一种奥氏体-形变诱发马氏体双相异构不锈钢及制备方法

1.本发明属于不锈钢异构材料生产技术领域，特别涉及一种奥氏体-形变诱发马氏体双相异构不锈钢及其制备方法。


背景技术：

2.奥氏体不锈钢是钢铁结构材料的重要组成部分，其以高塑性、易成形、耐腐蚀等性能特点，被广泛应用于石油化工、核电、航空航天等各工业领域。304不锈钢是奥氏体不锈钢的典型代表，其常以退火态粗晶组织供货，这导致其屈服强度较低，平均晶粒尺寸为20-80μm的304不锈钢，屈服强度仅为100-300mpa。不锈钢过低的屈服强度已不能满足高强构件的使用要求，这严重制约了奥氏体不锈钢的发展。因此，提高奥氏体不锈钢的屈服强度成为了其发展需要解决的难题。
3.形变诱发马氏体相变是亚稳奥氏体在外加载荷作用下转变为马氏体的相变过程，相变产物称之为形变诱发马氏体，是一种硬化相，可提高亚稳奥氏体不锈钢的屈服强度。基于此，有研究人员指出，可利用形变诱发马氏体相变强化提高不锈钢的屈服强度。然而，实验结果揭示形变诱发马氏体相变强化能有效地提高不锈钢的屈服强度，但是其却严重降低了不锈钢的塑性。这制约了形变诱发马氏体相变强化在改善不锈钢屈服强度上的应用。
4.以上分析揭示，恶化不锈钢的塑性是制约形变诱发马氏体相变强化手段在奥氏体不锈钢屈服强度提升上应用的瓶颈。对此，开发出既能提高奥氏体不锈钢屈服强度，又能保证不锈钢塑性的形变诱发马氏体相变强化方法成为了科研人员研究的重点和难点。


