阅读说明：本技术 一种同步提升低碳钢强度和塑性的塑性变形加工工艺 (Plastic deformation processing technology for synchronously improving strength and plasticity of low-carbon steel ) 是由 薛鹏 王志伟 倪丁瑞 张昊 吴利辉 马宗义 肖伯律 于 2020-06-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种同步提升低碳钢强度和塑性的塑性变形加工工艺,属于高强韧钢铁材料制备技术领域。该工艺首先在低热输入参数下对低碳钢进行水下搅拌摩擦加工,在加工区得到超细晶尺度的铁素体/马氏体双相组织；再对加工区的双相组织进行两相区短时低温退火处理与随后的水淬冷却处理,最终得到性能优异的铁素体/马氏体/奥氏体/碳化物多相组织。本发明能够在提升普通低碳钢铁材料强度的同时提升其塑性,所制备的低碳钢具有超细、等轴、多相复合的组织特点。经本塑性变形加工的材料强、塑性能均优于目前工业上ATMP生产的材料,所涉及的方法具有简单、便捷、高效和成本低廉的优点。(The invention discloses a plastic deformation processing technology for synchronously improving the strength and plasticity of low-carbon steel, and belongs to the technical field of preparation of high-strength and high-toughness steel materials. Firstly, carrying out underwater friction stir processing on low-carbon steel under low heat input parameters to obtain a ferrite/martensite dual-phase structure with an ultrafine grain size in a processing area; and then carrying out two-phase short-time low-temperature annealing treatment and subsequent water quenching cooling treatment on the two-phase structure of the processing area to finally obtain a ferrite/martensite/austenite/carbide multi-phase structure with excellent performance. The method can improve the strength and the plasticity of the common low-carbon steel material, and the prepared low-carbon steel has the structural characteristics of superfine, equiaxial and multiphase composition. The plastic deformation processed material has strong plastic property superior to the material produced by ATMP in industry at present, and the related method has the advantages of simplicity, convenience, high efficiency and low cost.)

具体实施方式

以下结合附图和实施例详述本发明。

本发明利用低热输入搅拌摩擦加工技术和短时退火工艺在提升低碳钢铁材料强度的同时大幅提升其塑性，制备出强塑性兼优的低碳钢铁材料。

本发明中所采用的低热输入搅拌摩擦加工工艺过程如图1所示。所用搅拌摩擦加工工具为无针搅拌头，工具材质为TiC基金属陶瓷或Ti(C,N)基金属陶瓷，如文献1中公开的Mo含量4wt.％、TiN含量6wt,％的Ti(C,N)/NiCrMoAlTi金属陶瓷(文献1：王全兆，高性能Ti(C,N)/NiCrMoAlTi金属陶瓷制备及与钢的连接研究[D].中国科学院金属研究所.2007.)。搅拌头自由端设计为半球状凸起结构，半球状凸起结构对应的球体半径为5-10毫米，加工深度为0.5-5毫米。搅拌摩擦加工过程在水槽中进行，水槽底面作为加工平台，工件置于加工平台上。采用普通水管输出流动水对加工区进行冷却，水温为15-25℃，水管出水口直径5-15毫米，水流速2-5升/分钟。

实施例1

使用3毫米厚的普通低碳低合金钢板，其化学成分以重量百分比计为：C 0.16％，Si 1.58％，Mn 2.75％，S 0.005％，P 0.006％，Al 0.039％，Cr 0.012％，余量为Fe。如图4中的拉伸曲线所示，母材的抗拉强度为744MPa，均匀延伸率为17.5％，总延伸率为31％。采用半径为7毫米的凸球型金属陶瓷搅拌头进行搅拌摩擦加工，工具转速275转/分钟，行进速度50毫米/分钟；加工过程采用流动水对加工区进行冷却，施加流动水所采用的水管出水口直径8毫米，流速2.2升/分钟，出水口水温为18℃，加工层深度为1.5毫米。加工后对加工区进行两相区低温退火处理，温度为720℃，保温时间为10分钟。随后对退火组织进行淬火，淬火介质为15℃自来水，转移速度为3秒。组织表征显示加工区组织由铁素体/马氏体/多边形奥氏体/碳化物组成(图2)，平均晶粒尺寸为0.6μm，马氏体相含量约为30％，碳化物相含量约为1.8％，XRD分析表明奥氏体相含量约为10.6％(图3)；由于采用了低热输入搅拌摩擦加工+低温短时退火工艺，加工区组织抗拉强度为1016MPa，相对母材提升36％，均匀延伸率和总延伸率分别为30.3％和39.1％，相对母材分别提升73％和31％(图4)。

