一种钢铁材料及其热处理加工方法

1.本发明属于钢铁材料热处理及热加工技术领域，具体涉及一种钢铁材料及其热处理加工方法。


背景技术：

2.热处理及热加工是提高金属材料性能的工艺，绝大部分钢铁材料的热处理及热加工都是将钢铁材料加热到临界点以上获得全部或部分晶粒细小的奥氏体组织，通过不同的冷却方式进行冷却，奥氏体转变为不同的组织，从而使合金钢具有不同的性能；采用合理的热处理及热加工工艺可以改变钢铁材料的组织，进而改善钢铁材料的综合力学性能，可以更好适用工业发展的需要，具有不可替代的作用。因此在确定钢铁材料的成分下，通过深入研究热处理及热加工工艺的不同，钢铁材料的组织和综合性能的变化，找到合适的热处理及热加工工艺，进而为加速这一材质在工业化稳定应用提供依据。
3.许多类型的钢铁材料中通常含有cr、ni、mo等合金元素，借助热处理及热加工使得钢铁材料在获得高强度高硬度的同时具有足够的塑韧性。但目前大部分钢铁材料的热处理及热加工工艺缺乏系统性的工艺研究，尤其是冷却速度、热处理/热加工加工温度对合金钢组织与性能的影响，在实际应用时发现钢铁材料的性能波动范围较大，导致材料在服役时断裂失效现象时有发生。
4.目前大部分钢铁材料的热处理及热加工工艺缺乏系统性的工艺研究，尤其是冷却速度、热处理/热加工加工温度对合金钢组织与性能的影响，在实际应用时发现钢铁材料的性能波动范围较大，导致材料在服役时断裂失效现象时有发生。通过理论模拟计算和热模拟试验，制定出合理热处理及热加工工艺，并对相关领域推广起到理论参考作用。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种钢铁材料及其热处理加工方法，用于解决实际工业生产过程中原材料冶炼、制备以及零部件热处理以及热加工工艺以及降低钢铁坯料及产品的不合格率的技术问题。
6.本发明采用以下技术方案：
7.一种钢铁材料热处理加工方法，包括以下步骤：
8.s1、计算各溶质元素对钢凝固过程中相变点温度的影响，然后通过差热实验或热重实验，以及等温凝固淬火实验得到不同成分钢铁材料在高温状态下相变过程的相变温度，以及高温凝固模式；
9.s2、基于多道次热压缩实验测定钢铁材料的连续冷却转变图，并结合步骤s1得到的相变温度和高温凝固模式制定热处理工艺；
10.s3、通过单道次热压缩实验确定不同变形条件下的真应力应变曲线，建立钢铁材料基于峰值应力的本构模型、动态再结晶动力学模型以及再结晶晶粒尺寸模型，绘制反映再结晶情况的再结晶区，基于动态材料模型及塑性失稳准则建立钢铁材料在不同应变量下
的热加工图，分析在变形过程中流变失稳区的变化规律，获得实验钢热加工的工艺参数范围，并给出最佳的热变形工艺参数。
11.具体的，步骤s1中，通过热力学软件计算各溶质元素对钢凝固过程中相变点温度的影响，设定冷却速度为0.01～1000℃/s；模拟计算所获得的数据包含相图、连续冷却模拟曲线、等温冷却模拟曲线、动力学相模拟图。
12.进一步的，溶质元素包含cr、ni、mo和mn。
13.进一步的，热力学软件包含jmatpro和thermo-calc。
14.具体的，步骤s1中，差热或热重实验，以及等温凝固淬火实验的温度为400～1300℃，差热或热重实验得到的数据包含相变温度、相变反应焓和热重变化。
15.具体的，步骤s1中，高温凝固模式包含钢铁材料的凝固包晶反应温度点、珠光体、马氏体、贝氏体、奥氏体转变区温度、等温冷却曲线和连续冷却曲线。
16.具体的，步骤s2中，多道次热压缩实验的次数量大于3次。
17.具体的，步骤s2中，热处理工艺具体为：
18.热模拟试验温度为20～1200℃，在20～600℃热模拟升温速度为5～20℃/s，在600～1200℃以0.01～0.1℃/s升温。