技术实现要素：

5.本发明针对现有奥氏体不锈钢引入形变诱发马氏体强化相后塑性严重降低的问题，提出了奥氏体-形变诱发马氏体片层相间双相异质结构设计。本发明的亮点在于片层状的奥氏体被用于提供良好的塑性，而片层状形变诱发马氏体则被用于提供高强度，实现高强塑性设计。本发明首先利用高温处理提高商业不锈钢板的晶粒尺寸，降低其变形抗力和机械稳定性；随后利用低温交叉压延变形处理，使奥氏体完全转变为细小形变诱发马氏体；最后利用激光对不锈钢进行选区加热处理，通过调控激光处理区域实现奥氏体-形变诱发马氏体片层相间异质结构设计，实现不锈钢的高强塑性。
6.为了达到上述目的，本发明是通过如下手段得以实现的：
7.本发明第一方面提供了一种奥氏体-形变诱发马氏体双相异构不锈钢的制备方法，包括如下步骤：
8.(1)将厚度为d的退火态的不锈钢板加热至1000-1150℃，并进行保温处理；所述d为5-10mm；
9.(2)将保温处理后的不锈钢板淬火至室温，然后进行降温处理；
10.(3)降温处理后于相同温度下对不锈钢板进行交叉压延变形处理，变形量为80-95％，将钢板厚度压延至0.5-1mm；
11.(4)垂直于不锈钢板压延方向，利用激光对其进行选取加热区进行加热处理，加热区呈直线状平行分布，激光的功率为100-300w，加工速度为500-3000mm/min，束斑尺寸为0.5-1mm；加热处理时激光束沿直线运动，两条相邻直线加热区中心之间的距离为1-1.5mm。
12.作为优选地，步骤(1)中所述不锈钢板为304不锈钢板。
13.作为优选地，步骤(1)中所述保温处理的时间为t1分钟，t1＝(5-15)*d；最优选地，所述保温处理的时间t1＝12*d。
14.作为优选地，步骤(1)中所述保温处理的温度为1150℃。
15.作为优选地，步骤(2)中所述保温处理的时间为t2分钟，t2＝(15-30)*d；最优选地，所述保温处理的时间t2＝20*d。
16.作为优选地，步骤(2)中所述降温处理的温度为-60～-100℃。
17.作为优选地，步骤(3)中所述变形量为90％。
18.作为优选地，步骤(4)中所述激光加热区的激光功率为200w，加工速度为1500mm/min，束斑尺寸为0.8mm。
19.作为优选地，步骤(4)中所述两条相邻直线加热区中心之间的距离为1.3mm。
20.作为优选地，步骤(4)利用激光进行加热处理时，于加热区两侧放置低温散热板，用于对未加热区进行散热、加热区快速冷却处理。
21.作为优选地，所述低温散热板的温度为-30～-80℃；最优选地，所述低温散热板的温度为-50℃。
22.本发明第二方面提供了根据上述制备方法制备得到的奥氏体-形变诱发马氏体双相异构不锈钢。
23.形变诱发马氏体具有高强度，是提高奥氏体不锈钢屈服强度的潜在硬化相。然而，形变诱发马氏体的常规引入将会恶化不锈钢的塑性。对此，如何保证不锈钢尤其是304不锈钢中引入形变诱发马氏体后的塑性成为了科研人员关注的重点。异质结构兼具不同结构的性能特点，近年来成为了高性能材料设计的一个重要方向。片层状软硬双相异质结构即可利用片层状硬相的强化效应提高材料的强度，又可利用片层状软相塑性效应改善材料的塑性，可满足材料高性能设计的要求。
24.奥氏体是软相，其在变形过程中将产生形变诱发相变塑性效应，可有效改善材料的塑性和加工硬化性能
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而形变诱发马氏体是硬化相，其能提供高强度。对此，将以上两种相相结合，设计制备出奥氏体-形变诱发马氏体片层相间的双相异质结构可实现材料的高性能设计。根据上述思路，可先利用变形条件向奥氏体不锈钢中引入形变诱发马氏体；然后再利用退火工艺将部分形变诱发马氏体逆相变为奥氏体，则可获得奥氏体-马氏体双相异质结构。对于片层相间双相异质结构的制备，则需要退火区域呈规则的片层状，激光选区加热处理可满足上述需求。因此，本发明提出软态交叉压延变形结合激光选区加热的耦合工艺制备奥氏体-形变诱发马氏体片层相间的双相异质结构。
25.实现上述方案需要完成两个阶段的任务：(1)制备出形变诱发马氏体组织的不锈钢；(2)利用激光选区加热处理对上述不锈钢进行片层状选区热处理。针对第一个任务，本发明设计了奥氏体软化+低温交叉压延变形处理。奥氏体软化的目的是降低其机械稳定性，促进形变诱发马氏体相变，同时降低不锈钢的变形抗力，具体实施是利用高温保温处理提高奥氏体的晶粒尺寸；低温交叉压延变形处理中的低温环境可以降低不锈钢的层错能，进
一步激发形变诱发马氏体相变，交叉压延变形处理则以多方向变形的特点，使不锈钢在变形过程中产生更多的马氏体相变形核质点，进一步促进形变诱发马氏体相变。通过以上设计可使不锈钢获得近于100％的形变诱发马氏体组织。针对第二个任务，本发明设计了激光选区加热处理工艺，此设计利用了激光加热区域范围小，加热区域可控的特点对不锈钢带进行退火处理。通过以上两个任务的工艺，可实现奥氏体-形变诱发马氏体片层相间双相不锈钢的制备。
