同时获得逆转奥氏体和纳米析出的低合金钢的制备方法

摘要

同时获得逆转奥氏体和纳米尺度析出物的低合金钢的制备方法，属于金属材料领域。合金钢成分为：C：0.06~0.20%，Mn：1.0~3.5%，Si：0.5~1.5%，Al：0.5~1.5%，Nb：0.02~0.10%，Cu：0.5~1.50%，Ni：0.5~1.50%，Mo：0.10~0.30%,余量为Fe。具体工艺为：通过冶炼、轧制获得合金板，将钢板加热至AC1以上50～100℃保温使合金元素进行重新分配，然后在加热至Ac1'-Ac3之间回火，获得残余奥氏体和纳米尺度析出物。本发明制得的钢板具有由铁素体、贝氏体/马氏体、二次贝氏体/马氏体及残余奥氏体组成的复相组织，残余奥氏体含量达20%以上，以及尺寸在5-30nm之间的纳米析出相，屈服强度达700MPa，抗拉强度达850MPa，均匀延伸率达20%，总延伸率达30%，强塑积达29000MPa%，-40℃0.75厚低温冲击韧性达70J。且工艺简单，成本低廉，实用性强。

说明书

 

技术领域

本发明属于金属材料领域，是一种具有高强度、高塑性、高韧性建筑用钢所采用的合金设计和热处理工艺。

背景介绍

低合金钢广泛应用于建筑设施、石油输送管线等领域。在国内，第1代低合金钢(屈服强度300-500MPa级的铁素体/珠光体组织碳锰钢、硅锰钢等)和第2代低合金钢(屈服强度500-900MPa级的贝氏体钢、马氏体钢等)是目前生产和应用的主要材料。然而，不断增长的建筑设施的发展需要具有更高塑性和韧性的高强度材料，低强度的第1代低合金钢和低韧性和塑性的第2代低合金钢已不能满足要求。因此，需要发展具有高强度、高塑性和高韧性的第3代低合金钢。(董瀚, 王毛球, 翁宇庆. 高性能钢的M3组织调控理论与技术. 钢铁, 2010, 45: 1-7)

单一组织的钢一般容易获得高的屈服强度和抗拉强度，但屈强比较高，韧性和塑性不好。如果组织中存在两种或多种不同的相，则在变形过程中软相先屈服，硬相可以提高抗拉强度，从而使钢具有优良的强韧匹配。(康健, 周晓光, 王国栋. 高强度低屈强比建筑用钢板的研究开发. 轧钢, 2009, 26: 31-35)一般来说，钢的强度的升高会带来韧性和塑性的降低。残余奥氏体在变形过程中的相变诱导塑性可以同时提高钢的强度和塑性(张迎晖, 赵鸿金, 康永林. 相变诱导塑性TRIP钢的研究进展. 热加工工艺, 2006, 35, 61-65)。因此，残余奥氏体的获得是发展关键。在钢中添加微合金元素，通过合金元素在回火阶段的析出来提高强度是钢中常用的强化方式。Nb在500℃以上不同温度的回火析出能不同程度地提高屈服强度，Cu在450-700℃之间的回火过程中以fcc-Cu的形式的析出也能起到析出强化的作用。同时，Cu和Nb的复合析出也具有明显的析出强化效果。

发展第3代高强度、高韧性和高塑性钢，将残余奥氏体的TRIP效应和合金元素的析出强化相结合起来是一种可行的办法。然而残奥和析出物一般在不同的温度阶段形成：残奥通过在中温或低温阶段的等温过程中获得，而析出物则一般在500℃以上的回火过程中获得。因此，设计一种新的热处理工艺将残奥的形成和析出物的获得调控在同一个温度窗口对发展高强高韧高塑钢是十分必要的。

 

发明内容

本发明旨在提出一种在同时获得残余奥氏体和纳米尺度析出物的低合金钢的成分设计及热处理工艺，通过该热处理工艺得到具有高强度、高塑性和高韧性的低合金钢。钢材经冶炼并热轧轧制成板材，然后将钢板重新加热到Ac1-Ac3双相区温度等温10-60min后空冷或淬火，再加热到Ac1'-Ac3双相区回火10-60min后空冷或淬火,获得由铁素体、回火贝氏体/马氏体、新贝氏体/马氏体及残余奥氏体的多相组织，同时得到大量纳米尺度的析出物，使得钢板具有高强高塑高韧的特征。

本发明的技术方案是：提出一种同时获得残余奥氏体和纳米尺度析出物的低合金钢的成分设计及热处理工艺，发展出具有高强度、高塑性和高韧性的低合金钢： 

一种同时获得残余奥氏体和纳米尺度析出物的低合金钢的制备方法，合金钢成分重量百分比为：C：0.06~0.20%，Mn：1.0~3.5%，Si：0.5 ~1.5%，Al：0.5 ~1.5 %，Nb：0.02 ~0.10%，Cu：0.5~1.50%，Ni：0.5~1.50%，Mo：0.10~0.30%, 余量为Fe和不可避免的杂质。