19.具体的，步骤s3中，单道次热压缩实验的数量为1～2次，温度为700～1200℃，加热速度为40～60℃/s，保温时间为1～5min，应变速率为0.01～10s-1
，压缩变形量为40％～60％。本发明的另一技术方案是，一种钢铁材料。
20.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
21.一种钢铁材料热处理加工方法，通过理论模拟计算、差热/热重实验和热模拟试验分析得出相变温度和临界转变冷却速度，可以确定热处理工艺参数，通过单道次热模拟试验建立材料基于峰值应力的本构模型、动态再结晶动力学模型及再结晶晶粒尺寸模型，建立合理的热加工工艺参数。基于合理的热处理、热加工参数能够使钢铁材料从生产、热加工、服役性能的全流程调控方案，掌握高服役寿命的钢铁制备技术，为工业生产提供理论指导。
22.进一步的，软件设定冷却速度范围0.01～1000℃/s，通过软件模拟计算所获得的数据包含但不限于相图、连续冷却模拟曲线(cct)和等温冷却模拟曲线(ttt)、动力学相模拟图等，能够保证该方法适用于含有各类合金元素的钢铁材料，此外还能获得冷却速度和溶质元素含量对钢铁中微观偏析的影响机制，从而提出改善溶质元素偏析的有效手段。
23.进一步的，溶质元素包含但不限于cr、ni、mo、mn等元素，能够保证本方法适用于含有各类合金元素的钢铁材料，此外还能获得冷却速度和溶质元素含量对钢铁中微观偏析的影响机制，从而提出改善溶质元素偏析的有效手段。
24.进一步的，热力学软件包含但不限于jmatpro、thermo-calc等软件，能够保证本方法适用于含有各类合金元素的钢铁材料，此外还能获得冷却速度和溶质元素含量对钢铁中微观偏析的影响机制，从而提出改善溶质元素偏析的有效手段。
25.进一步的，差热/热重实验和等温凝固淬火实验温度为400～1300℃，差热/热重实验得到数据包含但不限于相变温度(ac1、ac3)、相变反应焓、热重变化，能够保证该方法适用于宽温域相变的钢铁材料。
26.进一步的，高温凝固模式包含钢铁材料的凝固包晶反应温度点、珠光体、马氏体
(ms/mf点)、贝氏体、奥氏体转变区温度、等温冷却曲线、连续冷却曲线等，能够保证获得准确的热处理工艺。
27.进一步的，热模拟试验道次数量大于3次，能够保证获得准确的热加工工艺。
28.进一步的，热模拟试验温度范围20～1200℃，其中热模拟升温速度为在20～600℃范围以5～20℃/s升温，在600～1200℃范围以0.01～0.1℃/s升温，能够保证获得准确的热加工工艺。
29.进一步的，单道次热压缩实验的数量为1～2次，温度为700～1200℃，加热速度为40～60℃/s，保温时间为1～5min，应变速率为0.01～10s-1
，压缩变形量为40％～60％，能够获得材料的热加工图，制定合理的热加工工艺。
30.综上所述，本发明能够准确制定各类宽温域相变、包含多种合金元素钢铁材料的热处理、热加工工艺，进而有效提升改善合金钢的综合性能，防止钢铁材料服役失效，降低钢铁坯料及产品的不合格率，并对相关领域推广起到理论参考作用。
31.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
32.图1为某钢铁理论模拟计算等温冷却模拟曲线(cct)图；
33.图2为某钢铁理论模拟计算等温冷却模拟曲线(ttt)图；
34.图3为某钢铁实际等温冷却模拟曲线(ttt)图。
具体实施方式
35.下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.本发明中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有实施方式以及优选实施方法可以相互组合形成新的技术方案。
