一种含铜异质结构奥氏体轻质钢及其制备方法和应用

本发明属于金属材料及热处理，具体涉及一种含铜异质结构奥氏体轻质钢及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着全球能源短缺与大气污染问题日趋严峻，汽车、航空航天等领域对结构材料轻量化的需求持续攀升。材料轻量化可有效降低车体自重、提升燃油利用率、减少碳排放，是现代交通装备研发的核心方向之一。传统结构钢材强度与刚度优异，但密度偏高，轻量化效果差；因此低密度、高强度、高塑性的新型轻质钢成为行业研究热点。

2、fe-mn-al-c系奥氏体轻质钢凭借低密度、高比强度、优良变形能力，成为汽车车身轻量化的优选材料。该钢材依靠高含量锰、铝元素降低整体密度，奥氏体面心立方晶体结构也赋予材料良好的塑性与韧性。目前行业内主要通过析出b2相、κ碳化物的析出强化方式提升该类钢材的屈服强度，虽可显著提高强度，但晶内粗大析出相会造成应力集中，大幅降低钢材塑性，引发脆性断裂问题，严重限制其在高负荷、抗冲击结构件中的使用。

3、与此同时，fe-mn-al-c轻质钢热变形激活能低，热处理过程中极易发生完全再结晶，微观组织趋于均质化。异质结构是平衡材料强度与塑性的有效手段，依靠硬区与软区协同作用提升综合性能，但现有常规热处理工艺无法在该类钢材中构建稳定的再结晶/未再结晶复合异质结构，异质结构成型难度大、性能提升效果有限。综上，现有fe-mn-al-c轻质钢存在强度与塑性无法兼顾、析出强化易产生脆性、难以构建稳定异质结构三大技术难题，亟需开发新的合金体系与制备工艺，实现轻质钢综合性能的全面升级。

技术实现思路

1、本发明针对现有fe-mn-al-c系奥氏体轻质钢析出强化塑性下降、脆性突出、难以形成稳定异质结构的技术缺陷，提供一种含铜异质结构奥氏体轻质钢及其制备方法。通过引入铜元素进行合金化改性，结合精准控温的高温短时退火工艺，抑制钢材再结晶行为、调控析出相形态与分布，构建软硬复合的异质微观结构，在大幅提升钢材强度的同时，保留甚至提升塑性与韧性，彻底解决传统轻质钢强塑倒置的问题。

2、本发明的第一方面提供了一种含铜异质结构奥氏体轻质钢，按重量百分比计，化学成分组成为：

3、mn：26~30%，

4、al：6~10%，

5、c：1~1.5%，

6、cu：3~4%，

7、余量为fe。

8、本发明的含铜异质结构奥氏体轻质钢中，锰为奥氏体稳定元素，起到保证室温单一奥氏体组织并实现固溶强化的作用；铝可以降低钢材整体密度，同时促进强化相的析出；而碳协同锰、铝可以稳定奥氏体并生成碳化物；铜兼具析出强化、固溶强化效果，可提高奥氏体体积分数、抑制晶粒再结晶，阻止析出相过度粗化，避免脆性产生。该成分体系可从原料端为异质结构成型、强塑同步提升奠定基础。

9、本发明所述异质结构，是经铜合金化和高温短时退火工艺调控后，在fe-mn-al-c奥氏体钢基体中形成的未再结晶组织（硬区）和再结晶组织（软区）共存的复合微观结构。其中：

10、硬区（未再结晶奥氏体组织）冷轧后保留大量位错、晶格畸变严重，晶粒形态被拉长，硬度与屈服强度高，塑性变形能力弱；软区（再结晶奥氏体组织）退火过程中完成静态再结晶，晶粒细小、内部位错密度低，塑性与韧性优良，强度相对偏低。两类区域在钢材内部随机或交错分布，无明显分层，依靠奥氏体晶界形成异质界面，构成完整的异质结构体系。

11、传统钢材经常规热处理后多为单一再结晶组织（均质组织）；本发明异质结构同时包含两种晶粒状态，微观组织呈现明显非均匀性，这是最直观特征。同一材料内部不同区域力学性能分化明显：未再结晶区硬度、强度更高；再结晶区塑性、延展性更好，性能差异由晶粒状态、位错密度决定。软硬区域之间存在大量异质界面；材料受外力发生塑性变形时，界面处会产生异质变形诱导应力（hdi应力），诱导几何必需位错富集，提升加工硬化能力，避免变形集中与早期颈缩断裂。进一步的，该异质结构依靠铜元素抑制再结晶+高温短时退火精准控温控时共同实现：铜的固溶拖曳作用阻碍晶粒完全再结晶，短时退火仅让部分组织完成再结晶，最终形成软硬共存结构；若退火时间过长/温度过高，组织会完全再结晶，异质结构消失。未再结晶硬区承担主要载荷，保障钢材高屈服强度与抗拉强度；再结晶软区协调整体塑性变形，吸收应变、延缓裂纹萌生，解决传统析出强化钢“强度升高、塑性骤降”的缺陷。材料变形时，软区与硬区变形速率不一致，在异质界面产生应力梯度与额外加工硬化效果，大幅提升钢材整体变形能力与抗冲击性能，适配汽车车身等动载荷工况。相较于传统依靠b2相、κ碳化物强化的均质钢，本异质结构不以粗大析出相为主要强化相，结合铜元素的纳米析出强化，减少应力集中，提升材料在高负荷、冲击环境下的服役可靠性。

12、需要说明的是，异质结构不等于双相钢，双相钢是两种不同晶体相（如奥氏体+铁素体）复合；本发明异质结构基体均为奥氏体相，仅晶粒再结晶状态不同，属于同相不同组织形态的异质结构。还需要说明的是，异质结构也不等于复合材料，复合材料是两种独立材料结合；本结构是单一合金钢基体内部组织分化，整体化学组分均匀，仅微观结构非均匀。

