本發明屬于材料加工領域，具體涉及一種高強塑積TRIP鋼棒材及等通道轉角擠壓制備方法。

背景技術：

目前，我國的汽車行業已經處于發展的快車道，隨著汽車工業的發展對高強度鋼的應用的驅動力越來越大；而且汽車工業對輕量化、安全、排放、成本控制及燃油經濟性要求越來越高，這就驅使汽車工業采用高強度鋼板和一些高強度輕量化材料。而相變誘發塑性鋼(Transformation Induced Plasticity，TRIP)就屬于這類材料，TRIP鋼的出現為解決強度和塑性的矛盾提供了方向，TRIP鋼的本質是通過相變誘發塑性效應，使得鋼材中奧氏體在塑性變形過程中誘發馬氏體生核和長大，并產生局部硬化，繼而變形不再集中在局部，使相變均勻擴散到整個材料以提高鋼板的強度和塑性。TRIP鋼板具有高的屈服強度和抗拉強度，延展性強，沖壓成形能力高，其中，第一代高強鋼-常規TRIP鋼的強塑積一般在15-20GPa％，第三代高強鋼-中錳TRIP鋼的強塑積在20-40GPa％，用作汽車鋼板可減輕車重，降低油耗，同時能量吸收的能力強，能夠抵御撞擊時的塑性變形，顯著提高了汽車的安全等級。如何提高細晶材料的塑性、韌性以及加工硬化能力，已成為國內外金屬材料領域普遍關注的重大科學問題。

在常規TRIP鋼組織中，相對于鐵素體，合金元素的固溶強化和碳元素的富集使得殘余奧氏體作為一種硬相組織而存在，變形過程中，分配在殘余奧氏體的應力/應變相對集中，過早的形變誘導奧氏體相變影響TRIP效應對塑性、韌性以及加工硬化能力的提高。于是需要找到一種分散殘余奧氏體過早應力/應變集中的方法，在不添加合金元素的前提下，細化鐵素體晶粒是一種分散殘余奧氏體過早應力/應變集中的方法，同時，細化的殘余奧氏體具有較高的穩定性。

等通道轉角擠壓變形(Equal Channel Angular Pressing，簡稱ECAP)屬于劇烈塑性變形(Severe Plastic Deformation，簡稱SPD)技術的一種，它在不改變材料橫截面積的情況下，以純剪切方式實現對材料的大塑性變形，每一道次的ECAP變形都會給試樣施加非常均勻的強烈應變，多道次ECAP變形可實現非常大的累計應變，從而可以獲得亞微米晶甚至納米晶材料。所以，等通道轉角擠壓變形(ECAP)技術作為制備塊狀亞微米或納米材料的有效方法，經常被用于制備超細晶材料。

TRIP鋼的熱處理工藝分為兩步：(1)臨界區退火；(2)貝氏體區等溫保溫，隨后空冷至室溫。本專利通過ECAP變形結合適當的熱處理工藝，可以有效細化材料的晶粒尺寸，在通過細化鐵素體晶粒來分散殘余奧氏體過早應力/應變集中的同時，細化的殘余奧氏體能提高其穩定性，綜合提高TRIP鋼棒材的力學性能。

技術實現要素：

針對上述技術問題，本發明提供一種一種高強塑積TRIP鋼棒材及等通道轉角擠壓制備方法；通過合理設計鋼的成分，經煉鋼-鍛造-熱軋-機加工圓棒-等通道轉角擠壓-TRIP工藝熱處理，目的是通過等通道轉角擠壓變形細化晶粒并結合適當的熱處理工藝，制成具有高強塑積的低碳硅錳系TRIP鋼棒材。

本發明的高強塑積TRIP鋼棒材，其化學組分的質量百分含量為：C：0.15～0.20％，Mn：1.30～1.50％，Si：0.50～0.70％，Al：0.50～0.60％，Nb：0.02～0.05％，S：＜0.01％，P：＜0.01％，余量為Fe及不可避免的雜質。

所述的高強塑積TRIP鋼棒材，其直徑為10±0.3mm。

所述的高強塑積TRIP鋼棒材，其抗拉強度為720～760MPa，延伸率為34～40％，強塑積為25～30GPa·％。

本發明的高強塑積TRIP鋼棒材的等通道轉角擠壓制備方法，包括以下步驟：

步驟1，制備板坯：

按照高強塑積TRIP鋼棒材的成分進行冶煉和鑄造后，鍛造成板坯；

步驟2，熱軋：

(1)將板坯，在1200～1250℃保溫2～3h；

(2)將保溫后的板坯，立即進行多道次熱軋后，空冷至室溫，制得熱軋板；其中，終軋溫度為900～950℃，總累計壓下率為56～64％；

步驟3，等通道轉角擠壓：

從熱軋板上車削出棒材，進行等通道轉角擠壓，制得擠壓棒材；其中，等通道轉角擠壓的路徑采用路徑C方式，擠壓溫度為380～420℃，擠壓力為45～55MPa，擠壓速度為4～6mm/min，如果擠壓道次大于1次，則每道次擠壓后，在進樣口棒材旋轉180°后進行下一道次擠壓；

