一种抑制中高锰钢局部变形塑性失稳行为的方法

摘要

本发明属于汽车用钢技术领域，主要涉及一种抑制中高锰钢局部变形塑性失稳行为的方法。通过在中高锰钢退火前，退火过程中或者退火后进行电脉冲处理，甚至在变形过程中进行电脉冲同步加载均会抑制局部变形带的形核和传播，在应力‑应变曲线上表现为应力锯齿的波动幅度减弱甚至消失。其中，脉冲电流密度3～100A/mm2，频率50～5000Hz，脉冲占空比10～90％，处理时间为1～3600s。除此之外，该电脉冲处理工艺还能增强中锰钢的加工硬化能力并提高抗拉强度。该工艺处理效率高，操作简单，工艺窗口宽，具有良好的工业化应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于先进高强汽车用钢板卷的生产技术领域，是基于保证中高锰钢机械性能的前提下消除其塑性失稳行为而开发出的新型电脉冲处理工艺。

技术背景

目前汽车行业面临的主要问题包括燃油效率问题，温室气体排放问题和汽车碰撞安全性问题。汽车生产过程中大量使用先进高强钢，实现汽车的轻量化是同时解决以上问题的有效途径。截至目前，先进高强钢经历了三代的发展。第一代先进高强钢属于低合金钢范畴，强度可以达到1000MPa以上，但是低的延伸率使其不能应用于复杂冲压部件。第二代先进高强钢具有良好的综合力学性能，最典型的代表是高锰TWIP(twinning inducedplasticity)钢。由于高的合金含量难以大规模推广生产和使用。在此基础上，美国钢铁工业协会联合汽车工业协会提出了第三代汽车钢的概念。所谓第三代先进高强汽车钢是指力学性能明显优于第一代，而合金含量显著低于第二代的新一代先进高强钢。目前正在研发的第三代先进高强钢包括轻质(lightweight)钢，Q&P(quenching and partitioning)钢和中锰钢(Mn：5～10wt％)。其中，中锰钢以其优良的综合力学性能和较低的合金成本受到全世界科学家的关注，被誉为最具有发展潜力的第三代先进高强汽车钢。

然而大量实验研究表明，具有优良机械性能的中高锰钢在变形过程中经常发生严重塑性失稳行为，在局部变形带上主要表现为两种形式，即吕德斯带和Portevin–LeChatelier(PLC)带。吕德斯带是指屈服点下降开始时发生局部变形的区域，在传播过程对应于工程应力-应变曲线上的屈服平台；PLC带代表的是各种不规则不均匀变形带，它们在拉伸曲线上对应不同形式的应力锯齿。局部变形塑性不稳定性会使材料变形后表面产生条带状皱褶，导致材料结构稳定性减弱甚至在某些情况下过早失效，这成为限制中高锰钢推广应用的关键因素，也成为中高锰钢基础研究领域的热点问题。

低合金铁素体/珠光体钢在变形过程中也会出现吕德斯带的形核和传播(应力-应变曲线上表现为屈服平台)但几乎不会同时伴随PLC现象的发生(应力-应变曲线上表现为应力锯齿)，因此通过预变形处理即可抑制形变前期的塑性变形不稳定性。对于中高锰钢，变形过程往往会同时发生吕德斯带和PLC带的形核和传播，并且吕德斯应变较大，通过预变形处理难以完全抑制塑性失稳现象。另外，现有研究试图通过调整中高锰钢形变前的显微组织和形变温度，以达到抑制局部变形带形核和传播的目的。然而，此类方法往往会显著降低其强度和塑性。因此各国钢铁材料科学家始终在探索能够保证中高锰钢机械性能并且消除塑性失稳的方法。

局部变形塑性不稳定现象是由间隙原子和位错之间的相互作用引起的。电脉冲作用于金属材料不仅能够影响间隙原子和位错之间的相互作用，而且能促进再结晶细化晶粒达到同时提升强度和韧性的目的。基于此，申请人首次提出将电脉冲处理工艺应用于具有显著塑性失稳现象的中高锰钢领域，以达到同时消除塑性失稳和提升机械性能的目的。

