[發明專利]一種亞穩多相構型化疊層復合鋼及制備方法

有效

• 申請號: 202110388577.4
• 申請日: 2021-04-12
• 公開（公告）號: CN113246552B
• 公開（公告）日: 2022-04-08
• 發明（設計）人: 程文強;楊沐鑫;焦四海;張杭州;武曉雷;袁福平
• 申請（專利權）人: 中國科學院力學研究所;寶山鋼鐵股份有限公司
• 主分類號: B32B3/30
• 分類號: B32B3/30;B32B15/01;B32B15/18;B21B1/38
• 代理公司: 北京和信華成知識產權代理事務所(普通合伙) 11390
• 代理人: 吳迪

本發明涉及復合鋼材料加工技術領域，提供了一種亞穩多相構型化疊層復合鋼及制備方法，包括夾心復合層，夾心復合層的表面分別連接有表面復合層，夾心復合層包括低碳鋼層和中錳鋼層，表面復合層為不銹鋼層，兩個表面復合層之間至少包括兩張夾心復合層，分別為第一夾心復合層和第二夾心復合層；采用該技術方案，減少了復合鋼的整體成本，不銹鋼層的不銹鋼材質避免夾心復合層被腐蝕，從而提升了復合鋼的耐腐蝕性；第一夾心復合層和第二夾心復合層的構型化設計，同時結合其具備的強韌性，提升了復合鋼的強韌性，并且有效提高了復合層間的微觀塑性應變協調作用，增強界面影響區加工硬化能力，從而實現整體力學性能的優化升級。

技術領域

本發明涉及復合鋼材料加工技術領域，具體涉及這一種亞穩多相構型化疊層復合鋼。

背景技術

傳統金屬疊層復合材料是一類具有特殊組織結構和力學性能的金屬材料，是復合材料的重要分支。通常由幾種不同力學性能或理化性質的異質金屬或特定形態材料經過不同構型復合方式形成較強界面結合而成，實現比單一基體材料更優異的綜合力學性能(如強度、韌塑性)和一些獨特的使役性能(如減震、抗穿透、耐應力腐蝕等)。

金屬疊層復合材料在強韌化方面的優勢，一直是其得以獲得廣泛工業應用的重要基礎。1983年，斯坦福大學Kum等，通過焊后軋制法將高碳鋼板與低碳鋼復合，獲得高碳鋼與低碳鋼疊層復合構型，大幅度提高沖擊韌性，顯著降低韌脆轉變溫度。2017年，浦項科技大學Park等采用熱軋復合法制備出以TRIP鋼為芯部基體層，低碳鋼為雙側復合表層的TWIP復合三層板，獲得抗拉強度545–878MPa，以及強塑積48–54GPa·％的綜合力學性能匹配。2018年，四川大學Huang等同樣利用熱軋復合法制備納米晶/微米晶疊層結構Cu-CuZn-Cu復合材料，利用界面影響區及其對強度–塑性匹配性能的尺度效應，獲得優異綜合性能。2021年，哈爾濱工業大學Li等通過將粗晶層、細晶層、及混合晶粒層，進行疊層復合制備，并優化不同復合層的厚度匹配，使疊層復合樣品整體獲得了極高的屈服強度，遠超出了Hall-Petch關系和復合法則的預測值，形成了優化單相金屬材料性能的新型同質金屬的構型化復合設計策略。

同時，疊層復合材料制備用基體材料的高性能化研究也正在同步升級，2006年，德國馬普所Frommeyer等報導一種具有較高強度和極佳塑性的Fe-Mn-Al-C高比強度相變/孿晶誘發塑性(TRIP/TWIP)鋼，其微觀組織以奧氏體為基體，在基體上層狀分布著10～15％鐵素體，以及少于10％納米尺度к-型碳化物，強塑積可達60GPa·％，具有極佳的強度和塑性。2008年，日本學者Tsuzaki對0.4C-2Si-1Cr-1Mo中碳低合金鋼進行500℃中溫軋制處理，獲得了以扁平狀鐵素體晶粒為基體，細小碳化物彌散分布其上的復合型微結構，其在低溫區具有超高強度和極高的沖擊韌性，即抗拉強度1800MPa和–50℃沖擊韌性290J，比同等強度下均勻等軸晶結構高強鋼的沖擊韌性提高10倍以上。2015年，韓國學者Kim等報導了等軸狀奧氏體晶粒基體，斷續層狀、以及彌散粒狀硬脆B2-金屬間化合物相穿插其間的組織形態，抗拉強度達1500MPa，均勻延伸率不低于25％的高比強度鋼，其均勻延伸率是普通超高強度鋼的5倍以上。2017年，鋼鐵研究總院Cao等研發的含中錳TRIP/TWIP鋼，利用高溫雙相區軋制使得奧氏體與鐵素體發生幾何扁平化，后續冷卻至室溫后形成層片狀鐵素體與馬氏體相間排列的層片雙相組織，同時實現450J沖擊韌性和1.2GPa抗拉強度的優異性能匹配，充分發揮層片狀微觀組織的超高韌性和良好綜合力學性能特點。

縱觀上述高強韌性疊層復合材料設計與復合基材的發展概況可知，構型化復合結構設計與高性能化復合基層材料開發是近年來高強韌化疊層復合材料研發的核心思路。其中，構型化設計尤以將等軸狀組織向層狀、多相、TRIP/TWIP組織轉變的設計及可控制備技術探索為前沿。

但是，現有技術中的復合鋼存在下述問題：一方面成本太高，少量成本較低的復合鋼的耐腐蝕性能卻有待提升；另一方面部分復合鋼的強韌性能有待進一步提升；再一方面復合鋼的復合層間的微觀塑性應變協調作用較差，無法實現增強界面影響區加工硬化能力，從而無法實現整體力學性能的優化。