一种高强度、高韧性合金钢、制备方法及其在钢构中的应用

摘要

一种高强度、高韧性合金钢，按照质量百分比包括以下合金元素：C：0.06％～0.12％；Si：0.10％～0.48％；Mn：1.10％～1.65％；Nb：0.020％～0.055％；P≤0.03；S≤0.025；Ti：0.005～0.050％；Al：0.010～0.080％，且满足：0.025％≤Nb+Ti≤0.080％，0.030％≤Al+Ti≤0.12％，其余为铁及不可避免的杂质，本发明还涉及高强度、高韧性合金钢制备方法及其钢构行业的应用。

说明书

技术领域

 本发明属于冶金工业生产的金属材料加工处理领域，尤其涉及一种高强度、高韧性合金钢、制备方法及其在钢构中的应用。

背景技术

钢是所有金属中用途最广泛的一种材料，在航空、核能、舰船、石化等工业领域广泛应用，近年来向交通运输（汽车、火车）、厨房用具、家用电器、建筑装饰等民用领域发展。因此，钢材的性能与人们的生活安全密切相关。目前，汽车工业用钢的开发主要致力于提高钢的强度并保持其成形性。汽车轻量、安全、低能耗的发展趋势对钢铁产品在品种、规格、质量上提出更高的要求。研发质量轻、耐冲击的运输工具体系的新设计理念要求开发强度高、塑性好及能量吸收能力优良、比质量轻的材料。提高强度可以减轻汽车的重量（满足节能环保需求），而塑性提高则可满足复杂车型设计及提高驾乘安全性能的需求。 

高锰钢的研究与使用历史悠久，具有良好的加工硬化性能，因而高锰钢广泛用于制造抗冲击磨损的工件。近年来，高锰钢在理论研究和实际应用方面日益得到重视。高锰钢在变形过程中因稳定奥氏体相中形成应变诱导孪晶而提高塑性。但在实践中发现，只有在冲击大、应力高、磨料硬的情况下, 高锰钢的高耐磨性才得到体现。而且，由于高锰钢的屈服强度低，初次使用时易于变形，并且造成较大的磨损；另外，寒冷地区经常发生高锰钢部件脆性断裂现象；因此，如何通过适当的成分及加工工艺设计，通过孪生或相变以提高高锰钢的屈服强度，同时提高其塑性变形能力，降低初次使用时的变形量而进一步提高高锰钢耐冲击性、耐磨性而使其成为新一代车体材料，成为材料研究工作者的新课题，也成为当前世界范围内的金属材料的研究热点之一。 

在工程应用上，为了强化材料采用固溶强化法，这是一种利用大量融入固溶体中的溶质原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使滑移难以进行，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。在溶质原子浓度适当时，可提高材料的强度和硬度，而其韧性和塑性却有所下降。这就涉及到另两种强化机制，马氏体相变强化及孪生强化。马氏体是一种能使钢变硬、增强的组织，马氏体强化已经普遍应用于钢铁。由于马氏体相变时原子规则地发生位移，使材料在相变时塑性增长，利用此特点已开发了相变诱发塑性钢（TRIP），可以在提高钢强度的同时使其保持一定的塑性变形能力；同时，在工程应用中为了强化材料采用细化晶粒法，这是一种利用大量晶界限制或钉轧位错运动来提高材料的强度，可由著名的Hall-Petch关系来描述。人们已经从各种金属及合金中观察到高强度，大多数金属材料的屈服强度和硬度值随晶粒尺寸的减小表现出增加的趋势，很好地遵从 Hall-Petch 关系。孪生诱导塑性钢（TWIP）正是利用金属在变形过程中因为切变而导致孪晶界面增加的特点，使材料中塑性变形的同时因为孪晶界对位错的阻碍作用而使其强度增加，与通过晶粒细化导致材料强化具有相同的效果，从而使材料同时具有高强度及高韧性。 

