一种具有超细晶连续梯度组织金属板的制造方法及其金属板

摘要

本发明提供一种具有超细晶连续梯度组织金属板的制造方法及其金属板。该方法涉及金属板表面纳米化处理和金属板轧制处理，金属板进行双面表面纳米化处理，轧制工艺参数为：轧制温度为100℃～0.8Tm，轧制压下量为20％～60％；本发明方法制备的金属板双表面均为超细晶层，每面超细晶层厚度为20～200μm。本发明方法结合表面纳米化技术和轧制技术，可同时满足材料高强度、高塑性和高韧性的要求，制备的金属板具有优良的综合力学性能，金属板强度比基体提高1倍以上，断裂延伸率保持在20％以上。本发明方法具有成本低、工艺简易、设备简单的特点，是一种环境友好的可持续发展方法。

说明书

技术领域

本发明涉及金属板制造方法及由该方法制造的金属板，更具体地说，本发明涉及一种具有超细晶连续梯度组织金属板的制造方法及由该方法制造的金属板。

背景技术

进入21世纪以来，高层建筑、大跨度重载桥梁、轻量节能汽车和大型工程机械等行业对钢铁材料的强度和使用寿命提出了更高的要求。为了满足节能、绿色环保、轻量化和安全等方面的需求，钢铁结构材料正在发展“新一代钢铁材料”，它的特征是超细晶、高洁净、高均匀，其核心技术是超细晶。细晶强化技术因其在材料中不需添加合金元素、材料高洁净、回收再利用简单而受到广泛的关注。不仅如此，人们对超细组织情有独钟的另一个原因在于，晶粒细化是为数不多的可以在提高强度的同时改善韧性的强化方法之一。

目前，制备致密、无污染体纳米及亚微米材料的主要方法有强烈塑性变形加工技术和新型控轧控冷技术。专利JP2000073152采用“累积叠轧焊”方法制备超细晶材料，如低碳钢经过5次循环后，晶粒尺寸减小到500nm以下，抗拉强度达到751MPa，是母材(280MPa)的2.7倍。专利US4466842、DE3312257和FR2524493介绍了采用实验轧机轧制低碳钢，获得了小于3μm的铁素体晶粒。新日铁向市场投放了具有优异抗裂性能、表面层超细铁素体晶粒钢板，即所谓的“HIAREST”(High Crack-Arrestability Endowed Ultra Fine-Grain SurfaceLayer Steel Plate)钢板；2000年，我国燕山大学采用相变预处理、塑性变形和再结晶相结合工艺，获得了“纳米晶粒低合金(CrMoV)钢板”(专利CN1272554A)。但是，此方法制备的纳米晶材料明显存在两个不足，一方面是塑性严重恶化，典型的延伸率为小于3％，而粗晶材料可达40～70％；另一方面是制备方法绝大部分都涉及到大的变形量、高的应变速率、快速热循环、复杂的工艺组合以及对工艺过程的精确控制等，这些要求往往超出金属板制造厂家现有的设备能力和生产能力，并使超细晶粒钢的制备成本显著增加。

为改善超细晶的塑性，设计新的微米、亚微米和纳米结构材料，以结合高强度和良好延性，是近几年研究的重要方向之一。通过调整微观结构可实现提高强度并保持塑性的综合性能，如：

在NC/UFG晶中引入一定比例的微米级晶粒来调控晶粒结构，即造成不同晶粒尺寸分布的晶粒结构，充分利用了NC/UFG晶的高强度，同时塑性由粗大晶粒保持，并可改善加工硬化能力，这种新的策略在纯Cu(Acta Materialia，2004，52：1699)中得到了初步验证。

表面自身纳米化技术也验证了这种思路的正确性。表面自身纳米化技术是在外加载荷的重复作用下，材料表面的粗晶组织通过不同方向产生局部强烈塑性变形，这种局部强烈塑性变形会产生大量的缺陷，如位错、孪晶、层错和剪切带，当位错密度增至一定程度时，发生湮没、重组，形成具有亚微米或纳米尺度的亚晶，另外随着温度的升高，表面具有高形变储能的组织也会发生再结晶，形成纳米晶，此过程不断发展，最终在材料表面形成晶体学取向呈随机分布的纳米晶组织。表面自身纳米技术利用强烈塑性变形制备出表面为纳米晶、晶粒尺寸沿厚度方向逐渐增大的梯度组织，利用纳米晶提高强度，同时由心部的常规晶粒提供塑性。现存专利如CN1458288A、CN2604443Y、US2003/0127160A1、CN1532295A、JP2003183730以及CN1410560A匀可实现表面纳米化，但是这些方法制备的材料表面纳米晶层的厚度相对比例较小，对强度的提高作用有限，例如，纳米结构表层占试样厚度的3％的低碳钢，其屈服强度仅提高了35％(Scripta Mater，2001，44(8/9)：1791)，未能充分利用超细晶的强化优势。