26.本发明相对于现有技术具有如下有益效果：
27.(1)本发明提出了不锈钢带奥氏体-形变诱发马氏体片层相间的异质结构设计。解决了不锈钢尤其是304不锈钢在引入形变诱发马氏体后塑性降低的问题，为亚稳奥氏体不锈钢的高性能设计提供了新思路。
28.(2)本发明提出了低温交叉压延变形与激光选区加热耦合的新工艺，利用该工艺可以调控亚稳奥氏体不锈钢的组织结构，为材料组织结构设计提供了新方向。提高了不锈钢的屈服强度并保持了良好的塑性，实现了不锈钢的高性能设计；同时生产工艺简单，可进行大规模生产。
具体实施方式
29.为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
30.实施例1
31.一种奥氏体-形变诱发马氏体双相异构不锈钢，其制备方法包括如下步骤：
32.(1)将5mm厚的退火态304不锈钢板加热至1100℃，并进行保温处理60min；
33.(2)将保温处理后的不锈钢板淬火至室温，然后于-80℃低温环境中冷却100min；
34.(3)于-80℃对不锈钢板进行交叉压延变形处理，变形量为90％，将钢板厚度压延至0.5mm；
35.(4)垂直于不锈钢板压延方向，利用激光对其进行选取加热区进行加热处理，加热区呈直线状平行分布，加热区两侧放置有温度为-50℃的低温散热板；激光的功率为200w，加工速度为1500mm/min，束斑尺寸为0.8mm；加热处理时激光束沿直线运动，两条相邻直线加热区中心之间的距离为1.3mm。
36.实施例2
37.一种奥氏体-形变诱发马氏体双相异构不锈钢，其制备方法包括如下步骤：
38.(1)将5mm厚的退火态304不锈钢板加热至1000℃，并进行保温处理25min；
39.(2)将保温处理后的不锈钢板淬火至室温，然后于-60℃低温环境中冷却75min；
40.(3)于-60℃对不锈钢板进行交叉压延变形处理，变形量为80％，将钢板厚度压延至1mm；
41.(4)垂直于不锈钢板压延方向，利用激光对其进行选取加热区进行加热处理，加热区呈直线状平行分布，加热区两侧放置有温度为-30℃的低温散热板；激光的功率为100w，加工速度为500mm/min，束斑尺寸为0.5mm；加热处理时激光束沿直线运动，两条相邻直线加热区中心之间的距离为1mm。
42.实施例3
43.一种奥氏体-形变诱发马氏体双相异构不锈钢，其制备方法包括如下步骤：
44.(1)将5mm厚的退火态304不锈钢板加热至1150℃，并进行保温处理75min；
45.(2)将保温处理后的不锈钢板淬火至室温，然后于-100℃低温环境中冷却150min；
46.(3)于-100℃对不锈钢板进行交叉压延变形处理，变形量为85％，将钢板厚度压延至0.75mm；
47.(4)垂直于不锈钢板压延方向，利用激光对其进行选取加热区进行加热处理，加热区呈直线状平行分布，加热区两侧放置有温度为-80℃的低温散热板；激光的功率为300w，加工速度为3000mm/min，束斑尺寸为1mm；加热处理时激光束沿直线运动，两条相邻直线加热区中心之间的距离为1.5mm。
48.对比例1
49.一种304不锈钢，其制备方法包括如下步骤：
50.(1)将5mm厚的退火态304不锈钢板于-80℃低温环境中冷却100min；
51.(2)于-80℃对不锈钢板进行交叉压延变形处理，变形量为90％，将钢板厚度压延至0.5mm；
52.(3)垂直于不锈钢板压延方向，利用激光对其进行选取加热区进行加热处理，加热区呈直线状平行分布，加热区两侧放置有温度为-50℃的低温散热板；激光的功率为200w，加工速度为1500mm/min，束斑尺寸为0.8mm；加热处理时激光束沿直线运动，两条相邻直线加热区中心之间的距离为1.3mm。
53.对比例2
54.一种304不锈钢，其制备方法包括如下步骤：
55.(1)将5mm厚的退火态304不锈钢板加热至1100℃，并进行保温处理60min；
56.(2)垂直于不锈钢板压延方向，利用激光对其进行选取加热区进行加热处理，加热区呈直线状平行分布，加热区两侧放置有温度为-50℃的低温散热板；激光的功率为200w，加工速度为1500mm/min，束斑尺寸为0.8mm；加热处理时激光束沿直线运动，两条相邻直线加热区中心之间的距离为1.3mm。
57.对比例3
58.一种304不锈钢，其制备方法包括如下步骤：
59.(1)将5mm厚的退火态304不锈钢板加热至1100℃，并进行保温处理60min；
60.(2)将保温处理后的不锈钢板淬火至室温，然后于-80℃低温环境中冷却100min；
61.(3)于-80℃对不锈钢板进行交叉压延变形处理，变形量为90％，将钢板厚度压延至0.5mm；。
62.验证例1
63.分别取商业304不锈钢钢板、实施例1-3及对比例1-3制备获得的不锈钢，对其组织结构、屈服强度和延伸率采用本领域的常规技术方法进行检测，具体检测结果如下表1所示。