普通粗晶体钢（晶粒尺寸约为100 mm）在室温下拉伸的屈服强度仅为90 MPa，超细晶微合金钢（Fe-0.8C，晶粒尺寸约为6 mm）在室温下拉伸，其屈服强度 310 MPa 。Ding Hao等人（Ding H.，Ding H.，Song D.，Tang Z.Y.，Yang P.，Strain hardening behavior of a TRIP/TWIP steel with 18.8% Mn, Materials Science and Engineering A，Vol. 528，868-873(2011)）采用真空熔炼技术-热轧技术所制备的Fe-18.8Mn-2.9Si-2.9Al-0.04C钢，经1100℃退火1hr，在室温拉伸时，其屈服强度为400 MPa，抗拉强度为1300 MPa, 拉伸真应变量为45%，变形后微观组织中存在大量的孪晶及马氏体；虽然该方法所制备的材料基于同样的变形原理，但是其抗拉强度及拉伸塑性均较低。韩国科学家Park等人（Park K.T., Jin K.G. Han S.H., Hwang S.W.,Choi K.Y., Lee C.S., Stacking fault energy and plastic deformation of fully austenitic high manganese steels: Effect of Al addition，Materials Science and Engineering A, Vol. 527, 3651-3661(2010)）通过真空熔炼-热轧-冷轧-退火方法制备的Fe-22Mn-xAl-0.6C钢，在变形后微观结构中存在高密度的孪晶，其屈服强度为～300±20MPa，随Al含量不同，其抗拉强度在670MPa至870MPa之间变化，拉伸塑性在54%至80%之间变化；虽然其屈服强度较高，拉伸塑性最高也可达到80%，但抗拉强度最高值仅为870MPa。 

近几十年来，耐磨钢的开发与应用发展很快，一般增加碳含量并加入适量的微量元素，如铬、钼、镍、钒、钨、钴、硼和钛等，充分利用析出强化、细晶强化、相变强化和位错强化等不同强化方式提高耐磨钢的力学性能。大多数耐磨钢为中碳、中高碳和高碳钢，碳含量增加会导致钢的韧性下降，且过高的碳严重恶化了钢的焊接性能，另外，增加合金含量会导致成本提高和焊接性能下降，这些缺点制约了耐磨钢的进一步发展。 

材料的耐磨性主要取决于其硬度，而韧性对材料的耐磨性也有着非常重要的影响。单单提高材料的硬度并不能保证材料在复杂工况下具有较佳的耐磨性和较长的使用寿命。通过调整成分与热处理工艺，控制低合金耐磨钢硬度和韧性的合理匹配，得到优良的综合机械性能，使其满足不同磨损工况的需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种低合金易焊接高强高韧耐磨钢板，在添加微量合金元素基础上实现高强度、高硬度和高韧性的匹配，极易焊接、具有良好的机械加工性能，十分有益于工程上的广泛应用。 

本发明涉及以下高强度、高韧性合金钢及其制造方法。 

一种高强度、高韧性合金钢，按照质量百分比包括以下合金元素：

C ：0.06％～0.12％；Si：0.10％～0.48％；Mn：1.10％～1.65％；Nb：0.020％～0.055％；

P≤0.03；S≤0.025；Ti：0.005～0.050％；Al：0.010～0.080％，且满足：0.025％≤Nb+Ti≤0.080％，0.030％≤Al+Ti≤0.12％，其余为铁及不可避免的杂质。

所述的高强度、高韧性合金钢，还包含0.05质量％以下的V作为组成成分。

所述的高强度、高韧性合金钢，还包含20至150质量ppm的N作为组成成分。

所述的高强度、高韧性合金钢的力学性能为：屈服强度≥550MPa，抗拉强度≥500Mpa，延伸率≥21％，-40℃冲击功Akv≥24J。

所述高强度、高韧性合金钢的制备方法，包括以下步骤：

1)真空感应炉冶炼：按化学成分要求配料，炉料全部熔清后，在1540～1560℃精炼40min，保温20min后取样，分析成分后，调整成分，熔化5～10min，浇铸电极棒，出钢温度为1560～1580℃；