37.本发明中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有技术特征以及优选特征可以相互组合形成新的技术方案。
38.本发明中，如果没有特别的说明，百分数(％)或者份指的是相对于组合物的重量百分数或重量份。
39.本发明中，如果没有特别的说明，所涉及的各组分或其优选组分可以相互组合形成新的技术方案。
40.本发明中，除非有其他说明，数值范围“a～b”表示a到b之间的任意实数组合的缩略表示，其中a和b都是实数。例如数值范围“6～22”表示本文中已经全部列出了“6～22”之间的全部实数，“6～22”只是这些数值组合的缩略表示。
41.本发明所公开的“范围”以下限和上限的形式，可以分别为一个或多个下限，和一个或多个上限。
42.本发明中，本文中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
43.本发明中，除非另有说明，各个反应或操作步骤可以顺序进行，也可以按照顺序进
行。优选地，本文中的反应方法是顺序进行的。
44.除非另有说明，本文中所用的专业与科学术语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法或材料也可应用于本发明中。
45.本发明提供了一种钢铁材料热处理加工方法，通过热力学软件系统计算各溶质元素对钢凝固过程中相变点温度的影响，然后通过差热/热重实验和等温凝固淬火实验得到不同成分钢铁材料在高温状态下的相变过程，据此推断其高温凝固模式。随后利用热模拟试验机进行多道次热压缩实验，测定钢铁材料的连续冷却转变图并结合热力学结果制定相关热处理工艺；最后利用热模拟试验机进行单道次热压缩实验，获得不同变形条件下的真应力应变曲线，分析钢铁材料在不同温度和应变速率条件对流变应力的影响规律，建立了材料基于峰值应力的本构模型、动态再结晶动力学模型及再结晶晶粒尺寸模型，并绘制反映再结晶情况的再结晶区，基于动态材料模型及塑性失稳准则，建立钢铁材料在不同应变量下的热加工图，分析在变形过程中流变失稳区的变化规律，获得适宜实验钢热加工的工艺参数范围，并给出最佳的热变形工艺参数。
46.请参阅图1，本发明一种钢铁材料热处理加工方法，包括以下步骤：
47.s1.通过热力学软件系统计算各溶质元素对钢凝固过程中相变点温度的影响，然后通过差热/热重实验和等温凝固淬火实验得到不同成分钢铁材料在高温状态下的相变过程，确定高温凝固模式；
48.溶质元素包含但不限于cr、ni、mo、mn等元素，热力学软件包含但不限于jmatpro、thermo-calc等软件，软件设定冷却速度范围0.01～1000℃/s。通过软件模拟计算所获得的数据包含但不限于相图、连续冷却模拟曲线(cct)和等温冷却模拟曲线(ttt)、动力学相模拟图，如图2和图3所示。
49.差热/热重实验和等温凝固淬火实验温度为400～1300℃，差热/热重实验得到数据包含但不限于相变温度(ac1、ac3)、相变反应焓、热重变化。
50.高温凝固模式包含钢铁材料的凝固包晶反应温度点、珠光体、马氏体(ms/mf点)、贝氏体、奥氏体转变区温度、等温冷却曲线、连续冷却曲线。
51.s2.利用热模拟试验机进行多道次热压缩实验，测定钢铁材料的连续冷却转变图并结合热力学结果制定相关热处理工艺；
52.热模拟试验道次数量大于3次，热模拟试验温度为20～1200℃，其中，热模拟升温速度为在20～600℃范围以5～20℃/s升温，在600～1200℃范围以0.01～0.1℃/s升温。
