Высокопрочная сталь системы fe-mn-al-c, обладающая эффектом twip и trip


 


Владельцы патента RU 2615738:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ") (RU)

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению конструкционной высокопрочной аустенитной высокомарганцевой стали, обладающей эффектами пластичности, наведенной двойникованием (TWIP) и наведенной превращением (TRIP), используемой в строительстве для изготовления демпфирующих элементов сейсмостойких сооружений. Сталь содержит, вес.%: марганец 9–30, углерод 0,01–0,8, алюминий 0,01–1,0, кремний 0–6, азот 0,015–0,4, водород не более 0,0004, сера не более 0,01, фосфор не более 0,01, железо и неизбежные примеси остальное. Сталь обладает высокими значениями механических свойств при циклических нагрузках. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 пр.

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению конструкционной высокопрочной аустенитной высокомарганцевой стали, обладающей эффектом пластичности, наведенной двойникованием, которая может быть использована в строительстве, в том числе - для изготовления демпфирующих элементов, используемых в сейсмостойких сооружений.

Основные требования к таким материалам - высокий уровень механических свойств при циклических нагрузках, которым подвержены демпфирующие элементы сейсмостойких сооружений. Такой высокий уровень механических свойств обеспечивается присутствием в микроструктуре наноразмерных двойников деформации (20-50 нм) в результате эффекта пластичности, наведенной двойникованием. Для наличия эффекта пластичности, наведенной двойникованием, требуется значение энергии дефектов упаковки (ЭДУ) в интервале от 20 до 40 мДж/м2 [Saeed-Akbari A., Mosecker L., Schwedt A. &Bleck W. Characterization and Prediction of Flow Behavior in High-Manganese Twinning Induced Plasticity Steels: Parti. Mechanism Mapsand Work-Hardening Behavior. Metall. Mater. Trans. A 43, 1688-1704 (2011)]. Такие значения достигаются при наличии в составе:

- марганца (Mn)

- углерода (С)

- алюминия (Al)

- кремния (Si)

- азота (N)

Известна деформируемая сталь для облегченных конструкций (RU 2430184, опубл. 27.01.2010) со свойствами TRIP и TWIP, содержащая элементы, вес.%: С=0,05-1,0, Al=0,0-11,0, Si=0,0-6,0, Al+Si>0,5, Mn=9,0-25,0, Н<20 ч./млн, железо и обычно сопутствующие стали элементы остальное, причем в зависимости от состава сплава присутствуют разные фазы, отличающаяся тем, что низкому содержанию марганца соответствует повышенное содержание углерода и повышенному содержанию марганца соответствует низкое содержание углерода, при этом парные значения С-Mn располагаются в системе координат С-Mn приблизительно на одной прямой, соединяющей линии, отстоящей от парных значений С-Mn, находящихся в равновесном состоянии между у фазой (аустенит) и фазой α' (мартенсит).

Недостатком данной стали является отсутствие азота в данной стали, что не позволяет достичь требований по значениям прочности, предъявляемых к современным сталям для демпфирующих элементов сейсмостойких сооружений.

Известна высокопрочная TWIP сталь и способ производства листа из этой стали (US 20100012233, опубл. 21.01.2010). Данная сталь содержит в вес. %: 0,15-0,3 С, 0,01-0,03% Si, 15-25% Mn, 1,2-3,0% Al, Р≤0,02%, 0,001-0,002% S, 4,0-5,0 Ti и остальное железо и неизбежные примеси.

Недостатком данной стали является низкое содержание углерода (до 0,3%), алюминия (1,2-3,0%), кремния (0,01-0,03%) и отсутствие азота, что не позволяет достичь требуемых высоких свойств прочности и пластичности, предъявляемых к современным сталям для демпфирующих элементов сейсмостойких сооружений.

Наиболее близким техническим решением к предложенной стали является аустенитная высокомарганцевая сталь с TWIP-эффектом (ЕР №1067203, опубл. 10.01.2001). Также в патенте описан способ получения полос и листов из данной стали. Изобретение описывает сталь следующего состава (вес.%): C от 0,001 до 1,6%, Mn от 6 до 30%, Ni ≤ 10%, при этом (Mn+Ni) от 16 до 30%; Si ≤ 2,5%, Al ≤ 6%, Cr ≤ 10%; (P+Sn+Sb+As) ≤ 0,2% (S+Se+Te) ≤ 0,5%; (V+Ti+Nb+B+Zr+редкоземельные) ≤ 3%; (Mo+W) ≤ 0,5%, N ≤ 0,3%, Cu ≤ 5%, остальное железо и примеси от плавки. В соответствии с этим способом тонкую полоску толщиной от 1,5 до 10 мм разливают в литейной машине непосредственно из жидкого металла, затем данные полосы выкатываются в холодную с обжатием от 10 до 90% в один или несколько проходов, затем осуществляется рекристаллизационный отжиг полос.