纳米及亚微米钢代表了先进结构材料的重要发展方向。迄今为止，除了制造HIAREST钢板的新型TMCP工艺以外，其它方法尚处于研究探索阶段，离实际应用还有很大的距离，不能满足对材料高强度、高韧性和高塑性综合性能的要求。显然，现有制备方法的改进和完善、更先进工艺的创新，是未来超细晶粒钢研究的关键内容。

本发明的目的在于提供一种具有超细晶连续梯度组织金属板的制造方法，该方法制造的金属板具有很高的强度，同时也具有良好的塑性和韧性，而且生产效率高、流程短、无污染。

本发明的目的还在于提供一种由上述方法制造的具有超细晶连续梯度组织金属板，制造的金属板具有很高的强度，同时也具有良好的塑性和韧性，而且生产效率高、流程短、无污染。

发明内容

本发明提供一种具有超细晶连续梯度组织金属板的制造方法。

本发明还提供一种由上述方法制造的具有超细晶连续梯度组织金属板。

木发明的目的是这样实现的：

本发明所述的具有超细晶连续梯度组织金属板的制造方法，该方法包括金属板表面纳米化处理和金属板轧制处理，加工所用的金属板为钢板，其中，所述的金属板需进行双面表面纳米化处理；所述的金属板轧制处理的工艺参数为：轧制温度为100℃～0.8Tm，轧制压下量为20％～60％，形成每面超细晶层为20～200μm金属板，表层到心部材料的组织和性能均呈连续梯度分布。

根据本发明所述的具有超细晶连续梯度组织金属板的制造方法，其中一个优选实施方案是，所述的金属板轧制处理的工艺参数为：轧制温度为200℃～0.5T_m，轧制压下量为20％～60％。

根据本发明所述的具有超细晶连续梯度组织金属板的制造方法，其中一个优选实施方案是，所述的金属板表面纳米化处理采用非镀层的材料自身表面纳米化方法。

根据本发明所述的具有超细晶连续梯度组织金属板的制造方法，其中一个优选实施方案是，所述的金属板轧制处理由一道次轧制完成

根据本发明所述的具有超细晶连续梯度组织金属板的制造方法，其中一个优选实施方案是，所述的金属板轧制处理由多道次轧制完成。

根据本发明所述的具有超细晶连续梯度组织金属板的制造方法，其特征在于，所述的金属板多道次轧制处理时每道次的轧制温度相同。

根据本发明所述的具有超细晶连续梯度组织金属板的制造方法，其特征在于，所述的金属板多道次轧制处理时每道次的轧制温度不同。

根据本发明所述的具有超细晶连续梯度组织金属板的制造方法，其中一个优选实施方案是，所述的金属板轧制处理后空冷至室温。

根据本发明所述的具有超细晶连续梯度组织金属板的制造方法，其中一个优选实施方案是，所述的金属板轧制处理后经水淬冷却至室温。

根据本发明所述的具有超细晶连续梯度组织金属板的制造方法，其中一个优选实施方案是，所述的金属板轧制处理后在100℃～0.8T_m进行退火处理。

根据本发明所述的具有超细晶连续梯度组织金属板的制造方法，其中一个优选实施方案是，所述的金属板轧制处理后不进行退火处理。

本发明所述的金属板，是由上述制造方法制备的具有超细晶连续梯度组织金属板，其中，所述的金属板超细晶层为20～200μm，表层到心部材料的组织和性能均呈连续梯度分布。

本发明的制造方法采用表面纳米化方法与轧制方法相结合的复合强烈塑性变形方法，通过调整金属板的晶粒尺寸及分布，制备出表层为纳米晶(d＜100nm＝层，向心部过渡依次为亚微米晶(100nm＜d＜1000nm＝层和微米晶(d＞1000nm)层的连续梯度组织的金属板。金属板双面表面纳米化处理和轧制处理后，每面超细晶层(包括纳米晶和亚微米晶层)的厚度为20μm～200μm，表层到心部材料的组织和性能均呈连续梯度分布，能够满足高强度、高塑性和高韧性的性能要求。