53.s3.利用热模拟试验机进行单道次热压缩实验，获得不同变形条件下的真应力应变曲线，分析钢铁材料在不同温度和应变速率条件对流变应力的影响规律，建立了材料基于峰值应力的本构模型、动态再结晶动力学模型及再结晶晶粒尺寸模型，并绘制反映再结晶情况的再结晶区，基于动态材料模型及塑性失稳准则，建立钢铁材料在不同应变量下的热加工图，分析在变形过程中流变失稳区的变化规律，获得适宜实验钢热加工的工艺参数范围，并给出最佳的热变形工艺参数。
54.热模拟试验道次数量为1～2次，热模拟试验温度范围700～1200℃，加热速度为40～60℃/s，保温时间为1～5min，应变速率为0.01s-1
～10s-1
，压缩变形量为40％～60％。
55.热处理及热加工工艺制定方法应用于钢铁材料及钢铁基复合材料。
56.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例
中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
57.实施例1
58.低碳合金钢热处理及热加工工艺制定
59.1)通过热力学软件系统计算各溶质元素对钢凝固过程中相变点温度的影响，然后通过差热/热重实验和等温凝固淬火实验得到不同成分钢铁材料在高温状态下的相变过程，据此推断其高温凝固模式；溶质元素包含但不限于cr、ni、mo、mn等元素，热力学软件包含但不限于jmatpro、thermo-calc等软件，软件设定冷却速度范围0.01～1000℃/s；通过软件模拟计算所获得的数据包含但不限于相图、连续冷却模拟曲线(cct)和等温冷却模拟曲线(ttt)、动力学相模拟图等。差热/热重实验和等温凝固淬火实验温度为800～1100℃，差热/热重实验得到数据包含但不限于相变温度(ac1、ac3)、相变反应焓、热重变化。高温凝固模式包含钢铁材料的凝固包晶反应温度点、珠光体、马氏体(ms/mf点)、贝氏体、奥氏体转变区温度、等温冷却曲线、连续冷却曲线等。
60.2)利用热模拟试验机进行多道次热压缩实验，测定钢铁材料的连续冷却转变图并结合热力学结果制定相关热处理工艺。热模拟试验道次数量大于3次，热模拟试验温度范围20～900℃，其中热模拟升温速度为在20～600℃范围以5℃/s升温，在600～900℃范围以0.01℃/s升温。
61.3)利用热模拟试验机进行单道次热压缩实验，获得不同变形条件下的真应力应变曲线，分析钢铁材料在不同温度和应变速率条件对流变应力的影响规律，建立了材料基于峰值应力的本构模型、动态再结晶动力学模型及再结晶晶粒尺寸模型，并绘制反映再结晶情况的再结晶区，基于动态材料模型及塑性失稳准则，建立钢铁材料在不同应变量下的热加工图，分析在变形过程中流变失稳区的变化规律，获得适宜实验钢热加工的工艺参数范围，并给出最佳的热变形工艺参数。热模拟试验道次数量为1次，热模拟试验温度范围700～900℃，加热速度为40℃/s，保温时间为1min，应变速率为0.01s-1
，压缩变形量为40％。
62.采用上述方法够准确制定低碳合金钢宽温域相变、热处理以及热加工工艺，进而有效提升改善合金钢的综合性能，防止钢铁材料服役失效，降低钢铁坯料及产品的不合格率，并对相关领域推广起到理论参考作用。
63.实施例2
64.高锰钢热处理及热加工工艺制定
65.1)通过热力学软件系统计算各溶质元素对钢凝固过程中相变点温度的影响，然后通过差热/热重实验和等温凝固淬火实验得到不同成分钢铁材料在高温状态下的相变过程，据此推断其高温凝固模式。溶质元素包含但不限于cr、ni、mo、mn等元素，热力学软件包含但不限于jmatpro、thermo-calc等软件，软件设定冷却速度范围0.01～1000℃/s。通过软件模拟计算所获得的数据包含但不限于相图、连续冷却模拟曲线(cct)和等温冷却模拟曲线(ttt)、动力学相模拟图等。差热/热重实验和等温凝固淬火实验温度为700～1300℃，差