Недостатком данной стали является пониженное содержание кремния (Si≤2,5%), т.к. известно, что добавки кремния повышают стабильность аустенита, а также измельчают зерно, что приводит к повышению прочностных характеристик.

Задачей предлагаемого изобретения является получение высокопрочной высокомарганцевой аустенитной стали, обладающей высоким уровнем механических свойств при циклических нагрузках, которым подвержены демпфирующие элементы сейсмостойких сооружений.

Поставленная задача достигается за счет того, что высокопрочная высокомарганцевая аустенитная сталь содержит марганец (Mn), углерод (С), алюминий (Al), кремний (Si), азот (N), при этом имеет минимальное содержание вредных примесей таких как водород (H), сера (S) и фосфор (P), остальное железо и неизбежные примеси. Ультравысокопрочная сталь системы Fe-Mn-Al-C,обладающая эффектом TWIP и TRIP имеет следующее соотношение компонентов, вес.%:

Марганец (Mn) 9-30
Углерод (С) 0,01–0,8
Алюминий (Al) 0–6
Кремний (Si) 0–6
Азот (N) 0–0,3
Водород (H) не более 0,0004
Сера (S) не более 0,01
Фосфор (P) не более 0,01
Железо (Fe) и неизбежные примеси остальное

Между компонентами выполняются следующие соотношения:

20<27,06*С+0,576*Mn+2,26*Al-2*Si+73*N<40,

где C, N, Mn, Si, N содержание химических элементов, вес.%.

Технический результат заключается в получении высокопрочной высокомарганцевой аустенитной стали, обладающей высоким уровнем механических свойств при циклических нагрузках, которым подвержены демпфирующие элементы сейсмостойких сооружений.

Введение в сталь марганца в количестве 9–30% обеспечивает нужное значение энергии дефекта упаковки. При этом введение марганца в количествах более 30% может привести к образованию хрупкой бета-фазы, что отрицательно скажется на механических свойствах стали. Введение углерода в сталь в количествах 0,01–0,8% позволяет упрочнить ее по механизму твердорастворного упрочнения. При этом углерод и марганец образуют октаэдрические кластеры, что приводит к дополнительному упрочнению по механизму DSA (dynamic strain aging–динамическое старение под напряжением). Добавление углерода в количествах больших 0,8 вес.% приводит к образованию карбидов, пагубно влияющих на пластичность стали. Алюминий добавляется в сталь для подавления эффекта отложенного разрушения [Ryu J.H., Kim S.K., Lee C.S., Suh D.-W. &Bhadeshia, H. K. D. H. Effect of aluminium on hydrogen-induced fracture behaviour in austenitic Fe-Mn-C steel. Proc. R. Soc. A Math. Phys. Eng. Sci. 469, pp. 1–14 (2012)]. Кроме того, алюминий повышает высокотемпературную пластичность сталей, что облегчает горячую прокатку. Добавки кремния (до 6 вес.%) повышают стабильность аустенита, а также измельчают зерно, что приводит к повышению прочностных характеристик. Содержание азота (0,3–0,4%) обусловлено его предельной растворимостью в твердом растворе, превышение содержания азота может привести к образованию пористости из-за образования газообразного азота при выплавке и сварке. Особое внимание следует уделять пониженному содержанию водорода, т.к. присутствие водорода может приводить к охрупчиванию и отложенному разрушению высокопрочных высокомарганцевых аустенитных сталей [Ryu J.H., Kim S.K., Lee C.S., Suh D.-W. &Bhadeshia H. K. D. H. Effect of aluminium on hydrogen-inducedf racture behaviour in austenitic Fe-Mn-C steel. Proc. R. Soc. A Math. Phys. Eng. Sci. 469, pp. 1–14 (2012)]. Высокие значения механических свойств при циклических нагрузках достигаются за счет присутствия в химическом составе элементов внедрения: углерода и азота, а также микроструктурного дизайна: присутствия наноразмерных двойников, появляющихся при деформации в результате эффекта пластичности, наведенной двойникованием [Kusakin P., Belyakov A., Haase C., Kaibyshev R.&Molodov D.A. Microstructure evolution and strengthening mechanisms of Fe–23Mn–0.3C–1.5Al TWIP steel during cold rolling. Mater. Sci. Eng. A 617, 52–60 (2014)].

