本發(fā)明涉及輕質(zhì)鋼，具體涉及一種寬溫域下高強高韌輕質(zhì)鋼及制備方法。

背景技術(shù)：

1、輕質(zhì)鋼作為未來航空航天、軌道交通、船舶海洋等領(lǐng)域的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料，具有密度低、高韌性、高可成形性等特點，主要應用在汽車殼體，航空航天裝備部件等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的輕質(zhì)鋼，如奧氏體、鐵素體、奧氏體-鐵素體雙相輕質(zhì)鋼等，雖然密度顯著降低，韌性好，但屈服強度和抗拉強度很難超過1000mpa。例如中國專利公開號為：cn202110726399.1《一種780mpa級的高強塑積fe-mn-al-c系輕質(zhì)鋼及其制備方法》中公開的fe-mn-al-c系輕質(zhì)鋼僅有580mpa的屈服強度、780mpa的抗拉強度，伸長率約50％，塑韌性滿足工程應用，但強度相對較低，限制了輕質(zhì)鋼在高承載結(jié)構(gòu)件的工程應用。

2、航空航天、衛(wèi)星艦艇等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域?qū)m應溫度交變環(huán)境下的輕量化結(jié)構(gòu)材料有著重大的需求，例如深空探測器、衛(wèi)星、飛機熱交換器等。其中，深空探測器在月球、火星表面服役期間，要經(jīng)受白晝和黑夜溫差200～300℃的極端交變環(huán)境，而傳統(tǒng)的低溫鋼、高溫合金、鋁、鈦合金均無法在寬溫域下兼具可靠的綜合性能。例如中國專利公開號為：cn202211276286.7《一種超低溫工程用高強高韌馬氏體時效不銹鋼及其制造方法》中公開的馬氏體時效鋼具有1017mpa的室溫抗拉強度，15.5％的室溫總延伸率，良好的低溫韌性，但難以滿足寬溫域的服役要求，而且使用了～10％的貴金屬，限制了工業(yè)生產(chǎn)。

3、隨著航空航天工業(yè)的發(fā)展，對輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的極端環(huán)境性能提出了更高的要求，需要開發(fā)在寬溫域下兼具高強韌性的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，以滿足深空探測、高超聲速飛行器的戰(zhàn)略需求。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種寬溫域下高強高韌輕質(zhì)鋼及其制備方法，采用軋制和退火工藝調(diào)控出纖維狀鐵素體與層狀奧氏體嵌入等軸奧氏體/鐵素體雙相基體的多級結(jié)構(gòu)，高強高韌輕質(zhì)鋼先采用熱鍛、固溶和軋制變形細化奧氏體組織、纖維化鐵素體分布，再通過短時退火獲得具有高加工硬化能力的等軸與層狀奧氏體結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)室溫高強度高韌性，同時兼具出色的超低溫變形能力以及良好的中溫性能，使得可服役溫區(qū)橫跨超低溫(-196℃)至中溫(450℃-650℃)。解決了上述背景技術(shù)中提到的傳統(tǒng)材料因?qū)挏赜蛳滦阅軣o法兼具而工程應用受限的問題，為極端環(huán)境下使用的高強高韌輕質(zhì)材料提供了一種行之有效的制備工藝。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種寬溫域下高強高韌輕質(zhì)鋼，以重量百分比計,所述輕質(zhì)鋼化學成分包括：c為0.2％～0.5％，mn為25％～30％，al為10％～15％，v為0.1％～1％，w為0.1％～1％，在此基礎上另加含量為0.005％～0.1％的以下元素：si、cr、ni、cu、mo、n，余量為fe。其中，al作為輕量化元素，添加10％-15％的al可顯著降低材料密度，同時較高含量的mn元素可擴大奧氏體相區(qū)，形成穩(wěn)定的奧氏體-鐵素體雙相結(jié)構(gòu)，確保材料具有良好的韌性。

3、優(yōu)選的，所述寬溫域高強高韌輕質(zhì)鋼以等軸奧氏體/鐵素體雙相結(jié)構(gòu)為基，嵌入層狀分布的奧氏體及纖維狀分布鐵素體；所述輕質(zhì)合金鋼中鐵素體(α)含量為5％～40％，所述奧氏體(γ)含量為60％～95％；所述奧氏體/鐵素體雙相結(jié)構(gòu)基體的晶粒特征尺寸為200nm～2μm，所述層狀分布奧氏體的晶粒特征尺寸為2μm～15μm，所述纖維狀分布鐵素體的平均長度為50μm～150μm，平均寬度為0.8μm～5μm；層狀分布的奧氏體與纖維狀分布的鐵素體的長軸方向保持一致。