步驟4，兩步熱處理：

將擠壓棒材，在兩相區溫度下保溫后，迅速淬火至貝氏體區保溫，最后空冷至室溫，制得高強塑積TRIP鋼棒材。

所述的步驟1中，鍛造加熱溫度為1180～1220℃，保溫時間1.5～2.5h，鍛造變形溫度為950～1100℃，鍛造成厚度為30～35mm的板坯。

所述的步驟2(2)中，共進行3～5道次熱軋。

所述的步驟2(2)中，單道次壓下率為20～25％。

所述的步驟2(2)中，熱軋板厚度為11～13mm。

所述的步驟3中，共進行1～4道次等通道轉角擠壓。

所述的步驟3中，路徑C方式是指金屬棒材在擠壓一道次后，下一道次旋轉180度后擠壓。

所述的步驟4中，兩相區溫度為780～820℃，兩相區保溫4～6min。

所述的步驟4中，兩相區保溫在氯化鹽的鹽浴爐中進行。

所述的步驟4中，貝氏體區溫度為380～430℃，貝氏體區保溫2～5min。

所述的步驟4中，貝氏體區保溫在硝酸鹽的鹽浴爐中進行。所述的硝酸鹽為亞硝酸鈉與硝酸鉀的混合物。

本發明的高強塑積TRIP鋼棒材，成分設計合理，在添加C、Si和Mn的基礎上，以Al部分取代Si降低鋼中的硅含量，同時添加少量的微合金元素Nb。其中，C元素主要有利于提高奧氏體的穩定性，Si不溶于滲碳體，在提高奧氏體穩定性的同時還可以起到較強的固溶強化作用，以Al部分代替Si有利于提高棒材材的表面性能，Nb的加入可細化晶粒，使得鋼的屈服強度和抗拉強度有所提高。

本發明的高強塑積TRIP鋼棒材的等通道轉角擠壓制備方法，利用等通道轉角擠壓(ECAP)使材料發生劇烈的塑性變形，充分細化材料的晶粒尺寸，隨后結合適當的熱處理工藝，使實驗鋼在兩相區退火，再淬入貝氏體區等溫，最后空冷至室溫，在通過細化鐵素體晶粒來分散殘余奧氏體過早應力/應變集中的同時，細化的殘余奧氏體能提高其穩定性，從而提高其綜合力學性能。

本發明制備的高強塑積低碳硅錳系TRIP鋼棒材將強度與塑性有效地結合在一起，綜合力學性能優越：本發明的高強塑積低碳硅錳系TRIP鋼棒材，其抗拉強度為720～760MPa，延伸率為34～40％，強塑積為25～30GPa·％；而傳統工藝未ECAP變形+TRIP熱處理工藝的棒材的抗拉強度為768MPa，延伸率為28.2％，強塑積為21.6GPa·％；可見，本發明方法制備的高強塑積低碳硅錳系TRIP鋼棒材，相比傳統工藝提高了15～40％。

附圖說明

圖1本發明實施例2～4的高強塑積TRIP鋼棒材的等通道轉角擠壓制備方法中的等通道轉角擠壓(ECAP)原理示意圖；

圖2本發明實施例2～4的高強塑積TRIP鋼棒材的等通道轉角擠壓制備方法中對應步驟4兩相區退火熱處理工藝示意圖；

圖3本發明實施例2～4制備的高強塑積TRIP鋼棒材和對比例制備的實驗參照用的TRIP鋼棒材進行拉伸試驗時拉伸試樣示意圖；

圖4本發明實施例2～4制備的高強塑積TRIP鋼棒材和對比例制備的實驗參照用的TRIP鋼棒材拉伸變形前的金相顯微組織(OM)圖；其中，(a)對應對比例，(b)對應實施例2，(c)對應實施例3，(d)對應實施例4；

圖5本發明實施例2～4制備的高強塑積TRIP鋼棒材和對比例制備的實驗參照用的TRIP鋼棒材的應力-應變曲線圖。

具體實施方式

以下實施例中采用的軋機來自東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室(RAL)的Φ450mm熱軋機組。

