基于形变孪晶退化实现TWIP钢超塑性的方法

摘要

本发明公开了一种基于形变孪晶退化实现TWIP钢超塑性的方法，包括以下步骤：①选取完全再结晶状态的TWIP钢棒材，室温下拉伸，拉伸形变速率为1～10mm/s，拉伸形变量为40％；②形变孪晶退化处理：对拉伸后的TWIP钢棒材进行保温使得其组织内部发生形变孪晶退化与消失，温度为650～850℃，保温30～60min，热处理后进行淬火；③对淬火后的TWIP钢棒材在室温下进行拉伸，拉伸形变速率为10‑1～1mm/s，拉伸形变量为30％；④重复步骤②～③，使得形变后总延伸率大于100％，即实现超塑性。本发明解决了TWIP钢在热轧过程中形变量过大导致形变抵抗力大，易产生裂纹，超塑性成形速率慢等问题。

说明书

技术领域

本发明属于金属材料成型及超塑性变形的技术领域，尤其是一种基于形变孪晶退化实现TWIP钢超塑性的方法。

背景技术

TWIP(Twinning induced plasticity)钢，又称孪生诱发塑性钢，一般含有15％以上锰元素，故也属于高锰钢。TWIP具有很高的应变硬化率，其来源于塑性形变过程中产生的高密度形变孪晶，这些微纳尺度的形变孪晶界与位错和晶界的交互作用引起显著的加工硬化。然而正是上述的交互作用导致TWIP钢在轧制时变形抗力急速增加、极易开裂等问题，极大增加了TWIP的塑性成形难度。

金属材料的超塑性是指金属在特定条件(晶粒细化、极低的变形速度及等温变形)下，具有更大的塑性(延伸率＞100％)。

专利申请号为CN201310234229.7的文件《一种难变形镍基高温合金超塑性成形方法》，其提出了难变形镍基高温合金超塑性成形的方法：预先准备的锻造合金坯料初始晶粒度小于10μm，且成近等轴晶状态；等温条件下进行锻造(温度为1040～1120℃)；应变速率为1x10^-4～5x10^-4s^-1。存在不足：需对材料晶粒尺寸进行预处理，增加成本；等温锻造在高温进行不易控制；应变速率低，生产效率低。

专利申请号为201510042246.X的文件，其利用马氏体相变循环实现304不锈钢超塑性变形。但其拉伸速率为0＜v≤5mm/min、拉伸变形量为30％、时效处理温度700℃≤T≤900℃的工艺同样存在如下不足：形变速率低，生产效率低；单次形变量小，循环次数多；时效处理温度高，增加成本。

专利申请号：201610076127.0的文件，其取粉末冶金法制备的TiAl基合金，热轧为板材后，通过热处理方法调整TiAl基合金组织为γ相与α₂相的细小双态组织后与超塑性成形模具组装后整体加热至900～980℃，保温20～30分钟后，进行温度为900～980℃、应变速率为8×10^-5s^-1～5×10^-4s^-1超塑性成形，同样存在成形温度高、形变速率慢的问题。

由上可见，目前现有的超塑性成形领域基本上是采用细晶超塑性材料，具有以下不足：晶粒的细化预处理，晶粒尺寸一般要求小于5μm；一定的变形温度，一般为0.5Tm～Tm，其中Tm是合金熔点，与材料成分有关；低的应变速率，一般要求应变速率控制在10^-4～10^-1mm/s范围内。因此，细晶超塑性的主要特点是对设备要求高(高温变形)、低生产率及高昂的预处理费用，这也是导致细晶超塑性在超塑性成形领域难以广泛应用的原因。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种加工生产难度低、成本低且生产效率高的基于形变孪晶退化实现TWIP钢超塑性的方法，该方法解决了TWIP钢在热轧过程中形变量过大导致形变抵抗力大，易产生裂纹，同时超塑性形变成形速率慢等问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于形变孪晶退化实现TWIP钢超塑性的方法，其特征在于，包括以下步骤：①对TWIP钢棒材在室温下进行拉伸，拉伸形变速率为1～10mm/s，拉伸形变量为40％；所述TWIP钢棒材为完全再结晶状态；

②对TWIP钢棒材进行形变孪晶退化处理：在温度T下，对拉伸后的TWIP钢棒材进行保温使得其组织内部发生形变孪晶退化与消失，所述温度T为650℃～850℃，保温时间为30min～60min，保温热处理后对TWIP钢棒材进行淬火；

③对淬火后的TWIP钢棒材在室温下进行拉伸，拉伸形变速率为10^-1～1mm/s，拉伸形变量为30％；

④重复步骤②～③，形变后测量总均匀延伸率大于100％，即实现超塑性；

⑤将处理完的棒材进行酸洗，去除表面氧化皮。

进一步的，所述步骤①中TWIP钢棒材在室温下进行拉伸，拉伸形变速率为1～10mm/s。

进一步的，所述步骤②中的温度T为650℃，保温时间为60min。

进一步的，所述步骤②中的温度T为850℃，保温时间为30min。

进一步的，所述步骤②中的温度T为650℃，保温时间为30min。

采用上述方案，本发明具有以下效果：

1)形变过程可在室温下进行，即对成形温度无任何要求，夹具或模具无需预热，有利于实际应用；

2)设置多道次形变的工艺：其中针对完全再结晶状态的TWIP钢采用拉伸形变速率为1～10mm/s，形变量为40％的工艺，有利于提高生产效率；针对形变孪晶退化处理后的TWIP钢有可能存在退化不完全的问题，采用拉伸形变速率为10^-1～1mm/s，形变量为30％的工艺，有利于保证材料的成形性；多道次形变的工艺有利于保证大的形变量，实现超塑性变形；本发明大范围的成形速率降低了加工成型设备的控制精度要求，同时成形速度快，生产效率高；

