一种高强度高韧性层状组织低碳马氏体钢及制备方法

摘要

一种高强度高韧性层状组织低碳马氏体钢及其制备方法，马氏体钢的化学组成及其重量百分比为(wt.％)：C：0.15～0.28；Si：1.0～2.0；Mn：1.2～2.5；Cr：0.5～1.5；Al：0.2～1.5％；Cu：0.05～0.4；Mo：0.1～0.3；V：0.05～0.15；Nb：0.03～0.1；Ti：0.005～0.05；P：＜0.025％；S：＜0.035％，余量为Fe和其它不可避免杂质；制备方法包括：按上述配方称量配料后采用真空或常规方法熔炼成铸锭；将铸锭加热至1100～1200℃保温1～2h后进行锻造或轧制，获得所需工件的形状和尺寸，然后在水中淬火至室温；将工件在200℃下回火2h，得到低碳马氏体型组织；该发明具有超高强度且有优异的室温和低温韧性：在室温至-40℃范围内夏比冲击试样呈分层断裂特征。

说明书

技术领域

本发明属于高强度钢制造技术领域，特别涉及一种高强度高韧性 层状组织低碳马氏体钢及制备方法。

背景技术

高强度钢已广泛应用于航空航天、汽车、桥梁、建筑等行业，为 了进一步减轻构件的重量以降低其在制造和使用过程中的能耗，开发 更高强度级别的超高强度钢以替代现有材料一直是人们追求的目标。 但随着材料强度级别的提高，材料的韧性会随着降低；为了保证构件 在承受冲击载荷时的安全性，提高超高强度钢的冲击韧性显得尤为重 要。此外，随着构件使用温度的降低，材料韧性会随之下降，对于那 些要求在低温下服役的材料，提高其低温韧性变得更加重要。在现有 的技术中，马氏体时效钢强度可以达到1500MPa以上且可以获得高的 韧性，在航空航天领域关键部件上有重要应用，但其合金元素含量高， 冶炼加工工艺要求复杂，成本较高。如AF1410和高纯度马氏体时效 钢18Ni(C200)，难以获得广泛的应用。公开的专利“高抗拉强度高 韧性低屈强比贝氏体钢及其生产方法(CN1786246A)”、“高强高韧性贝 氏体钢(1036231A)”、“一种高强度微合金低碳贝氏体钢及其生产方法 (CN100580125C)”等通过细化低碳贝氏体组织获得高韧性，但其强度 一般不超过1500MPa。公开的专利“韧性和焊接性良好的双相钢板 (CN1060814C)”、“具有低屈服比、高韧性和优异可焊性的高强度双相 钢(CN101331019A)”等通过在钢中形成铁素体/马氏体、铁素体/贝氏 体等的复相组织获得较高韧性，但这类钢的强度不足。通过分层增韧 是提高材料韧性的另一重要方法。日本学者YuujiKimura等通过将 中碳回火马氏体钢在500℃至600℃之间进行大变形轧制，获得纳米 尺寸碳化物弥散分布在伸长的超细晶铁素体基体上的组织，获得了 1770MPa的超高强度，且材料在20℃至-100℃范围内冲击试样呈分层 断裂模式，获得了高的室温和低温韧性，但该材料经温轧后力学性能 已经确定，二次热处理会破坏其力学性能，使其后续成型和加工性能 受到限制，限制了该材料的广范应用。美国斯坦福大学的O.D.Sherby 等采用超高碳钢和中碳钢复合轧制成层状材料来提高材料的韧性，冲 击试样也呈分层断裂模式，材料的韧脆转变温度降至-140℃，其冲击 功高达325J，但该材料的成型工艺复杂，实际应用也受到限制。

低碳马氏体钢由于具有高强度和良好的塑性且价格便宜成为现 代工业的一种重要结构材料，特别是对高强度的该类材料在未来将会 有广泛的应用前景。但当该类材料屈服强度超过1300MPa时其冲击功 一般不超过50J，其低温冲击功会更低，工业上一般采用向该类材料 中添加镍来提高韧性，但这将会增加材料的成本，使其应用和推广受 到影响。目前还未见在低碳马氏体中通过分层增韧来提高材料韧性的 相关报道。