热/热重实验得到数据包含但不限于相变温度(ac1、ac3)、相变反应焓、热重变化。高温凝固模式包含钢铁材料的凝固包晶反应温度点、珠光体、马氏体(ms/mf点)、贝氏体、奥氏体转变区温度、等温冷却曲线、连续冷却曲线等。
66.2)利用热模拟试验机进行多道次热压缩实验，测定钢铁材料的连续冷却转变图并结合热力学结果制定相关热处理工艺。热模拟试验道次数量大于3次，热模拟试验温度范围20～1200℃，其中热模拟升温速度为在20～600℃范围以10℃/s升温，在600～1200℃范围以0.05℃/s升温。
67.3)利用热模拟试验机进行单道次热压缩实验，获得不同变形条件下的真应力应变曲线，分析钢铁材料在不同温度和应变速率条件对流变应力的影响规律，建立了材料基于峰值应力的本构模型、动态再结晶动力学模型及再结晶晶粒尺寸模型，并绘制反映再结晶情况的再结晶区，基于动态材料模型及塑性失稳准则，建立钢铁材料在不同应变量下的热加工图，分析在变形过程中流变失稳区的变化规律，获得适宜实验钢热加工的工艺参数范围，并给出最佳的热变形工艺参数。热模拟试验道次数量为1次，热模拟试验温度范围700～1200℃，加热速度为50℃/s，保温时间为3min，应变速率为1s-1
，压缩变形量为50％。
68.采用上述方法够准确制定高锰钢宽温域相变、热处理以及热加工工艺，进而有效提升改善合金钢的综合性能，防止钢铁材料服役失效，降低钢铁坯料及产品的不合格率，并对相关领域推广起到理论参考作用。
69.实施例3
70.马氏体时效超高强钢
71.1)通过热力学软件系统计算各溶质元素对钢凝固过程中相变点温度的影响，然后通过差热/热重实验和等温凝固淬火实验得到不同成分钢铁材料在高温状态下的相变过程，据此推断其高温凝固模式。溶质元素包含但不限于cr、ni、mo、mn等元素，热力学软件包含但不限于jmatpro、thermo-calc等软件，软件设定冷却速度范围0.01～1000℃/s。通过软件模拟计算所获得的数据包含但不限于相图、连续冷却模拟曲线(cct)和等温冷却模拟曲线(ttt)、动力学相模拟图等。差热/热重实验和等温凝固淬火实验温度为400～1300℃，差热/热重实验得到数据包含但不限于相变温度(ac1、ac3)、相变反应焓、热重变化。高温凝固模式包含钢铁材料的凝固包晶反应温度点、珠光体、马氏体(ms/mf点)、贝氏体、奥氏体转变区温度、等温冷却曲线、连续冷却曲线等。
72.2)利用热模拟试验机进行多道次热压缩实验，测定钢铁材料的连续冷却转变图并结合热力学结果制定相关热处理工艺。热模拟试验道次数量大于3次，热模拟试验温度范围20～1200℃，其中热模拟升温速度为在20～600℃范围以20℃/s升温，在600～1200℃范围以0.1℃/s升温。
73.3)利用热模拟试验机进行单道次热压缩实验，获得不同变形条件下的真应力应变曲线，分析钢铁材料在不同温度和应变速率条件对流变应力的影响规律，建立了材料基于峰值应力的本构模型、动态再结晶动力学模型及再结晶晶粒尺寸模型，并绘制反映再结晶情况的再结晶区，基于动态材料模型及塑性失稳准则，建立钢铁材料在不同应变量下的热加工图，分析在变形过程中流变失稳区的变化规律，获得适宜实验钢热加工的工艺参数范围，并给出最佳的热变形工艺参数。热模拟试验道次数量为2次，热模拟试验温度范围700～1000℃，加热速度为60℃/s，保温时间为5min，应变速率为10s-1
，压缩变形量为60％。
74.采用上述方法够准确制定高锰钢宽温域相变、热处理以及热加工工艺，进而有效提升改善合金钢的综合性能，防止钢铁材料服役失效，降低钢铁坯料及产品的不合格率，并对相关领域推广起到理论参考作用。