3)形变孪晶退火所需温度为650℃～850℃，温度较低，降低能耗成本，热处理完后可直接淬火，无需退火可有利于提高生产效率；

4)基于形变孪晶退化的机制，消除轧制过程中的大部分形变孪晶，有利于降低变形抵抗力，保护加工成型设备。

下面结合附图对本发明作进一步描述。

附图说明

附图1为本发明具体实施例原始样金相组织图(放大倍率200)；

附图2为本发明具体实施例1中原始样拉伸后金相组织图(形变量40％，放大倍率200)；

附图3为本发明具体实施例1中形变量为40％的TWIP钢经过650℃60min淬火后金相组织图(放大倍率200)；

附图4为本发明具体实施例2中形变后的TWIP钢经过850℃30min淬火后金相组织图(放大倍率200)；

附图5为本发明具体实施例3中形变后的TWIP钢经过650℃30min淬火后金相组织图(放大倍率200)。

具体实施方式

本发明的具体实施例如图1-4所示是基于形变孪晶退化实现TWIP钢超塑性的方法，其特征在于，包括以下步骤：①对TWIP钢棒材在室温下进行拉伸，拉伸形变速率为1～10mm/s，拉伸形变量为40％；所述TWIP钢棒材为完全再结晶状态；

②对TWIP钢棒材进行形变孪晶退化处理：在温度T下，对拉伸后的TWIP钢棒材进行保温使得其组织内部发生形变孪晶退化与消失，所述温度T为650℃～850℃，保温时间为30min～60min，保温热处理后对TWIP钢棒材进行淬火；

③对淬火后的TWIP钢棒材在室温下进行拉伸，拉伸形变速率为10^-1～1mm/s，拉伸形变量为30％；

④重复步骤②～③，形变后测量总均匀延伸率大于100％，即实现超塑性；

⑤将处理完的棒材进行酸洗，去除表面氧化皮。

实施例1：

1)采用TWIP钢棒材，其显微组织见图1，将其室温下进行拉伸，拉伸形变速率为1mm/s，形变量为40％，拉伸后显微组织见图2；

2)形变孪晶退化处理，保温温度为:650℃，保温时间为60min，热处理后进行淬火，淬火后显微组织见图3；

3)对TWIP钢棒材在室温下进行拉伸，拉伸形变速率为1mm/s，形变量为30％；

4)形变孪晶退化处理，保温温度为650℃，保温时间为60min，热处理后进行淬火；

5)对TWIP钢棒材在室温下进行拉伸，拉伸形变速率为10^-1mm/s，形变量为30％；

6)形变孪晶退化处理，保温温度为650℃，保温时间为60min，热处理后进行淬火；

经测量，总延伸率约132％，实现超塑性变形。从图1可看出，原始样在未拉伸前，组织内无形变孪晶，而经过40％的形变后，内部萌生出大量的形变孪晶(见图2)，大量的形变孪晶与自身或位错相互作用使材料发生应变硬化。经过650℃60min保温后淬火，其内部绝大部分形变孪晶发生退化，见图3。

实施例2

1)对TWIP钢棒材在室温下进行拉伸，拉伸形变速率为5mm/s，形变量为40％；

2)形变孪晶退化处理，保温温度为850℃，保温时间为30min，热处理后进行淬火；

3)对TWIP钢棒材在室温下进行拉伸，拉伸形变速率为1mm/s，形变量为30％；

4)形变孪晶退化处理，保温温度为850℃，保温时间为30min，热处理后进行淬火，淬火后显微组织见图4；

5)对TWIP钢棒材在室温下进行拉伸，拉伸形变速率为10^-1mm/s，形变量为30％；

6)形变孪晶退化处理，保温温度为850℃，保温时间为30min，热处理后进行淬火；

经测量，总延伸率约129％，实现超塑性变形。从图1可看出，原始样在未拉伸前，组织内无形变孪晶，而拉伸试样经过850℃30min保温后淬火，其内部形变孪晶已发生完全退化(见图4)。

实施例3

1)对TWIP钢棒材在室温下进行拉伸，拉伸形变速率为10mm/s，形变量为40％；

2)形变孪晶退化处理，保温温度为650℃，保温时间为30min，热处理后进行淬火；

3)对TWIP钢棒材在室温下进行拉伸，拉伸形变速率为10^-1mm/s，形变量为30％；

4)形变孪晶退化处理，保温温度为650℃，保温时间为30min，热处理后进行淬火；

5)对TWIP钢棒材在室温下进行拉伸，拉伸形变速率为10^-1mm/s，形变量为30％；

6)形变孪晶退化处理，保温温度为650℃，保温时间为30min，热处理后进行淬火，淬火后显微组织见图5。

从图5可以看出，形变后的TWIP钢经过650℃30min淬火后，相比于拉伸后的试样，其内部退火孪晶发生相当程度的退化。经测量，总延伸率约133％，实现超塑性变形。

下列补充以拉伸形变速率为变量的实验数据：

表1-以拉伸形变速率为变量的实验数据

下列补充以保温温度T为变量的实验数据：

表2-以保温温度T为变量的实验数据

从实施例1-3可以看出，TWIP钢经过淬火、拉伸等处理后，其内部退火孪晶发生相当程度的退化；且经测量，其总延伸率达到123％～134％，实现超塑性变形。

本发明不局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其他多种具体实施方式实施本发明的，或者凡是采用本发明的设计结构和思路，做简单变化或更改的，都落入本发明的保护范围。