发明内容

本发明介绍了一种应用于中高锰钢的电脉冲处理工艺，能够同时抑制此类钢种拉伸变形时吕德斯带和PLC带的形核和传播，并且能够在保证一定塑性的前提下提高加工硬化能力和抗拉强度。

本发明针对钢种

本发明主要针对高强高塑中高锰钢。其成分范围为：0.1～1wt.％C，3～30wt.％Mn，0～3wt.％Al，0～3wt.％Si，0～1wt.％V/Nb/Ti余为Fe及不可避免的不纯物。另外本发明包括在以上成分的基础上进行Cu、Ni、Mo、Gr等合金化的衍生钢种。

一种抑制中高锰钢局部变形塑性失稳行为的方法，其特征包括：对于中高锰钢(0.1–1％C～3–30％Mn～0–3％Al～0–3％Si～0–1％V/Nb/Ti～Cu/Ni/Mo/Cr)临界退火前、临界退火过程中、临界退火后进行电脉冲处理，或者在变形过程中同步加载电脉冲都可以抑制甚至消除塑性失稳；其中，脉冲电流3～100A/mm

如上所述的抑制中高锰钢局部变形塑性失稳行为的方法，具体步骤如下：

步骤1将中高锰钢铸坯热轧获得3～8mm热轧板；

步骤2热轧板酸洗后除锈，冷轧或者温轧至1～3mm；

步骤3以上制备出的热轧、温轧、冷轧钢板按照临界退火前、临界退火过程中、临界退火后或者在变形过程中同步加载电脉冲四种情况之一进行电脉冲处理。

进一步地，所述临界退火前电脉冲处理过程是：首先对钢板进行电脉冲处理，脉冲电流密度3～45A/mm

进一步地，所述临界退火中电脉冲处理过程是：采用电脉冲辅助加热的方式进行退火，温度为300～900℃，时间为10s～10h；具体操作过程为在退火过程中通入电脉冲，电流密度30～100A/m

进一步地，所述临界退火后电脉冲处理过程是：首先在300～900℃之间退火，时间为10s～10h，空冷或水淬至室温；钢板表面除锈去污后进行电脉冲处理，脉冲电流密度3～60A/mm

进一步地，所述在变形过程中同步加载电脉冲处理过程是：钢板首先进行临界退火处理，空冷或水淬至室温；在拉伸变形或者冲压成型过程中同步加载电脉冲；电流密度3～15A/m

进一步地，本发明制备的钢板，其显微结构由奥氏体单相组织或铁素体+奥氏体双相组织构成，且有时含马氏体和析出相。

进一步地，本发明在临界退火前，临界退火过程中或者临界退火后进行电脉冲处理都可以抑制甚至消除中高锰钢变形过程中局部变形带的形核和传播。

本发明首次将电脉冲处理工艺应用于中高锰钢，不仅能够消除塑性变形不稳定性而且能提升加工硬化能力和抗拉强度。电脉冲处理具有较宽的工艺窗口。脉冲电流3～100A/m

基于吕德斯带和PLC带的形核和传播均是间隙原子和位错之间的相互作用导致的，在不同工艺阶段进行电脉冲处理的设计原则如下。

退火前和退火后电脉冲处理：脉冲电流密度不宜过低(>3A/mm

退火过程中：脉冲电流密度不宜过低(>30A/mm

拉伸变形过程中同步加载电脉冲：脉冲电流一般不能超过15A/mm

采用上述电脉冲处理工艺不仅会抑制形变过程中局部变形带的形核和传播而且能够在保持一定塑性的前提下提升加工硬化率和强度。

本发明主要应用于轧材，主要包括3～8mm热轧板，1～3mm温轧板和1～3mm冷轧板。

本发明通过在中高锰钢退火前，退火过程中或者退火后进行电脉冲处理，甚至在变形过程中进行电脉冲同步加载均会抑制局部变形带的形核和传播，在应变-应变曲线上表现为应力锯齿的波动幅度减弱甚至消失。其中，脉冲电流密度3～100A/mm