Предложенный способ позволяет получить высокопрочную высокомарганцевую аустенитную сталь с эффектом пластичности, наведенной двойникованием, с высокими значениями механических свойств при циклических нагрузках. Более высокое содержание кремния по сравнению с прототипом обеспечивает более мелкое зерно и соответственно более высокие прочностные свойства.

Примеры осуществления.

Пример 1. Были отлиты два сплава предлагаемого химического состава. Стали предложенного химического состава были отлиты в индукционной печи и подвергнуты электрошлаковому переплаву. После чего стали были подвергнуты гомогенизационному отжигу и ковке. Химический состав предлагаемого сплава и прототипа представлены в таблице 1 на Фиг.1.

Предлагаемые сплавы выплавляли в 50-кг индукционной печи и разливали в изложницы для слитков массой 25 кг. Слитки ковали и прокатывали в лист высотой 30 мм. В результате, стали предлагаемых составов обладают повышенной стойкостью к усталостному разрушению: сталь предлагаемого состава 2 имеет усталостную выносливость 460 MПа, а сталь предлагаемого состава 3 имеет усталостную выносливость 475 MПа на базе 105 циклов, соответственно.

Пример 2. Был отлит сплав предлагаемого химического состава. Сталь предложенного химического состава была отлита в индукционной печи и подвергнута электрошлаковому переплаву. После чего сталь была подвергнута гомогенизационному отжигу и ковке. Химический состав предлагаемого сплава и прототипа представлены в таблице 2 на Фиг. 2.

Сталь предлагаемого химического состава выплавляли в 50-кг индукционной печи и разливали в изложницы для слитков массой 25 кг. Слитки ковали и прокатывали в лист высотой 30 мм. В результате, сталь предлагаемого состава обладает повышенной стойкостью к усталостному разрушению: усталостная выносливость стали составляет 470 MПа на базе 105 циклов.

1. Высокопрочная сталь системы Fe-Mn-Al-C, обладающая эффектом TWIP и TRIP, содержащая углерод, марганец, алюминий, кремний, водород, серу, фосфор, железо и неизбежные примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит азот при следующем соотношении компонентов, вес.%:

марганец (Mn) 9-30
углерод (С) 0,01–0,8
алюминий (Al) 0,01–1,0
кремний (Si) 0–6
азот (N) 0,015–0,4
водород (H) не более 0,0004
сера (S) не более 0,01
фосфор (P) не более 0,01
железо (Fe) и неизбежные примеси остальное

2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что содержание компонентов удовлетворяет следующему соотношению:

20 < 27,06×С+0,576×Mn+2,26×Al-2×Si+73×N < 40,

где C, N, Mn, Si, Al, N - содержание соответствующего химического элемента, вес.%.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии. Для обеспечения улучшенных магнитных свойств полосы из электротехнической стали, имеющей следующий состав легирующих добавок, в весовых процентах: С от 0,001 до 0,08, Al от 4,8 до 20, Si от 0,05 до 10, В до 0,1, Zr до 0,1, Cr от 0,1 до 4, железо и неизбежные примеси – остальное, получают расплав из стали указанного состава, отливают полосу толщиной от 6 до 30 мм в горизонтальной установке, прокатывают полосу со степенью деформации по меньшей мере 50% в горячекатаную полосу.

Изобретение относится к области металлургии. Для обеспечения механической прочности более или равной 600 МПа и удлинения при разрыве более или равного 20% изготавливают катаный стальной лист, химический состав которого содержит, мас.%: 0,10≤C≤0,30, 6,0≤Mn≤15,0, 6,0≤Al≤15,0, и, необязательно, один или несколько элементов, выбранных из числа следующих: Si≤2,0, Ti≤0,2, V≤0,6 и Nb≤0,3, железо и неизбежные при переработке примеси – остальное, при выполнении условия: отношение массы марганца к массе алюминия .