13、根据本发明的一些实施方式，按重量百分比计，化学成分组成为：

14、mn：28~30%，

15、al：8.0~9.0%，

16、c：1.1~1.3%，

17、cu：3.0~3.5%，

18、余量为fe。

19、根据本发明的一些实施方式，按重量百分比计，化学成分组成为：

20、mn：29.16%，

21、al：8.81%，

22、c：1.23%，

23、cu：3.24%，

24、余量为fe。

25、锰作为核心奥氏体的稳定元素，将含量控制在28%~30%，可在室温下稳定获得单一奥氏体组织，依托锰的固溶强化作用提升基体基础强度。进一步的，本发明含量区间设置合理，既避免了锰含量过低无法完全稳定奥氏体、出现有害相变，又防止了锰含量过高增加原料成本、降低钢材加工性能。

26、铝含量限定在8.0%~9.0%，一方面可显著降低钢材整体密度，实现材料轻量化目标，适配汽车车身减重需求；另一方面该含量区间能够适度促进b2相、κ碳化物析出，辅助提升钢材强度。铝含量低于8.0%时减重效果不足，高于9.0%则易造成金属间化合物过量析出，加剧钢材脆性，本区间可兼顾轻量化与材料韧性。

27、碳含量控制在1.1%~1.3%，可与锰、铝元素协同作用进一步稳固奥氏体结构，同时合理诱导碳化物生成。该含量范围既能保证碳化物的强化效果，又可避免碳含量过高引发晶界脆化、塑性下降，或是碳含量偏低导致强化作用不足的问题。

28、铜含量设置为3.0%~3.5%，是本发明的核心优化设计之一。该区间内的铜元素可形成弥散分布的纳米级富铜析出相，实现析出强化，进一步提升钢材强度；同时铜可提升奥氏体体积分数、增大层错能，有效抑制热处理过程中晶粒再结晶，为构建软硬共存的异质结构提供基础。此外，该含量下铜以固溶+纳米析出形式存在，不会产生粗大富铜相，杜绝了应力集中与脆性断裂的问题，从根本上解决传统fe-mn-al-c钢强度与塑性难以兼顾的痛点。

29、综上，本发明钢中的组分均设置了合理的波动区间，契合冶金行业常规冶炼的成分控制误差，工业熔炼过程中无需极致精准控料，降低生产难度与制造成本；同时在该成分范围内，搭配本发明制备工艺均可稳定形成目标异质结构，钢材力学性能波动小，产品一致性好。

30、本发明的第二方面提供了一种制备本发明第一方面的含铜异质结构奥氏体轻质钢的方法，包括以下步骤：

31、（1）均质化处理：将铸态钢坯加热并保温后，淬火；

32、（2）冷轧变形：将步骤（1）处理后的钢坯进行冷轧，得到钢板；

33、（3）退火淬火：将步骤（2）冷轧后的钢板在730℃～750℃退火1~3min，退火完成后，淬火至室温，得到所述的含铜异质结构奥氏体轻质钢；

34、所述铸态钢坯的化学成分组成满足本发明第一方面的含铜异质结构奥氏体轻质钢要求。

35、本发明含铜异质结构奥氏体轻质钢的制备方法，依次包括均质化处理、冷轧变形、退火淬火三大工序。其中，通过730℃～750℃退火1~3min的高温短时退火工艺，精准控制再结晶比例，形成再结晶软区+未再结晶硬区的异质结构。

36、本方法工艺路线简洁、设备要求低、工艺参数可控，无需复杂特种设备，常规钢铁加工产线即可完成，工业化适配性强。

37、根据本发明的一些实施方式，步骤（1）中，所述加热的温度为1180℃～1220℃。

38、根据本发明的一些实施方式，步骤（1）中，所述加热的温度为1180℃、1185℃、1190℃、1195℃、1200℃、1205℃、1210℃、1215℃、1220℃中的任一值，比如1200℃，或者任意两者形成的范围值，比如1190℃~1210℃。

39、根据本发明的一些实施方式，步骤（1）中，所述加热的温度为1200℃～1220℃。

40、根据本发明的一些实施方式，步骤（1）中，所述保温的时间为1.8h～2.2h。

41、根据本发明的一些实施方式，步骤（1）中，所述保温的时间为1.8h、1.9h、2.0h、2.1h、2.2h中的任一值，比如2.0h，或者任意两者形成的范围值，比如1.9h~2.1h。

42、根据本发明的一些实施方式，步骤（1）中，所述保温的时间为2h～2.2h。

43、通过上述温度和时间的均质化，能消除铸态成分偏析与组织缺陷。

44、根据本发明的一些实施方式，步骤（2）中，所述冷轧的总变形量为75%～85%。

45、根据本发明的一些实施方式，步骤（2）中，所述冷轧的总变形量为75%、76%、77%、78%、79%、80%、81%、82%、83%、84%、85%中的任一值，比如80%，或者任意两者形成的范围值，比如78%~82%。

46、75%～85%的大变形冷轧可以引入大量位错与晶格畸变，提升组织应变能。

47、根据本发明的一些实施方式，步骤（1）和步骤（3）中，所述淬火的方式为水冷淬火。

48、淬火工艺固定最终微观组织，保证性能稳定。

49、本发明的第三方面提供了一种车身结构件，由本发明第一方面的含铜异质结构奥氏体轻质钢制备得到。

50、上述含铜异质结构奥氏体轻质钢在汽车车身轻量化结构件中的应用。该材料低密度、高强度、高韧性、抗冲击能力强，完全满足汽车车身减重、防撞、安全使用要求，应用前景广阔。