对比例1

与实施例1不同之处在于，本实施例未采用凸形球状搅拌工具进行加工，而是采用了带有搅拌针的常规工具，具体方法如下：

使用与实施例1相同板厚、成分和力学性能的低碳低合金钢板。采用轴肩直径12毫米、搅拌针根部直径和长度分别为5毫米和2毫米的金属陶瓷搅拌头进行搅拌摩擦加工，工具转速275转/分钟，行进速度50毫米/分钟；加工过程采用流动水对加工区进行冷却，施加流动水所采用的水管出水口直径8毫米，流速2.2升/分钟，出水口水温为18℃。由于搅拌工具未采用凸形球状设计，加工过程中搅拌针从根部断裂失效，无法继续进行加工；已加工的区域底部存在大量孔洞和明显隧道，且加工区宽度不足5毫米。

对比例2

与实施例1不同之处在于，本实施例并未采用水冷工艺对加工区进行辅助冷却，具体方法如下：

使用与实施例1相同板厚、成分和力学性能的低碳低合金钢板，工具材质、尺寸和加工参数也与实施例1相同。加工过程中未采用强制水冷，而是使加工区在空气中自然冷却。随后对加工区组织在720℃保温10分钟，并在温度为15℃的自来水中做淬火处理，转移速度为3秒。由于未采用水冷工艺进行强制冷却，最终加工区组织平均晶粒尺寸较大，为6μm左右；奥氏体相含量较低，约为2％；均匀延伸率和总延伸率分别为20.2％和37.8％，相对母材有少量提升，但其抗拉强度仅为710MPa，相对母材并未有所提升。

对比例3

与实施例1不同之处在于，本实施例并未对加工区组织进行退火处理，具体方法如下：

使用与实施例1相同板厚、成分和力学性能的低碳低合金钢板，工具材质、尺寸、加工参数和辅助冷却工艺也与实施例1相同。加工后未对加工区组织进行退火处理。在加工区获得的组织平均晶粒尺寸小于1μm，为铁素体/马氏体双相组织。由于未经后续退火处理调控相成分，加工区未检测到奥氏体相的存在，而马氏体相含量高达90％以上，拉伸测试结果表明加工区组织抗拉强度为1825MPa，为母材的1.4倍，但塑性相对母材大幅降低，均匀延伸率低于3％，总延伸率低于10％。

对比例4

与实施例1不同之处在于，本实施例采用了较高温度的退火处理，且缩短了退火时间，具体方法如下：

使用与实施例1相同板厚、成分和力学性能的低碳低合金钢板，工具材质、尺寸、加工参数和辅助冷却工艺也与实施例1相同。加工后对加工区组织进行两相区中温退火处理，温度为740℃，保温时间为3分钟。随后对退火组织进行淬火，淬火介质为15℃自来水，转移速度为3秒。由于所采用的退火工艺不合理，在最终的加工区中未检测到马氏体和奥氏体相的存在，而碳化物相含量高达4％以上；力学测试表明加工区组织抗拉强度为1029MPa，相对母材提升33％，但塑性相对母材大幅降低，均匀延伸率低于1％，总延伸率低于15％。