以下實施例中采用的等通道轉角擠壓設備來自澳大利亞墨爾本大學。

以下實施例中進行室溫單向拉伸的設備是東北大學ATM實驗室從日本株式會社島津制作所購買的100kN電子萬能試驗機，型號規格為AG-Xplus100kN。

以下實施例中觀測金相組織的設備為OLYMPUS-GSX500光學顯微鏡。

以下實施例中觀測微觀組織的設備為SSX-550掃描電子顯微鏡、FEI TecnaiG2F20S-TWIN型場發射透射電鏡。

以下實施例中殘余奧氏體體積分數的測定設備為Smartlab X射線衍射儀。

以下實施例中兩步熱處理采用的是井式鹽浴爐，兩相區退火用的是氯化鈉，貝氏體保溫時用的是亞硝酸鈉與硝酸鉀組成的硝酸鹽。

以下實施例中，將制備的高強塑積TRIP鋼棒材和實驗參照用的TRIP鋼棒材加工成尺寸如圖3所示的拉伸試樣，再進行熱處理，用砂紙進行打磨，隨后進行拉伸實驗，拉伸速度為1mm/min直至拉斷，整個過程由計算機程序自動控制。

以下實施例中，在拉伸試樣斷口附近切取部分試樣，用砂紙磨光，在電解拋光機上拋光，拋光液為900ml酒精與60ml高氯酸的混合液，拋光電壓為25V，拋光時間為20s，拋光完成后用酒精進行沖洗；然后用4％的硝酸酒精對試樣進行腐蝕，腐蝕時間為7s，腐蝕完成后用酒精進行沖洗。

以下實施例2～4的高強塑積TRIP鋼棒材的等通道轉角擠壓制備方法中的等通道轉角擠壓(ECAP)原理示意圖如圖1所示。

以下實施例2～4的高強塑積TRIP鋼棒材的等通道轉角擠壓制備方法中對應步驟4兩相區退火熱處理工藝示意圖如圖2所示。

對比例

一種作為實驗參照用的TRIP鋼棒材，其化學組分的質量百分含量為：C：0.18％，Mn：1.39％，Si：0.66％，Al：0.58％，Nb：0.036％，余量為Fe和不可避免的雜質。

上述實驗參照用的TRIP鋼棒材的制備方法，包括以下步驟：

步驟1，制備板坯：

(1)按照實驗參照用的TRIP鋼棒材的成分配料冶煉和鑄造后，鍛造成30×80×120mm板坯，其中鍛造加熱溫度為1180℃，保溫時間1.5h，鍛造變形溫度為950～1100℃；

步驟2，熱軋：

(1)將板坯，在1200℃保溫2h；

(2)將保溫后的板坯，立即進行4道次熱軋后，空冷至室溫，制得厚度為11mm的熱軋板；其中，終軋溫度為900℃，總累計壓下率為63％，單道次壓下率為20％以上；

步驟3，兩步熱處理：

從熱軋板上車削出尺寸為Φ10×70mm的棒材，隨后將棒材不進行ECAP變形，直接在兩相區溫度800℃下保溫5min后，迅速淬火至貝氏體區溫度400℃保溫3min，最后空冷至室溫，制得實驗參照用的TRIP鋼棒材。

本實施例制備的實驗參照用的TRIP鋼棒材，進行拉伸試驗，其拉伸變形前的金相顯微組織(OM)如圖4(a)所示，應力-應變曲線如圖5中曲線(未ECAP變形+TRIP工藝熱處理)所示，該鋼屈服強度為511MPa，抗拉強度為768MPa，延伸率為28.2％，強塑積為21.6GPa·％。

實施例2

一種高強塑積TRIP鋼棒材，其化學組分的質量百分含量為：C：0.18％，Mn：1.39％，Si：0.66％，Al：0.58％，Nb：0.036％，余量為Fe和不可避免的雜質。

上述的高強塑積TRIP鋼棒材的等通道轉角擠壓制備方法，包括以下步驟：

步驟1，制備板坯：

按照實驗參照用的TRIP鋼棒材的成分配料冶煉和鑄造后，鍛造成30×80×120mm板坯，其中鍛造加熱溫度為1180℃，保溫時間2.5h，鍛造變形溫度為950-1100℃；

步驟2，熱軋：

(1)將板坯，在1200℃保溫3.0h；

(2)將保溫后的板坯，立即進行4道次熱軋后，空冷至室溫，制得厚度為12mm的熱軋板；其中，終軋溫度為920℃，總累計壓下率為60％，單道次壓下率為20％以上；

步驟3，等通道轉角擠壓：

從熱軋板上車削出尺寸為Φ10×70mm的棒材，進行1道次等通道轉角擠壓，制得擠壓棒材；其中，等通道轉角擠壓的路徑采用路徑C方式，擠壓溫度為400℃，擠壓力為50MPa，擠壓速度為5mm/min；