2)电渣重熔：将步骤1中的电极棒重熔，浇铸钢锭；

3)锻造：对步骤2中的钢锭进行锻造，开锻温度≥1050℃，终锻温度≥850℃，锻造变形量≥30％，锻造后缓慢冷却到室温再退火，退火温度680℃，保温时间2～3h；冷却步骤中，采用水冷，停冷温度为室温至300℃；

4)热处理：对步骤3中锻造后的材料进行热处理，淬火温度800～890℃，回火温度420～550℃，回火时间40～190min。

C是提高强度和淬透性的元素。然而，当过量添加C时，变得难以获得预定的韧性，且对焊接裂纹的敏感性变高。考虑到这些因素，将C含量确定为0.06至0.120％。 

Si用作脱氧剂，且是提高淬透性的元素。然而，由于当过量添加Si时，偏析增大并过多地形成非金属夹杂物而降低韧性，因此将该含量确定为0.10至0.48％。 

 Mn是提高强度和淬透性的元素。然而，当含量小于0.40％时，不能获得预定强度。另一方面，当含量超过1.8％时，强度太高而不能获得预定的延展性和韧性，且会出现回火脆化。 

发明效果 

Ti是通过析出TiN而提高强度的元素。另一方面，过量析出TiN导致韧性下降。由于在通过在空气气氛下进行铸造而制成的大型铸钢制品中，一定程度的N污染是不可避免的，因此，期望尽可能地降低Ti的量以确保高韧性，因此小于0.05％的量是更期望的。 

如上所说明的，由于本发明的高强度高韧性铸钢材具有特定的组成，所以即使在大型铸钢材中，在淬火时通过空气冷却或风扇冷却也可以获得充分高的强度和韧性而无需实施塑性加工且无需实施液体冷 却如水冷却或油冷却。 

具体实施方式

实施例1 

本实施例化学成分如下表所示(wt％)：

  元素   C   Si   Mn   Nb   P   STiAlV  含量   0.06  0.10   1.10   0.02  0.03  0.025 0.0050.010.05

采用如下制备工艺生产的金属材料：

1)真空感应炉冶炼：按化学成分要求配料，炉料全部熔清后，在1540℃精炼40min，保温20min后取样，分析成分后，调整成分，熔化10min，浇铸电极棒，出钢温度为1560℃；

2)电渣重熔：将步骤1中的电极棒重熔，浇铸钢锭；

3)锻造：对步骤2中的钢锭进行锻造，开锻温度≥1050℃，终锻温度≥850℃，锻造变形量≥30％，锻造后缓慢冷却到室温再退火，退火温度680℃，保温时间3h；冷却步骤中，采用水冷，停冷温度为室温至300℃；

4)热处理：对步骤3中锻造后的材料进行热处理，淬火温度800℃，回火温度550℃，回火时间190min。

本实施例的力学性能如下表所示：

实施例2 

本实施例化学成分如下表所示(wt％)：

  元素   C   Si   Mn   Nb   P   STiAlV  含量   0.12   0.48   1.65   0.055   0.10   0.015 0.050.080.05

采用如下制备工艺生产的金属材料：

1)真空感应炉冶炼：按化学成分要求配料，炉料全部熔清后，在1540℃精炼40min，保温20min后取样，分析成分后，调整成分，熔化10min，浇铸电极棒，出钢温度为1560℃；

2)电渣重熔：将步骤1中的电极棒重熔，浇铸钢锭；

3)锻造：对步骤2中的钢锭进行锻造，开锻温度≥1050℃，终锻温度≥850℃，锻造变形量≥30％，锻造后缓慢冷却到室温再退火，退火温度680℃，保温时间3h；冷却步骤中，采用水冷，停冷温度为室温至300℃；

4)热处理：对步骤3中锻造后的材料进行热处理，淬火温度800℃，回火温度550℃，回火时间190min。

本发明高强度高韧性螺栓用合金钢力学性能指标：