发明内容

为了克服以上技术缺陷，本发明的目的在于提供了一种高强度高 韧性层状组织低碳马氏体钢及制备方法，通过合理的合金成分设计和 工艺控制获得具有层状结构的低碳马氏体型组织，通过分层增韧来提 高低碳马氏体钢的韧性，解决了超高强度低碳马氏体钢低温韧性较差 的问题，具有成本低廉、工艺简单、性能优良的特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种高强度高韧性层状组织低碳马氏体钢，其特征在于，制备所 得成品的组分按质量百分比(wt.％)配比为：C：0.15～0.28；Si：1.0～ 2.0；Mn：1.2～2.5；Cr：0.5～1.5；Al：0.2～1.5％；Cu：0.05～0.4； Mo：0.1～0.3；V：0.05～0.15；Nb：0.03～0.1；Ti：0.005～0.05； P：＜0.025％；S：＜0.035％，余量为Fe和其它不可避免杂质。

一种高强度高韧性层状组织低碳马氏体钢的制备方法：其特征在 于，包括下述步骤：

步骤一：原料配比

选取炼钢原料，炼钢原料包括：含Cr量为60％的铬铁、含Mn量 为82.5％的锰铁、含Si量为70％的硅铁、含Mo量为60％的钼铁、含V 量为50％的钒铁、含Nb量为65％的铌铁、10#钢、生铁、纯铜、纯铝 和纯钛，炼钢原料选取量按照以下总质量分数进行配比：C：0.15～ 0.28；Si：1.0～2.0；Mn：1.2～2.5；Cr：0.5～1.5；Al：0.2～1.5％； Cu：0.05～0.4；Mo：0.1～0.3；V：0.05～0.15；Nb：0.03～0.1； Ti：0.005～0.05；余量为Fe和其他不可避免的杂质，杂质中含有P 和S，所述的P和S的范围控制应为P：＜0.025％；S：＜0.035％；

步骤二：合金熔炼

按照步骤一中的元素比例，将原料10#钢、铬铁、硅铁及生铁加 热升温熔炼至原料熔化成钢水，再向钢水中依次加入钒铁、钼铁、铌 铁、纯铜、锰铁、纯钛和纯铝，保温直至加入的成分均匀化，然后浇 铸成铸锭，浇铸温度控制在1530～1580℃，得到铸锭的元素组成成 分为C：0.15～0.28；Si：1.0～2.0；Mn：1.2～2.5；Cr：0.5～1.5； Al：0.2～1.5％；Cu：0.05～0.4；Mo：0.1～0.3；V：0.05～0.15； Nb：0.03～0.1；Ti：0.005～0.05；P：＜0.025％；S：＜0.035％；余 量为Fe和其他不可避免的杂质；

步骤三：加热保温后锻造或轧制

将步骤二中得到的铸锭加热至1100～1200℃后保温1～2h，然后 进行锻造或轧制，得到所需工件的形状和尺寸，终锻或终轧温度不低 于900℃，然后在水中淬火至室温；

步骤四：回火

将步骤三中所得工件加热至200℃后保温2h，最终得到具有层状 组织特征的低碳回火马氏体组织，原奥氏体晶粒尺寸约15～20μm。

所述的合金元素组成按照质量百分比(wt.％)：(Mn+Cr)和(Si+Al) 之比为1～2。

所述的步骤二中熔炼至原料熔化成钢水是在电磁感应炉真空熔 炼或常规方法进行熔炼。

所述的一种高强度高韧性层状组织低碳马氏体钢的组织特征在 于在光学显微镜下组织呈黑白交替的层状分布特征，白色层状组织之 间间距为50～200μm，白色层状组织厚度为20～50μm；白色和黑色 组织均为马氏体组织，晶粒尺寸都为15～20μm，但其成分和硬度不 同，白色组织比黑色组织的C和其它合金元素含量更高，白色组织硬 度为(HV10:520～560)，黑色基体组织硬度为(HV10:450～490)。

本发明的有益效果：

1、本发明采用分层增韧的思路来提高材料韧性，未向合金中添 加大量价格昂贵的元素，如Ni、Co等，成本低廉，易于推广应用。

2、本发明的高强度高韧性层状组织低碳马氏体钢通过控制合金 元素(Mn+Cr)和(Si+Al)的比为1～2，并通过后续的工艺控制获得具 有层状结构的低碳马氏体型组织，可同时获得超高强度和高韧性，生 产工艺简单，易于实现。

附图说明

图1为该高强度高韧性层状组织低碳马氏体钢的典型组织照片； 图1a为100×下高强度高韧性层状组织低碳马氏体钢的典型金相组 织照片，图1b为500×下高强度高韧性层状组织低碳马氏体钢的典 型金相组织照片。