4、本發(fā)明通過工藝優(yōu)化，獲得了一種寬溫域下高強高韌輕質(zhì)鋼，組織為等軸奧氏體/鐵素體雙相基體、纖維狀分布鐵素體及層狀分布奧氏體。其中，在室溫變形下，奧氏體/鐵素體雙相基體具有良好的變形能力，細晶強化可有效地提高材料的強度。纖維狀分布鐵素體與層狀分布奧氏體的高位錯存儲能力，可起到增韌的效果。在超低溫變形下，開動位錯的臨界分切應力顯著提高，在保持其塑性不變的前提下，強度得到大幅提升。在中溫變形下，材料微結(jié)構(gòu)始終保持穩(wěn)定，仍以位錯平面滑移為主導塑性變形機制。因此，相比于傳統(tǒng)低溫、中溫輕質(zhì)合金，所述的寬溫域下高強高韌輕質(zhì)鋼可在多種極端溫度環(huán)境下保持優(yōu)良的綜合力學性能。

5、另一方面，為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了如下技術(shù)方案：一種寬溫域下高強高韌輕質(zhì)鋼的制備方法，包括如下步驟：

6、步驟1：按預定比例準確稱量fe、mn、al、c、v、w、si、cr、ni、cu、mo、n十二種元素原料，然后將原料在高頻真空感應熔煉爐中熔化，混合均勻后鑄入模具鑄成鋼錠。

7、步驟2：對初始鋼錠進行高溫鍛壓加工，即重新加熱-保溫-降溫-熱鍛處理成棒材；

8、步驟3：對步驟2高溫鍛壓加工后的棒材取樣板材后進行固溶處理；

9、步驟4：對步驟三固溶處理的板材(鋼板)進行室溫軋制處理；

10、步驟5：對步驟四室溫軋制處理后的板材(鋼板)進行短時退火處理后，得到高強韌輕質(zhì)鋼。

11、優(yōu)選的，步驟2中的鋼錠被重新加熱至1200℃，保溫時長為3h，于950～1150℃下熱鍛成直徑為16-24mm的棒材，最后水冷至室溫。

12、優(yōu)選的，所述步驟3中的固溶處理從熱鍛棒材中取樣板材，取樣厚度為1.5mm～10mm，固溶溫度范圍為950℃～1150℃，固溶保溫時間范圍為1h～8h，冷卻方式為水冷。

13、優(yōu)選的，所述步驟4中室溫軋制處理得到厚度為1mm的鋼板，每道次下軋量＜5％，總累積下軋量約為30～90％。

14、優(yōu)選的，所述步驟5中的短時退火溫度范圍為800℃～1000℃，保溫時間范圍為30～300s，冷卻方式為水冷，水冷至室溫。

15、優(yōu)選的，本發(fā)明制備的寬溫域下高強高韌輕質(zhì)鋼，其力學特征如下：室溫屈服強度為600mpa～1200mpa，抗拉強度為900mpa～1300mpa，均勻伸長率為20％～50％，斷裂延伸率接近30％～60％。超低溫(77k)屈服強度為1200mpa～1800mpa，抗拉強度為1500-2000mpa，均勻伸長率為20％～50％，斷裂延伸率30％～50％。中溫(723k)屈服強度為400mpa～800mpa，抗拉強度為600mpa～900mpa，均勻延伸率為30％～50％，斷裂延伸率為40％～60％。

16、優(yōu)選的，本發(fā)明制備的寬溫域下高強高韌輕質(zhì)鋼，其力學特征如下：室溫屈服強度為900mpa～1200mpa，抗拉強度為1000mpa～1300mpa，均勻伸長率為20％～35％，斷裂延伸率接近30％～50％。超低溫(77k)屈服強度為1600mpa～1800mpa，抗拉強度為1500-2000mpa，均勻伸長率為20％～25％，斷裂延伸率30％～50％。中溫(723k)屈服強度為600mpa～800mpa，抗拉強度為700mpa～900mpa，均勻延伸率為30％～40％，斷裂延伸率為40％～60％。

17、所述寬溫域下高強高韌輕質(zhì)鋼在超低溫、室溫、中溫下均具有較高的強度和優(yōu)異的塑性。原因在于，經(jīng)過高溫鍛壓、固溶及軋制處理后，獲得了高密度位錯鐵素體及奧氏體的變形結(jié)構(gòu)，強度高但塑性差。后進行短時退火，變形態(tài)組織經(jīng)回復、再結(jié)晶為等軸基體和層狀分布奧氏體，以及纖維狀分布鐵素體。強度略有降低，但有效地提高了延伸率，從而實現(xiàn)高強高韌的目的。

18、本發(fā)明提出了通過對輕質(zhì)鋼進行軋制加臨界退火處理，獲得了寬溫域下高強高韌的優(yōu)異性能。此材料組分設計及力學性能調(diào)控思路，為實現(xiàn)新一代極端環(huán)境服役的高性能輕質(zhì)鋼的制造和工程應用提供幫助。

19、本發(fā)明的有益效果是：

20、1)本發(fā)明通過成分設計和軋制退火處理獲得：在超低溫、室溫和中溫下均具有持續(xù)加工硬化能力的高強高韌輕質(zhì)鋼，并實現(xiàn)約40％的斷裂塑性。

21、2)本發(fā)明通過合理的成分設計和簡易的軋制退火工藝制備了寬溫域下高強高韌的輕質(zhì)鋼。加工工藝簡便，可規(guī)避傳統(tǒng)的中溫合金及低溫金屬材料的價格高、密度大的劣勢。