[發明專利]一種具有低馬氏體含量的高強度和高塑性304奧氏體不銹鋼的制備方法

有效

• 申請號: 201911043937.6
• 申請日: 2019-10-30
• 公開（公告）號: CN110923430B
• 公開（公告）日: 2021-09-10
• 發明（設計）人: 盧磊;潘慶松;崔方
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: C21D7/10
• 分類號: C21D7/10
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 于曉波

本發明公開了一種具有低馬氏體含量的高強度和高塑性304奧氏體不銹鋼的制備方法，屬于金屬材料強化技術領域。該方法通過對粗晶304不銹鋼棒材或管材進行小角度循環往復扭轉變形處理，從而在304不銹鋼的原始粗晶結構中引入梯度分布的位錯和納米孿晶變形微結構，同時在材料表層的馬氏體組織含量低于7％；所述小角度循環扭轉變形處理是指：將棒材或管材的一端固定，并施加力使棒材或管材的另一端繞其中心軸往復旋轉，往復旋轉一次為一個循環扭轉周次。與相同成分的均勻粗晶結構相比，經過循環往復扭轉工藝處理后的金屬材料的屈服強度提高1.5倍以上，并且具有與粗晶相當的均勻塑性。

技術領域

本發明涉及金屬材料強化技術領域，具體涉及一種具有低馬氏體含量的高強度和高塑性304奧氏體不銹鋼的制備方法。

背景技術

304奧氏體不銹鋼作為用量最大、應用最為廣泛的一種奧氏體不銹鋼，具有高韌性和塑性、易切削性以及良好耐蝕性等優點而廣泛應用于航空航天、石油化工、交通運輸等幾乎所有工業領域。近年來，隨著社會的發展，資源日益短缺、能源消耗和環境污染不斷加劇，這迫使金屬構件和裝備不斷向高性能、輕質、節能環保方向發展，使役環境越來越復雜。但奧氏體304不銹鋼的屈服強度、硬度偏低，抗疲勞性能、耐摩擦磨損性能以及耐局部腐蝕性能仍有不足，從而嚴重限制了其在苛刻工況環境下的應用。

近個世紀以來，材料研究的核心問題一直是如何提高材料的強度。迄今為止，已發展出一系列通過調控材料的成分、微觀組織結構和內部缺陷來強化金屬材料的技術，包括固溶強化、形變強化、彌散強化等。在這些技術中，利用形變強化(如冷軋變形)獲得馬氏體相是目前304不銹鋼是目前最常見的強化方式。盡管高強度馬氏體結構的引入可在一定程度上提高材料強度，但往往導致其塑性和韌性變差，加工硬化能力降低。此外，馬氏體/奧氏體相界面對材料的塑性和抗腐蝕能力有負影響。更重要的是，由于馬氏體組織在常溫下為鐵磁性，在磁場中表現出很強的磁化作用，因此不利于其在超導發電、大型核聚變裝置，磁懸浮列車、潛艇等有磁場環境下使用。

上世紀80年代，德國材料科學家Gleiter教授提出納米結構材料的概念，即將材料結構單元(如多晶材料中的晶粒尺寸)減小至納米尺度，其顯著結構特點是含有大量晶界或其它界面。大量研究結果表明利用等通道轉角擠壓、高壓扭轉等嚴重塑性變形技術可將304奧氏體不銹鋼的微米晶粒尺寸均勻細化至納米尺度(即納米結構材料)。所獲得的均勻納米結構材料的強度為粗晶結構的數倍，但其均勻塑性幾乎為0。這主要歸因于均勻納米結構材料本身的高密度缺陷嚴重抑制了位錯的增殖和應變局域化的發生，導致了加工硬化能力的缺失。此外，由于經歷嚴重塑性變形，這些納米結構主要為馬氏體相，具有明顯的磁性。因此，為了滿足在更苛刻工況環境下的使用要求，如何制備具有較少或者沒有馬氏體的高強度和高塑性304奧氏體不銹鋼是當前亟待解決的重要技術問題。

近年來，微觀結構梯度的概念被逐漸應用于工程材料設計中，其中，梯度納米晶結構(即晶粒尺寸從納米尺度連續增加至微米尺度，GNG)便是其中的一種優化金屬材料綜合性能的典型構筑結構。例如，利用表面機械碾磨處理技術制備的GNG304不僅具有較高強度，還具有良好的拉伸塑性，這主要歸功于粗晶基體對GNG表層應變局域化的限制作用。然而，由于目前發展的幾種表面變形工藝如表面機械碾磨和表面滾壓處理技術需要利用具有特殊幾何尺寸的硬質合金刀頭對金屬表面進行高速碾磨或滾壓處理，工藝技術苛刻，處理效率較低。更重要的是，利用該類變形技術處理的304奧氏體不銹鋼樣品，表面仍含有高密度的馬氏體結構，因而嚴重限制了其在有磁場工業環境中的廣泛應用。

發明內容

本發明的目的是提供一種具有低馬氏體含量的高強度和高塑性304奧氏體不銹鋼的制備方法，該方法通過對粗晶304不銹鋼進行循環扭轉加工，使材料表層沒有或僅有少量奧氏體組織轉變為馬氏體，同時該加工過程能夠顯著提高304不銹鋼的強度，并且不明顯降低304不銹鋼的均勻塑性和斷裂延伸率。

為實現上述目的，本發明所采用的技術方案如下：