Изобретение относится к области металлургии, а именно к изготовлению листа из текстурированной электротехнической стали, используемого для получения сердечников трансформаторов и электрогенераторов.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к холоднокатаному стальному листу, используемому в автомобилестроении. Лист имеет химический состав, содержащий, в мас.%: С от 0,1 до 0,3, Si от 0,01 до 2,0, Mn от 1,5 до 2,5, Р от 0,001 до 0,06, S от 0,001 до 0,01, N от 0,0005 до 0,01, Al от 0,01 до 0,05, В от 0 до 0,002, Мо от 0 до 0,5, Cr от 0 до 0,5, V от 0 до 0,1, Ti от 0 до 0,1, Nb от 0 до 0,05, Ni от 0 до 1,0, Cu от 0 до 1,0, Ca от 0 до 0,005, REM от 0 до 0,005, Fe и неизбежные примеси - остальное.
Изобретение относится к изготовлению гальванизированного стального листа для формовки в горячем состоянии. Для улучшения свариваемости листа альванизированный стальной лист имеет химический состав, мас.%: C 0,02-0,58, Mn 0,5-3,0, раствор Al 0,005-1,0, при необходимости элементы: Si, равный или менее 2,0, P, равный или менее 0,03, S, равной или менее 0,004, N, равного или менее 0,01, Fe и примеси - остальное.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к изготовлению электросварных труб из высокоуглеродистой стали. Способ изготовления трубы из высокоуглеродистой стали включает получение трубы из высокоуглеродистой стали в качестве исходной трубы из стали, содержащей, мас.%: от 0,25 до 0,60 углерода, от 0,01 до 2,0 кремния, от 0,2 до 3,0 марганца, от 0,001 до 0,1 алюминия, от 0,001 до 0,05 фосфора, от 0,0001 до 0,02 серы, от 0,0010 до 0,0100 азота, от 0,0003 до 0,0050 бора, от 0,0001 до 0,0050 кальция, железо и случайные примеси - остальное.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению нетекстурированной кремнистой стали для сердечников роторных устройств и электростатических машин.

Изобретение относится к области металлурги. Для повышения магнитных свойств нетекстурированной кремнистой стали осуществляют выплавку стали в конверторе, при этом температура Т расплавленной стали во время выпуска из конвертера при выплавке, содержание углерода [С] в стали и содержание свободного кислорода [О] удовлетворяют следующей формуле: 7,27·103≤[О][С]е(-5000/Т)≤2,99·104.

Изобретение относится к области металлургии. Для обеспечения низкотемпературной ударной вязкости и повышенной способности к отбортовке посредством регулирования структурной доли и разницы в твердости между структурами высокопрочный горячекатаный лист содержит, мас.%: C от 0,01 до 0,2; Si от 0,001 до 2,5 или менее, Mn от 0,10 до 4,0 или менее, P: 0,10% или менее, S менее 0,03, Al от 0,001 до 2,0, N менее 0,01, Ti от (0,005+48/14[N]+48/32[S]) или более до 0,3 или менее, Nb от 0 до 0,06, Cu: от 0 до 1,2, Ni от 0 до 0,6, Mo от 0 до 1, V от 0 до 0,2, Cr от 0 до 2, Mg от 0 до 0,01, Ca от 0 до 0,01, РЗМ от 0 до 0,1, и B: от 0 до 0,002, и имеет текстуру в центральной по толщине части листа, расположенной от поверхности на расстоянии от 5/8 до 3/8 толщины листа, в которой средняя величина отношений статистической интенсивности рентгеновского излучения групп ориентаций {100}<011> до {223}<110> плоскости листа составляет 6,5 или менее, а отношение статистической интенсивности рентгеновского излучения ориентации кристаллов {332}<113> составляет 5,0 или менее и микроструктуру, в которой доля общей площади поверхности отпущенного мартенсита, мартенсита и нижнего бейнита составляет более чем 85%, и средний диаметр кристаллических зерен составляет 12,0 мкм или менее.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к холоднокатаному стальному листу для горячей штамповки, используемому в автомобилестроении. Лист содержит, мас.%: C от 0,030 до 0,150, Si от 0,010 до 1,000, Mn от 1,50 до 2,70, P от 0,001 до 0,060, S от 0,001 до 0,010, N от 0,0005 до 0,0100, Al от 0,010 до 0,050 и необязательно один или несколько из следующих элементов: B от 0,0005 до 0,0020, Mo от 0,01 до 0,50, Cr от 0,01 до 0,50, V от 0,001 до 0,100, Ti от 0,001 до 0,100, Nb от 0,001 до 0,050, Ni от 0,01 до 1,00, Cu от 0,01 до 1,00, Ca от 0,0005 до 0,0050 и РЗМ: от 0,0005 до 0,0050, остальное Fe и неизбежные примеси.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению листа двухфазной стали, используемому в автомобильной промышленности. Горячекатаный лист из двухфазной стали, содержащей 0,1-0,3 мас.% С, 1,5-2,5 мас.% Si, 1,75-2,5 мас.% Mn, подвергают отжигу при температуре от 750 до 875°C.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению нетекстурированной кремнистой стали для сердечников роторных устройств и электростатических машин.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению холоднокатаного стального листа, используемого в автомобилестроении. Лист изготовлен из стали, содержащей, в мас.%: C: от более чем 0,150 до 0,300, Si: от 0,010 до 1,000, Mn: от 1,50 до 2,70, P: от 0,001 до 0,060, S: от 0,001 до 0,010, N: от 0,0005 до 0,0100, Al: от 0,010 до 0,050 и необязательно один или несколько из следующих элементов: B: от 0,0005 до 0,0020, Mo: от 0,01 до 0,50, Cr: от 0,01 до 0,50, V: от 0,001 до 0,100, Ti: от 0,001 до 0,100, Nb: от 0,001 до 0,050, Ni: от 0,01 до 1,00, Cu: от 0,01 до 1,00, Ca: от 0,0005 до 0,0050 и РЗМ: от 0,0005 до 0,0050, остальное Fe и неизбежные примеси.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению горячештампованной стали, используемой в автомобилестроении. Сталь содержит, в мас.%: C: от более чем 0,150 до 0,300, Si: от 0,010 до 1,000, Mn: от 1,50 до 2,70, P: от 0,001 до 0,060, S: от 0,001 до 0,010, N: от 0,0005 до 0,0100, Al: от 0,010 до 0,050 и необязательно один или несколько из следующих элементов: B: от 0,0005 до 0,0020, Mo: от 0,01 до 0,50, Cr: от 0,01 до 0,50, V: от 0,001 до 0,100, Ti: от 0,001 до 0,100, Nb: от 0,001 до 0,050, Ni: от 0,01 до 1,00, Cu: от 0,01 до 1,00, Ca: от 0,0005 до 0,0050 и РЗМ: от 0,0005 до 0,0050, остальное Fe и неизбежные примеси.