75.综上所述，本发明一种钢铁材料及其热处理加工方法，通过理论模拟计算和热模拟试验，制定出合理的热处理及热加工工艺进而有效提升改善合金钢的综合性能，能够准确制定各类宽温域相变、包含多种合金元素钢铁材料的热处理及热加工工艺，有效提升改善合金钢的综合性能，防止钢铁材料服役失效，降低钢铁坯料及产品的不合格率，并对相关领域推广起到理论参考作用。
76.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种钢铁材料热处理加工方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、计算各溶质元素对钢凝固过程中相变点温度的影响，然后通过差热实验或热重实验，以及等温凝固淬火实验得到不同成分钢铁材料在高温状态下相变过程的相变温度，以及高温凝固模式；s2、基于多道次热压缩实验测定钢铁材料的连续冷却转变图，并结合步骤s1得到的相变温度和高温凝固模式制定热处理工艺；s3、通过单道次热压缩实验确定不同变形条件下的真应力应变曲线，建立钢铁材料基于峰值应力的本构模型、动态再结晶动力学模型以及再结晶晶粒尺寸模型，绘制反映再结晶情况的再结晶区，基于动态材料模型及塑性失稳准则建立钢铁材料在不同应变量下的热加工图，分析在变形过程中流变失稳区的变化规律，获得实验钢热加工的工艺参数范围，并给出最佳的热变形工艺参数。2.根据权利要求1所述的钢铁材料热处理加工方法，其特征在于，步骤s1中，通过热力学软件计算各溶质元素对钢凝固过程中相变点温度的影响，设定冷却速度为0.01～1000℃/s；模拟计算所获得的数据包含相图、连续冷却模拟曲线、等温冷却模拟曲线、动力学相模拟图。3.根据权利要求2所述的钢铁材料热处理加工方法，其特征在于，溶质元素包含cr、ni、mo和mn。4.根据权利要求2所述的钢铁材料热处理加工方法，其特征在于，热力学软件包含jmatpro和thermo-calc。5.根据权利要求1所述的钢铁材料热处理加工方法，其特征在于，步骤s1中，差热或热重实验，以及等温凝固淬火实验的温度为400～1300℃，差热或热重实验得到的数据包含相变温度、相变反应焓和热重变化。6.根据权利要求1所述的钢铁材料热处理加工方法，其特征在于，步骤s1中，高温凝固模式包含钢铁材料的凝固包晶反应温度点、珠光体、马氏体、贝氏体、奥氏体转变区温度、等温冷却曲线和连续冷却曲线。7.根据权利要求1所述的钢铁材料热处理加工方法，其特征在于，步骤s2中，多道次热压缩实验的次数量大于3次。8.根据权利要求1所述的钢铁材料热处理加工方法，其特征在于，步骤s2中，热处理工艺具体为：热模拟试验温度为20～1200℃，在20～600℃热模拟升温速度为5～20℃/s，在600～1200℃以0.01～0.1℃/s升温。9.根据权利要求1所述的钢铁材料热处理加工方法，其特征在于，步骤s3中，单道次热压缩实验的数量为1～2次，温度为700～1200℃，加热速度为40～60℃/s，保温时间为1～5min，应变速率为0.01～10s-1
，压缩变形量为40％～60％。10.根据权利要求1至9中任一项所述的钢铁材料热处理加工方法制备的钢铁材料。

技术总结
本发明公开了一种钢铁材料及其热处理加工方法，通过理论模拟计算和热模拟试验，制定出合理的热处理及热加工工艺进而有效提升改善合金钢的综合性能，防止钢铁材料服役失效，降低钢铁坯料及产品的不合格率，并对相关领域推广起到理论参考作用；本发明方法准确性强，易于实现，可在工业领域大范围推广应用。可在工业领域大范围推广应用。可在工业领域大范围推广应用。


技术研发人员：王怡然 高义民 肖鹏
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.04.18
技术公布日：2023/7/28