实施例2

使用4毫米厚的普通低碳低合金钢板，其化学组分以重量百分比计为：C 0.12％，Si 1.05％，Mn 2.07％，S 0.004％，P 0.003％，Al 0.021％，Cr 0.007％，余量为Fe；其抗拉强度、均匀延伸率和总延伸率分别为857MPa、15％和22％。采用半径为10毫米的凸球型金属陶瓷搅拌头进行搅拌摩擦加工，工具转速220转/分钟，行进速度30毫米/分钟；加工过程采用流动水对加工区进行冷却，水管出水口直径8毫米，流速2.5升/分钟，出水口水温为19℃。加工后对加工区进行两相区低温退火处理，温度为710℃，保温时间为10分钟。随后对退火组织进行淬火，淬火介质为15℃自来水，转移速度为5秒。由于采用了改进的加工工具、较低的加工参数和合理的退火工艺，最终得到的加工区组织平均晶粒尺寸小于1μm，并含有约6％奥氏体相，38％马氏体相；抗拉强度为1200MPa，相对母材提升40％，均匀延伸率和总延伸率分别为21％和31％，相对母材分别提升40％和41％。

实施例3

使用4毫米厚的普通低碳钢板，其化学组分以重量百分比计为：C 0.20％，Si1.34％，Mn 2.25％，S 0.004％，P 0.005％，Al 0.030％，Cr 0.006％，余量为Fe；其抗拉强度、均匀延伸率和总延伸率分别为550MPa、20％和34％。采用半径为5毫米的凸球型金属陶瓷搅拌头进行搅拌摩擦加工，搅拌头转速300转/分钟，行进速度100毫米/分钟；加工过程对加工区冷却所采用的水管出水口直径为8毫米，流速为2.5升/分钟。加工后对加工区进行两相区退火处理，温度为720℃，保温时间为15分钟。随后对退火组织进行淬火，淬火所用自来水水温为15℃，转移时间为5秒。微观组织观察表明最终所得加工区组织的平均晶粒尺寸接近1μm，所含奥氏体相体积分数约为8％，马氏体相体积分数约为33％，碳化物相体积分数约为2.1％；拉伸结果表明加工区组织的抗拉强度为930MPa，相对母材提升69％，均匀延伸率和总延伸率分别为35％和44％，相对母材分别提升75％和29％。

实施例4

使用3毫米厚的普通低碳钢板，其化学组分以重量百分比计为：C 0.11％，Si1.75％，Mn 2.05％，S 0.004％，P 0.006％，Al 0.020％，Cr 0.006％，余量为Fe；其抗拉强度、均匀延伸率和总延伸率分别为600MPa、25％和29％。采用半径为7毫米的凸球型金属陶瓷搅拌头进行搅拌摩擦加工，搅拌头转速275转/分钟，行进速度100毫米/分钟；加工过程所采用的冷却水管出水口直径8毫米，流速2.5升/分钟。加工后对加工区进行两相区退火处理，温度为710℃，保温时间为5分钟。随后对退火组织进行淬火，淬火所用自来水水温为15℃，转移时间为5秒。微观组织观察表明最终所得加工区组织的平均晶粒尺寸约为0.7μm，所含奥氏体相体积分数约为14％，马氏体相体积分数约为39％，碳化物相体积分数约为1.7％；拉伸结果表明加工区组织的抗拉强度为1300MPa，相对母材提升117％，均匀延伸率和总延伸率分别为28％和33％，相对母材分别提升12％和14％。

对比例4

与实施例4不同之处在于，本实施例在搅拌摩擦加工过程中采用了较高的热输入参数，具体方法如下：

使用与实施例4相同板厚、成分和力学性能的普通低碳钢板，工具材质、尺寸和行进速度也与实施例4一致，但工具转速增加到了400转/分钟。加工过程对加工区进行强制冷却，工艺同实施例4。加工后搅拌头表面可发现肉眼可见裂纹，且存在明显的磨损现象。随后对加工区组织进行与实施例4相同的退火和淬火处理。对最终加工区进行组织观察发现其中存在明显的磨损颗粒，平均晶粒尺寸接近1μm；拉伸测试结果表明加工区组织的抗拉强度为900±100MPa，虽相对母材有一定程度提升，但由于磨损颗粒的引入使强度波动较为明显；均匀延伸率和总延伸率分别为17％和19％，相对母材均显著降低。