[发明专利]一种具有层状构型组织的超高强钢及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有层状构型组织的超高强钢及其制备方法，属于高强韧低成本钢铁材料制备技术领域。该钢由相成分呈层状分布特征的超细铁素体/马氏体双相组织组成，相邻层片的马氏体相含量具有明显差异，并由此形成三维周期性堆垛结构。该组织是通过对普通碳素钢进行搅拌摩擦加工得到，通过调控加工过程工具的转速、行进速度、倾斜角度以及外部冷却条件，将加工区峰值温度控制在两相区内，最终在加工区得到性能优异、具有分层构型的超高强高塑性钢。搅拌摩擦加工参数与分层结构的几何特征参数有确切的数学关系。本发明提出的组织构型能够提升现有低碳钢铁材料的强塑性匹配，所涉及的方法具有简单易用、成本低廉、节能环保的优点。

技术领域

本发明属于高强韧低成本钢铁材料制备技术领域，具体涉及一种具有层状构型组织的超高强度钢及其制备方法。

背景技术

钢铁材料作为应用最为广泛的结构材料，其迭代是各种先进制造业发展的基石。为了顺应节能减排、节约资源和可持续发展目标，钢铁材料正在向轻质、高强和低成本的方向发展，这就要求钢铁材料具有超高强度、超薄厚度和尽可能低的合金含量，因此，先进高强钢(AHSS)应运而生。铁素体/马氏体双相(DP)钢作为先进高强钢的代表，因其强度高、屈强比低和加工硬化能力突出等优点成为目前用量最大、应用最成熟的钢种。然而，从现有商用DP钢的开发状况来看，当强度不断提升，尤其达到1GPa以上的超高强度时，DP钢的塑性损失非常显著，均匀延伸率已不足7％(Materials Science and Engineering:A,2019.754:p.535-555；Journal of Materials Engineering and Performance,2019.28:p.2086-2093)。塑性不足已成为制约高强度DP钢发展的一个关键瓶颈，致使更高强度级别DP钢的研发严重受限。因此，对现有DP钢的组织进行优化设计进而调控性能，有望成为满足使用要求的一种经济、有效方法。

晶粒超细化被认为是一种可同时改善DP钢强度和塑性的微观尺度调控手段，通过先进热机械加工(ATMP)或严重塑性变形(SPD)等工艺细化结构尺寸，可使DP组织中的马氏体岛间距减小，铁素体变形受到限制并将载荷传递至马氏体，进而促进马氏体变形和提高外载，获得高应变硬化能力，最终有效提升DP钢的强塑性匹配(Scripta Materialia,2004.51:p.909-913)。然而，为了获得两相组织，目前采用的ATMP或SPD法在制备DP钢的过程中大都涉及两相区退火+淬火热处理，而为了保证退火后仍保持超细晶尺度，选择的退火温度不宜过高，因此马氏体含量普遍较低(大多低于30％)。过低的马氏体含量导致DP钢强度不足，尤其是屈服强度很难达到1GPa以上。因此，如何在获得高马氏体含量的同时保证超细晶粒尺度是实现高强度高塑性DP钢的关键。

近年来，宏观尺度的非均匀构型、应力状态设计在提升金属材料的强塑性匹配方面得到了广泛关注。通过构筑粗细晶混合的梯度晶粒结构(如梯度纳米晶、双模态和三明治结构)，可诱导产生应力应变梯度，在拉伸过程中表现出优异的加工硬化能力。然而，由于DP钢本身为一种复合结构，很难在其中构筑梯度晶粒结构，即便是先得到非均匀构型，其结构也很难在热处理过程中得以保留。另外，借助DP钢的自身特点对其相成分和结构进行调控，使其形成非均匀构型，有望在提高DP钢强度的同时保留较好的塑性。已有学者通过控制轧制过程将相结构调控成片层状或纤维状，成功优化了DP钢的强塑性(Materials Scienceand Engineering:A,2018.734:p.311-317)。然而，单纯调控相结构所获得的DP钢因特征尺寸偏大仍然存在屈服强度不高的性能短板，因此需要结合相成分调控对DP钢的性能进行进一步优化，而针对相成分的非均匀构型设计由于现阶段难以实现而陷入了瓶颈期。