新材料及其应用

本发明公开了一种纳米增强抗氢脆中锰钢及其制备方法，所述中锰钢的化学成分按质量百分数计为：C 0.1～0.3％；Mn 4～8％；Al 0～3％；Nb 0.05～0.15％；Mo 0.10～0.3％；其余为Fe及不可避免杂质；所述中锰钢的微观组织为超细多尺度等轴状和板条状奥氏体和铁素体，所述奥氏体和铁素体上均匀分布有(Nb,Mo)(C,N)纳米析出物。本发明通过采用真空冶炼、锻造、低温热轧、临界热处理工艺获得具有高密度纳米微合金(Nb,Mo)(C,N)析出物的中锰钢，其微观组织形貌为多尺度板条和等轴状奥氏体和铁素体；微合金(Nb,Mo)(C,N)纳米析出物的细晶功能和形成的大量氢陷阱，以及奥氏体和铁素体的特殊形貌，提高了中锰钢的综合力学性能和抗氢脆性能。

汽车行业对国家经济发展和社会进步的促进作用越来越重要，已成为国民经济的主要支柱之一。然而，汽车行业的发展带来了一系列的环境污染和能源短缺等问题。在解决能源短缺的诸多措施中，汽车轻量化效果最为显著。基于材料轻量化选择和设计的角度，中锰钢具有优异的综合力学性能和较低的生产成本，得到了工业界和学术界的重视。但是一直以来，氢脆问题是制约中锰钢发展的瓶颈。

微合金元素Nb‑Mo复合添加能通过细晶强化和析出强化等强化机制改善钢铁材料力学性能，但现有技术的研究主要限于不同Nb/Mo含量对材料力学性能的影响，没有关注微合金元素Nb‑Mo(铌‑钼)复合添加对提高材料力学性能和抗氢脆性能的协同作用。此外，现有Nb‑Mo微合金化中锰钢的制备工艺主要为“热轧+冷轧+临界热处理”，该工艺存在两个不足：(1)微合金元素Nb‑Mo的最佳析出温度一般在500℃～750℃温度区间，而现有工艺制备温度不在500℃～750℃温度区间，这不能有效利用轧制形变促进纳米微合金元素Nb‑Mo析出物的析出，进而充分发挥微合金Nb/Mo对氢脆的抑制作用；(2)现有工艺制备的微观组织形貌为等轴状，不利于残余奥氏体机械稳定性分布在较大的范围内，这将使大量残余奥氏体在较小的应变区间发生马氏体相变，使奥氏体中大量的氢原子聚集到晶界，增加中锰钢的氢脆倾向。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明通过采用真空冶炼、锻造、低温热轧、临界热处理工艺获得具有高密度纳米微合金(Nb,Mo)(C,N)析出物的中锰钢，其微观组织形貌为多尺度板条和等轴状奥氏体和铁素体；微合金(Nb,Mo)(C,N)纳米析出物的细晶功能和形成的大量氢陷阱，以及奥氏体和铁素体的特殊形貌，提高了中锰钢的综合力学性能和抗氢脆性能，这对提高中锰钢的服役性能具有重大意义。

2、通过中锰钢Nb‑Mo微合金化设计和制备工艺的优化，充分发挥了Mo元素能降低(Nb,Mo)(C,N)析出物和基体界面能的作用，及轧制变形对析出的促进作用，进而提高了纳米微合金(Nb,Mo)(C,N)析出物的密度，降低了纳米微合金(Nb,Mo)(C,N)析出物的平均尺寸，最终提高了中锰钢强韧性和抗氢脆性能。

3、通过工艺参数的优化，使实验钢中残余奥氏体具有多尺度等轴和板条状微观组织特征，这将使残余奥氏体的机械稳定性分布在较大的应变范围，促使残余奥氏体中的氢原子在较大的应变的范围内聚集到晶界，进而提高材料的抗氢脆性能。

4、本发明的发明人经研究发现在高温轧制过程中，微合金元素Nb‑Mo的最佳析出温度区间在500℃～750℃，低于500℃或高于750℃，微合金(Nb,Mo)(C,N)析出物的析出量均大幅减小，且在500℃～750℃温度范围内，纳米微合金(Nb,Mo)(C,N)析出物的平均尺寸较小，可形成大量的氢陷阱，与多尺度等轴和板条状微观组织的奥氏体和铁素体配合，提高了中锰钢强韧性和抗氢脆性能。

5、本发明所得中锰钢的屈服强度为921MPa～1054MPa，抗拉强度为1200MPa～1386MPa，延伸率为23％～43％，在0.05M H2SO4和0.5g/L硫脲溶液中，将本发明热处理的试样在800℃冲氢1h，冲氢后的屈服强度为740MPa～1050MPa，抗拉强度为980MPa～1400MPa，延伸率为11％～36％，本发明的中锰钢抗氢脆性能强。