本发明的制造方法实现金属板高强高塑的机理为：在金属板上下表面制备出一定厚度的纳米晶层和亚微米晶层，从表层到心部为晶粒尺寸由纳米晶、亚微米晶逐渐过度到微米晶的连续梯度组织。这种梯度组织的显著特点是纳米晶与亚微米晶层、亚微米晶与微米晶层之间不存在明显的界面，并且具有较好的热稳定性。利用超细晶(纳米晶和亚微米晶)和轧制变形的强化作用来提高材料的强度，利用微米晶的良好位错累积能力来提高材料的塑性，通过调节纳米晶、亚微米晶和微米晶的尺寸及分布，可获得高强度同时具有良好塑性的新型材料。

本发明制造方法与现有金属板制造方法相比，优势在于：

本发明方法结合了表面纳米化方法和轧制方法，满足了材料同时具有高强度、高塑性和高韧性的要求，制备的金属板具有优良的综合力学性能。处理后的金属板强度比基体提高1倍以上，断裂延伸率保持在20％以上。同时，本发明方法具有成本低、工艺简易、设备简单的特点，是一种环境友好的可持续发展方法。

附图的简单说明

图1是本发明梯度组织钢板的TEM暗场像图片。

图2是本发明梯度组织钢板的晶粒尺寸分布图。

图3是本发明梯度组织钢板断口形貌图片。

图4是本发明梯度组织钢板700℃轧制后的微观组织图片。

图5是本发明梯度组织钢板500℃退火后的微观组织图片。

具体实施方式

下面参照附图，更具体地说明本发明。

实施例1：

制备304不锈钢高强高塑钢板，步骤如下：

1、对304不锈钢进行双面表面纳米化处理，采用高速度飞行颗粒撞击金属材料表面的方法，得到纳米层/亚微米晶层厚度为100μm～200μm；

2、将表面纳米化处理后的钢板加热至500℃，保温10min；

3、单道次轧制，轧制压下量为50％；

4、空冷。

组织观察表明，所得材料距表面80μm深处的平均晶粒直径为80nm，见附图1。亚微米和微米晶层平均晶粒直径1.2μm。超细晶(纳米晶和亚微米晶)层的厚度可达150μm。不同区域晶粒尺寸分布见附图2。超细晶层的体积分数约占总量的60％。所得梯度组织的304不锈钢板的屈服强度可达680MPa，为304不锈钢基体的强度(288MPa)的2.4倍；断裂延伸率为22％。图3为本发明梯度组织钢板断口形貌。

实施例2

制备304不锈钢高强高塑钢板，步骤如下：

1、对304不锈钢进行双面表面纳米化处理，采用高速度飞行颗粒撞击金属材料表面的方法，得到纳米层/亚微米晶层厚度为20μm～100μm；

2、将表面纳米化的钢板加热至300℃，保温10min；

3、单道次轧制，轧制压下量为36％；

4、空冷。

所得梯度组织的304不锈钢板的屈服强度可达602MPa，为304不锈钢基体强度(288MPa)的2.1倍；断裂延伸率为37％。

实施例3

制备304不锈钢高强高塑钢板，其它步骤与实施例2相同，不同的是采用两道次轧制，累积轧制压下量为42％，空冷。

所得梯度组织的304不锈钢板的屈服强度达到675MPa，为304不锈钢基体强度(288MPa)的2.3倍；断裂延伸率为20％。

实施例4

制备304不锈钢高强高塑钢板，步骤如下：

1、对304不锈钢进行双面表面纳米化处理，采用高速度飞行颗粒撞击金属材料表面的方法，得到纳米晶层/亚微米晶层厚度为100μm～200μm；

2、将表面纳米化处理后的钢板加热至700℃，保温10min；

3、单道次轧制，轧制压下量为30％；

4、水淬。

所得到的304不锈钢板的屈服强度达到693MPa，为304不锈钢基体强度(288MPa)的2.4倍；断裂延伸率为20％。700℃轧制后双表面纳米化处理304不锈钢板的超细晶复合组织见附图4。

实施例5

将实施例1所得到的高强度、高塑性梯度组织的304不锈钢板进行退火处理，退火温度为500℃，退火时间为40min。退火后复合组织中的纳米晶/亚微米晶没有明显的长大，见附图5，显示了良好的热稳定性。退火处理后的梯度组织304不锈钢板的强度为640MPa，比基体304不锈钢板的强度提高2.2倍；断裂延伸率增至27％。

本发明方法结合了表面纳米化方法和轧制方法，满足了材料同时具有高强度、高塑性和高韧性的要求，制备的金属板具有优良的综合力学性能。处理后的金属板强度比基体提高1倍以上，断裂延伸率保持在20％以上。