步驟4，兩步熱處理：

將擠壓棒材，在兩相區800℃下保溫5min后，迅速淬火至貝氏體區溫度400℃保溫3min，最后空冷至室溫，制得高強塑積TRIP鋼棒材。

本實施例制備的高強塑積TRIP鋼棒材，進行拉伸試驗，其拉伸變形前的金相顯微組織(OM)如圖4(b)所示，應力-應變曲線如圖5中曲線(1道次ECAP變形+TRIP工藝熱處理)所示，該鋼屈服強度為617MPa，抗拉強度為755MPa，延伸率為34.2％，強塑積為25.8GPa·％。

實施例3

一種高強塑積TRIP鋼棒材，其化學組分的質量百分含量為：C：0.18％，Mn：1.39％，Si：0.66％，Al：0.58％，Nb：0.036％，余量為Fe和不可避免的雜質。

上述的高強塑積TRIP鋼棒材的等通道轉角擠壓制備方法，包括以下步驟：

步驟1，制備板坯：

按照實驗參照用的TRIP鋼棒材的成分配料冶煉和鑄造后，鍛造成30×80×120mm板坯，其中鍛造加熱溫度為1200℃，保溫時間2.5h，鍛造變形溫度為950～1100℃；

步驟2，熱軋：

(1)將板坯，在1250℃保溫2h；

(2)將保溫后的板坯，立即進行4道次熱軋后，空冷至室溫，制得厚度為13mm的熱軋板；其中，終軋溫度為950℃，總累計壓下率為56％，單道次壓下率為20％以上；

步驟3，等通道轉角擠壓：

從熱軋板上車削出尺寸為Φ10×70mm的棒材，進行2道次等通道轉角擠壓，制得擠壓棒材；其中，等通道轉角擠壓的路徑采用路徑C方式，擠壓溫度為400℃，擠壓力為50MPa，擠壓速度為5mm/min，第1道次擠壓后，在進樣口棒材旋轉180°后進行第2道次擠壓；

步驟4，兩步熱處理：

將擠壓棒材，在兩相區800℃下保溫5min后，迅速淬火至貝氏體區溫度400℃保溫3min，最后空冷至室溫，制得高強塑積TRIP鋼棒材。

本實施例制備的高強塑積TRIP鋼棒材，進行拉伸試驗，其拉伸變形前的金相顯微組織(OM)如圖4(c)所示，應力-應變曲線如圖5中曲線(2道次ECAP變形+TRIP工藝熱處理)所示，該鋼屈服強度為584MPa，抗拉強度為725MPa，延伸率為36.5％，強塑積為26.4GPa·％。

實施例4

一種高強塑積TRIP鋼棒材，其化學組分的質量百分含量為：C：0.18％，Mn：1.39％，Si：0.66％，Al：0.58％，Nb：0.036％，余量為Fe和不可避免的雜質。

上述的高強塑積TRIP鋼棒材的等通道轉角擠壓制備方法，包括以下步驟：

步驟1，制備板坯：

按照實驗參照用的TRIP鋼棒材的成分配料冶煉和鑄造后，鍛造成30×80×120mm板坯，其中鍛造加熱溫度為1200℃，保溫時間2.0h，鍛造變形溫度為950～1100℃；

步驟2，熱軋：

(1)將板坯，在1220℃保溫2h；

(2)將保溫后的板坯，立即進行4道次熱軋后，空冷至室溫，制得厚度為11mm的熱軋板；其中，終軋溫度為920℃，總累計壓下率為63％，單道次累計下壓率為20％以上；

步驟3，等通道轉角擠壓：

從熱軋板上車削出尺寸為Φ10×70mm的棒材，進行4道次等通道轉角擠壓，制得擠壓棒材；其中，等通道轉角擠壓的路徑采用路徑C方式，擠壓溫度為400℃，擠壓力為50MPa，擠壓速度為5mm/min，每次擠壓后，在進樣口棒材旋轉180°后進行下一道次擠壓；

步驟4，兩步熱處理：

將擠壓棒材，在兩相區800℃下保溫5min后，迅速淬火至貝氏體區溫度400℃保溫3min，最后空冷至室溫，制得高強塑積TRIP鋼棒材。

本實施例制備的高強塑積TRIP鋼棒材，進行拉伸試驗，其拉伸變形前的金相顯微組織(OM)如圖4(d)所示，X射線衍射結果如圖5中曲線4所示，應力-應變曲線如圖5中曲線(4道次ECAP變形+TRIP工藝熱處理)所示，該鋼屈服強度為635MPa，抗拉強度為739MPa，延伸率為39.8％，強塑積為29.4GPa·％。