  其制备步骤如下：

步骤1：根据所设计的化学成分进行冶炼并热轧轧制成板材；

步骤2：将步骤1所述热轧板材重新加热至两相区某一温度Ac1+50-100℃，并保温10-60min的时间后淬火或空冷，获得铁素体、回火贝氏体/马氏体组织、以及部分合金元素富集的逆转组织；

步骤3：将步骤2所述钢板再加热至钢板的Ac1'温度到Ac3温度区间内的某一温度，保温15-60分钟的时间，使合金元素再次富集, 形成残余奥氏体及纳米析出物，最后空冷至室温获得由铁素体、回火贝氏体/马氏体、二次贝氏体/马氏体以及残余奥氏体组成的复相组织。

由此热处理工艺处理的钢板具有由铁素体、贝氏体/马氏体、二次贝氏体/马氏体及残余奥氏体组成的复相组织，且有高强度、高塑性和高韧性的特征：屈服强度700MPa以上，抗拉强度850MPa以上，均匀延伸率20%以上，总延伸率30%以上，强塑积29000MPa%以上，-40℃0.75厚低温冲击韧性70J以上。其中,在步骤3阶段回火得到残余奥氏体含量约30%，Nb析出物的尺寸在5nm-20nm，Cu析出物的尺寸在10nm-30nm。

本发明中涉及的A_C1^' 温度是指经过步骤2处理后，由于合金元素的重新分配导致钢的Ac1温度(bcc向fcc的转变开始温度)降低后，新的bcc向fcc的转变开始温度。

本发明的特点在于：采用低碳低合金设计，保证了钢板具有良好的焊接性和高的强度。利用了临界回火过程中合金元素的扩散富集降低相变点的特点，将逆转奥氏体的形成温度和析出物的形成温度调控到同一温度区间，在获得复相组织的同时，得到大量逆转变奥氏体和纳米尺度析出物。且合金成分与热处理工艺简单，生产成本低，易于大批量生产。

 

附图说明

图1是本发明中生产高强度、高塑性和高韧性钢的热处理工艺示意图。T₁=A_C1+60～120℃，T₂= Ac1'~A_C3，t₁=10～60min，t₂=10～60min；A_C1^'是临界处理后的新的bcc向fcc相转变的临界温度；t₁、t₂是等温时间。

图2是实施例1成分的钢在该发明的热处理工艺条件下的扫描电镜组织示意图。

图3是实施例1成分的钢在该发明的热处理工艺条件下的残余奥氏体X射线衍射结果示意图。

图4是实施例1成分的钢在该发明的热处理工艺条件下的微合金元素析出示意图。

图5是实施例2成分的钢在该发明的热处理工艺条件下的扫描电镜组织示意图。

图6是实施例2成分的钢在该发明的热处理工艺条件下的残余奥氏体X射线衍射结果示意图。

图7是实施例2成分的钢在该发明的热处理工艺条件下的微合金元素析出示意图。

 

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明中很小的一部分，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

 

实施例1

表1 实施例1的低合金钢成分（质量分数）

CMnSiAlNbCuNiMo余量0.1%1.5~2.5%0.8%0.78%0.04-0.10%0.5-2.5%1.0%0.25Fe

采用合金元素含量为上述实施例2中表1所示的低合金热轧钢板，将其放入炉温为A_C3以上100℃（T₁=780℃）的箱式电阻炉中保温t₁为30min后空冷至室温，然后又放如炉温为A_C1～A_C3之间的T₂（660℃）的箱式电阻炉中保温t₂为30min后空冷至室温。获得实施例2中表2所示的力学性能。可知，膨胀管材钢板的均匀延伸率均达到25%以上，且屈服强度为482MPa，抗拉强度为665MPa，，-40℃半厚V型缺口夏比冲击功达到36.6J，满足API Spec 5CT标准对J55钢级的性能要求。

表2实施例1的低合金钢的力学性能

屈服强度（Mpa）抗拉强度（Mpa）均匀延伸率（%）断后延伸率（%）-40℃0.75厚夏比冲击功（J）70784522.83591

实施例2

采用合金元素含量为表3所示的低合金热轧钢板，将其放入炉温为A_C3以上80℃（T₁=760℃）的箱式电阻炉中保温t₁为30min后空冷至室温，然后又放如炉温为A_C1^'～A_C3之间的T₂（660℃）的箱式电阻炉中保温t₂为30min后空冷至室温。获得如表4所示力学性能。从表2可知，低合金钢的均匀延伸率均达到20%，且屈服强度为807MPa，抗拉强度为965MPa，-40℃0.75厚V型缺口夏比冲击功达到90J，具有良好的强度韧性和塑性匹配。

表3实施例1的低合金钢的成分（质量分数）

CMnSiAlNbCuNiMo余量0.2%1.5~2.5%0.8%0.78%0.04-0.10%0.5-2.5%1.0%0.25Fe

表4实施例1的低合金钢的力学性能

屈服强度（Mpa）抗拉强度（Mpa）均匀延伸率（%）断后延伸率（%）-40℃0.75厚夏比冲击功（J）807965203070