，应用于实际生产有很多困难，然而它细化晶粒的效果十分明显。应用此原理，在中低碳钢上已经获得0.91um的超细晶粒，应用在304奥氏体不锈钢上，获得0.3um的超细晶粒组织。

形变热处理工艺，在一些钢材领域，特别是小型零部件上已经得到了广泛的应用。

3)微合金化细化晶粒。