Изобретение относится к изготовлению листа. Для получения стального листа с мартенситной структурой, в которой средний размер реек меньше 1 микрометра, средний коэффициент удлинения реек составляет от 2 до 5, предел упругости - более 1300 МПа, предел прочности превышает (3220(C)+958) мегапаскалей, где (С) содержание углерода в мас.%, поставляют полуфабрикат из стали, содержащей, мас.%: 0,15≤С≤0,40; 1,5%≤Mn≤3%; 0,005≤Si≤2; 0,005≤Al≤0,1; 1,8≤Cr≤4; 0≤Mo≤2, при этом 2,7≤0,5(Mn)+(Cr)+3(Mo)≤5,7; S≤0,05; Р≤0,1, и необязательно: 0≤Nb≤0,050; 0,01≤Ti≤0,1; 0,0005≤В≤0,005; 0,0005≤Са≤0,005, остальное железо и неизбежные примеси.

Изобретение относится к высокопрочному стальному листу, используемому в автомобилестроении. Лист выполнен из стали, содержащей в мас.%: С от 0,075 до 0,30, Si от 0,30 до 2,5, Mn от 1,3 до 3,5, Р от 0,001 до 0,03, S от 0,0001 до 0,01, Al от 0,080 до 1,50, N от 0,0001 до 0,01, О от 0,0001 до 0,01, железо и неизбежные примеси остальное.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокопрочному гальванизированному погружением стальному листу, используемому в автомобилестроении. Стальной лист содержит базовый стальной лист и сформированный на его поверхности гальванизацией погружением слой покрытия с обеспечением толщины листа, равной от 0,6 до 5,0 мм.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокопрочному гальванизированному стальному листу, используемому в автомобилестроении. Сталь содержит, мас.%: С от 0,075 до 0,30, Si от 0,30 до 2,50, Mn от 1,30 до 3,50, Р от 0,001 до 0,05, S от 0,0001 до 0,01, Al от 0,005 до 1,50, N от 0,0001 до 0,01, О от 0,0001 до 0,01, железо и неизбежные примеси остальное.

Изобретение относится к сварной стальной детали и способу ее изготовления. Заготовка детали получена сваркой встык, по меньшей мере, одного первого и одного второго листа.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству листа из текстурированной электротехнической стали для сердечников трансформаторов, электрических машин и электрогенераторов.
Наверх