附图说明

附图1为中高锰钢退火前(a)，退火后(b)，以及拉伸变形过程中(c)进行电脉冲处理导致吕德斯应变显著降低，应力锯齿波动减弱甚至消失，表明电脉冲处理显著抑制甚至消除了中锰钢的塑性失稳行为。

附图2冷轧中锰钢电脉冲处理+临界退火后的显微组织，包括铁素体、奥氏体和纳米析出相。

具体实施方式

实施例1

钢种成分

(1)按照以上钢种成分在50kg真空电弧炉内进行冶炼，然后锻造为60mm(厚度)×80mm(宽度)的矩形坯料。将以上锻坯由60mm经7道次轧制轧至4mm。开轧温度1200℃，终轧温度800℃。热轧板空冷至室温后在650℃软化退火8h。热轧板酸洗后进行冷轧，由4mm轧至1.5mm。

(2)将以上冷轧板进行电脉冲处理，脉冲电流密度30A/mm

(3)对电脉冲处理后的冷轧钢板和未进行电脉冲处理的钢板在700～800℃退火10min，空冷至室温。

(4)对以上两种退火钢板进行拉伸性能测试，对比二者的应力-应变曲线表明，临界退火前进行电脉冲处理能有效抑制PLC带的形核和传播，并且提升了抗拉强度(附图2a)。

实施例2

(1)将实施例1中的冷轧钢板首先在600～800℃临界退火10min；

(2)将以上退火板进行电脉冲处理脉冲电流密度15A/mm

(3)对进行不同电脉冲处理的钢板进行拉伸性能测试，对比其应力-应变曲线发现，临界退火后进行电脉冲处理能消除局部变形带的形核和传播。另外，电脉冲处理显著提升了加工硬化能力和抗拉强度(附图2b)。

实施例3

钢种成分

(1)按照以上钢种成分在50kg真空电弧炉内进行冶炼，然后锻造为60mm(厚度)×80mm(宽度)的矩形坯料。将以上锻坯由60mm经7道次轧制轧至4mm。开轧温度1200℃，终轧温度800℃。热轧板空冷至室温后在700℃软化退火5h。热轧板酸洗后进行冷轧，由4mm轧至1.2mm。

(2)对冷轧钢板600～800℃退火10min，空冷至室温。

(3)对以上两种退火钢板进行拉伸性能测试，变形过程进行电脉冲同步加载。脉冲电流密度4～15A，频率5000～10000HZ，占空比0.6，处理时间10min。对比不同电脉冲工艺同步加载下的应力-应变曲线发现，变形过程进行电脉冲同步加载能显著抑制吕德斯带和PLC带的形核和传播(附图2c)。

实施例4

对实施例3中获得的冷轧钢板进行电脉冲辅助加热临界退火处理，即在冷轧板临界退火过程中进行电脉冲处理。脉冲电流30～60A/mm

实施例5

(1)按照以上钢种成分在50kg真空电弧炉内进行冶炼，然后锻造为60mm(厚度)×80mm(宽度)的矩形坯料。将以上锻坯由60mm经7道次轧至4mm。开轧温度1200℃，终轧温度800℃；

(2)获得的热轧板在670℃临界退火5h后空冷至室温；

(3)将以上热轧板进行电脉冲处理，脉冲电流密度30～450A/mm

(4)以上电脉冲处理抑制了热轧板变形过程中PLC带的形成。

实施例6

(1)按照以上钢种成分在50kg真空电弧炉内进行冶炼，然后锻造为60mm(厚度)×80mm(宽度)的矩形坯料。将以上锻坯由60mm经7道次轧至4mm。开轧温度1200℃，终轧温度800℃；

(2)获得的热轧板在800℃临界退火30min后空冷至室温；

(3)将以上热轧板进行电脉冲处理，脉冲电流密度40～60A/mm

(4)以上电脉冲处理抑制了热轧板变形过程中PLC带的形成。

附图2(a，b)为实施例1中冷轧中锰钢经电脉冲处理+临界退火后的显微组织。可以看出，材料是由等轴铁素体和奥氏体两相组织构成。并且含V析出相在奥氏体和铁素体晶内析出。