64.表1商业304不锈钢、实施例1-3及对比例1-3不锈钢检测结果
65.组别是否获得异质结构屈服强度(mpa)均匀延伸率商业钢板否25654％
实施例1是89348％实施例2是90444％实施例3是88349％对比例1是78050％对比例2否16060％对比例3否13676％
66.通过对比实施例1-3不锈钢与商业不锈钢板的性能发现，等轴奥氏体-形变诱发马氏体片层相间异质结构能在不严重损害塑性(≥40％)的前提下，大幅提升不锈钢的屈服强度。
67.通过对比分析实施例1-3与对比例1-3的结果，可得如下结论：
68.(1)对照实施例与对比例可知，异质结构的构建能有效提高商业304不锈钢的屈服强度，同时融入高温等温处理的设计能进一步提升304不锈钢的屈服强度。
69.(2)对比例1中未设置高温等温处理工艺；对比例2中未设置低温交叉压延变形工艺；对比例3中未设置激光选区加热处理工艺。对比例1实现了异质结构的构筑，但是未能使异质结构获得更优的性能，而对比例2和3均未能获得异质结构。上述分析揭示，高温等温、低温交叉压延变形及激光选区加热处理均为必不可少的条件，缺少任一工序都无法使304不锈钢获得最佳性能。
70.以上具体实施方式部分对本发明所涉及的分析方法进行了具体的介绍。应当注意的是，上述介绍仅是为了帮助本领域技术人员更好地理解本发明的方法及思路，而不是对相关内容的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域技术人员还可以对本发明进行适当的调整或修改，上述调整和修改也应当属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种奥氏体-形变诱发马氏体双相异构不锈钢的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将厚度为d的退火态的不锈钢板加热至1000-1150℃，并进行保温处理；所述d为5-10mm；(2)将保温处理后的不锈钢板淬火至室温，然后进行降温处理；(3)降温处理后于相同温度下对不锈钢板进行交叉压延变形处理，变形量为80-95％，将钢板厚度压延至0.5-1mm；(4)垂直于不锈钢板压延方向，利用激光对其进行选取加热区进行加热处理，加热区呈直线状平行分布，激光的功率为100-300w，加工速度为500-3000mm/min，束斑尺寸为0.5-1mm；加热处理时激光束沿直线运动，两条相邻直线加热区中心之间的距离为1-1.5mm。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述不锈钢板为304不锈钢板。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述保温处理的时间为t1分钟，t1＝(5-15)*d。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述保温处理的时间为t2分钟，t2＝(15-30)*d。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述降温处理的温度为-60～-100℃。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述变形量为90％。7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述激光加热区的激光功率为200w，加工速度为1500mm/min，束斑尺寸为0.8mm。8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)利用激光进行加热处理时，于加热区两侧放置低温散热板。9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述低温散热板的温度为-30～-80℃。10.根据权利要求1-9任一项所述制备方法制备得到的奥氏体-形变诱发马氏体双相异构不锈钢。

技术总结
本发明涉及一种奥氏体-形变诱发马氏体双相异构不锈钢及其制备方法。本发明异构组织的特点是等轴状奥氏体与形变诱发马氏体片层相间分布，呈规则的片层结构，其制备方法如下：首先对商业不锈钢板进行高温加热处理，提升不锈钢的晶粒尺寸；然后对不锈钢进行低温交叉压延变形处理，使等轴状的奥氏体晶粒全部转变为细小的形变诱发马氏体；最后将激光作为热源对不锈钢进行选区加热处理，使选定区域材料组织中的形变诱发马氏体逆相变为奥氏体，使不锈钢获得奥氏体-形变诱发马氏体片层相间的双相组织，实现不锈钢奥氏体-马氏体片层相间异质结构设计及其制备。构设计及其制备。


技术研发人员：习小慧 王金亮 李玲玲 刘星 刘大海 吴桐 蔡浩贤 谢婷欣 罗炜聪 刘达 黎华锋
受保护的技术使用者：广东海洋大学
技术研发日：2023.05.16
技术公布日：2023/8/4