[发明专利]一种奥氏体/铁素体/马氏体多相异构钢铁材料的制备方法

说明书

本说明书提供一种奥氏体/铁素体/马氏体多相异构钢铁材料的制备方法，包含：旋转摩擦焊、交替旋转摩擦焊、高温自由锻、低温轧制、多相异构热处理五步工序。其特征在于：选用低碳钢和奥氏体钢棒，利用旋转摩擦焊方法对两种钢铁材料进行交替焊接；对焊接得到的圆柱叠层样品进行高温自由锻和淬火得到立方叠层钢块并调节低碳钢层的初始结构；再通过低温轧制细化低碳钢和不锈钢组织，最后通过多相异构热处理，获得由超细奥氏体、铁素体、马氏体组成的多相异构钢铁材料。

技术领域

本发明涉及的是一种奥氏体/铁素体/马氏体多相异构钢铁材料的制备方法，包含：旋转摩擦焊、交替旋转摩擦焊、高温自由锻、低温轧制、多相异构热处理五步工序。具体为选用低碳钢和奥氏体钢棒，利用旋转摩擦焊方法对两种钢铁材料进行交替对焊；对焊接得到的圆柱叠层钢棒进行高温自由锻和淬火，得到立方叠层钢块并调节低碳钢层初始结构；再通过低温轧制细化低碳钢和不锈钢组织，最后通过多相异构热处理，获得由超细奥氏体、铁素体、马氏体组成的多相异构钢铁材料。

技术背景

钢铁材料作为最常见的结构材料，广泛应用于建筑、交通运输、石油化工等各领域。提高钢铁材料的强度对于结构轻量化和提升结构安全性能具有重要意义。对于钢铁材料而言，增加碳含量是强化钢铁材料最有效和经济节约的方式，但是多数钢材的强度与韧性、塑性是矛盾的。为了获得较高的韧性和塑性，往往不得不牺牲一部分强度。碳含量的增加也相应地会带来很多弊端，例如材料的可焊接性能和成型性能会降低。而目前工业上常用的低碳合金钢的强度普遍较低，例如常用的Q235钢的抗拉强度通常在500MPa以下，难以满足更高强度等级的要求。因此，如何通过有效的方式来获得高性能钢铁材料对于推广钢铁材料的应用具有重要意义。

对于钢铁材料而言，可以通过调节合金元素含量，塑性变形以及热处理方式等，可以得到不同的微观结构，其中奥氏体具有面心立方结构，通常具有较低的屈服强度和优异的均匀延伸率；铁素体由于碳含量低，其强度也比较低，延伸率较好；马氏体由于内部尺寸细小，位错密度高，其强度高，但是延伸率较低。研究表明，当钢铁材料形成双相/多相组成的异质结构时，材料可以获得优异的综合力学性能。经检索发现，发明专利CN201910370853.7公开了一种1180MPa级超高强度低成本冷轧淬火配分钢的制造方法，具体是将铸锭先进行两阶段控轧轧制，再进行多道次冷轧，最后进行两阶段热处理得到具有铁素体、马氏体和残余奥氏体混合组织的钢板。该技术的特点是可以有效细化晶粒尺寸，获得优异的强度-塑性匹配。但是，这种方法的缺点有：(1)需要频繁调节加热速率和冷却速率，以及严格控制配分的温度和时间，增加了生产难度；(2)残余奥氏体的含量依赖于热处理工艺的调控，无法提供高含量的奥氏体组织来提高延伸率。进一步检索发现，He等人在Mater.Sci.Eng.A 726(2018)288-297上发表了题为“Improving ductility byincreasing fraction of interfacial zone in low C steel/304SS laminates”的文章，提出通过将低碳钢和304奥氏体不锈钢通过热轧结合，并通过后续冷轧后热处理得到由马氏体和奥氏体组成的三层结构，并得到良好的力学性能。该技术的特点是工艺比较简单，所得三层材料中马氏体提供高强度，奥氏体含量高，提供延伸率。但是该技术的缺点是：(1)热轧过程中难以保证界面良好结合，会影响最终力学性能；(2)制备多层结构比较困难。

发明内容

本发明针对以上不足，提供一种制备高强韧多相异构钢铁材料的方法，首先利用旋转摩擦焊，将低碳低合金钢和奥氏体不锈钢钢棒交替进行焊接，制成由多层低碳钢和奥氏体不锈钢组成的圆柱叠层试样；再通过高温自由锻使圆柱样品的形状变为立方体，实现高温均匀化的同时便于后续低温轧制处理，并结合锻造后的临界淬火处理，调节低碳钢层的微观结构；然后通过低温轧制变形使奥氏体不锈钢层发生应变诱导马氏体相变，同时细化低碳钢层的晶粒尺寸；最后巧妙地利用变形状态的低碳钢和奥氏体钢在热处理下的不同响应，使奥氏体片层发生逆相变形成细小的等轴奥氏体晶粒，同时使低碳钢片层转变成超细的铁素体-马氏体双相结构，得到由超细奥氏体、铁素体、马氏体组成多相异构钢铁材料。其中韧性好的奥氏体、铁素体和强度高的马氏体分别作为异构材料的软/硬组元，多组元协调变形，提高材料综合力学性能。