图2为1#、3#、5#材料的拉伸试验力学性能曲线。

图3为4#材料冲击试验试样的分层断裂宏观形貌。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例一

步骤一：

选取炼钢原料，炼钢原料包括：含Cr量为60％的铬铁、含Mn量 为82.5％的锰铁、含Si量为70％的硅铁、含Mo量为60％的钼铁、含V 量为50％的钒铁、含Nb量为65％的铌铁、10#钢、生铁、纯铜、纯铝 和纯钛，炼钢原料选取量按照以下总质量分数进行配比：C：0.15； Si：1.5；Mn：2.5；Cr：0.5；Al：1.5；Cu：0.2；Mo：0.1；V：0.15； Nb：0.03；Ti：0.05；余量为Fe和其他不可避免的杂质，杂质中含 有P和S，所述的P和S的范围控制应为P：＜0.025％；S：＜0.035％；

步骤二：合金熔炼

按照步骤一中的元素比例，将原料10#钢、铬铁、硅铁及生铁加 热升温熔炼至原料熔化成钢水，再向钢水中依次加入钒铁、钼铁、铌 铁、纯铜、锰铁、纯钛和纯铝，保温直至加入的成分均匀化，然后浇 铸成Ф100mm铸锭，浇铸温度控制在1570±10℃，得到铸锭的成分为 表1中1#成分的铸锭；

步骤三：加热保温后锻造

将步骤二中得到的铸锭加热至1100℃后保温2h，然后按照 20mm×40mm的尺寸进行锻造，得到工件尺寸为20mm×40mm的方坯， 终锻温度约950℃，然后在水中淬火至室温；

步骤四：回火

将步骤三中所得的20mm×40mm的方坯加热至200℃后保温2h， 最终得到表2中的1#高强度高韧性层状组织低碳马氏体钢。

实施例二

步骤一：

选取炼钢原料，炼钢原料包括：含Cr量为60％的铬铁、含Mn量 为82.5％的锰铁、含Si量为70％的硅铁、含Mo量为60％的钼铁、含V 量为50％的钒铁、含Nb量为65％的铌铁、10#钢、生铁、纯铜、纯铝 和纯钛，炼钢原料选取量按照以下总质量分数进行配比：C：0.17； Si：1.5；Mn：2.0；Cr：1.0；Al：1.0；Cu：0.1；Mo：0.2；V：0.1； Nb：0.03；Ti：0.05；余量为Fe和其他不可避免的杂质，杂质中含 有P和S，所述的P和S的范围控制应为P：＜0.025％；S：＜0.035％；

步骤二：合金熔炼

按照步骤一中的元素比例，将原料10#钢、铬铁、硅铁及生铁加 热升温熔炼至原料熔化成钢水，再向钢水中依次加入钒铁、钼铁、铌 铁、纯铜、锰铁、纯钛和纯铝，保温直至加入的成分均匀化，然后浇 铸成Ф100mm铸锭，浇铸温度控制在1570±10℃，得到铸锭的成分为 表1中2#成分的铸锭；

步骤三：加热保温后锻造

将步骤二中得到的铸锭加热至1100℃后保温2h，然后按照 20mm×40mm的尺寸进行锻造，得到工件尺寸为20mm×40mm的方坯， 终锻温度约950℃，然后在水中淬火至室温；

步骤四：回火

将步骤三中所得的20mm×40mm的方坯加热至200℃后保温2h， 最终得到表2的2#高强度高韧性层状组织低碳马氏体钢。

实施例三

步骤一：

选取炼钢原料，炼钢原料包括：含Cr量为60％的铬铁、含Mn量 为82.5％的锰铁、含Si量为70％的硅铁、含Mo量为60％的钼铁、含V 量为50％的钒铁、含Nb量为65％的铌铁、10#钢、生铁、纯铜、纯铝 和纯钛，炼钢原料选取量按照以下总质量分数进行配比：C：0.22； Si：1.0；Mn：2.0；Cr：1.5；Al：0.7；Cu：0.4；Mo：0.3；V：0.1； Nb：0.05；Ti：0.025；余量为Fe和其他不可避免的杂质，杂质中含 有P和S，所述的P和S的范围控制应为P：＜0.025％；S：＜0.035％；

步骤二：合金熔炼

按照步骤一中的元素比例，将原料10#钢、铬铁、硅铁及生铁加 热升温熔炼至原料熔化成钢水，再向钢水中依次加入钒铁、钼铁、铌 铁、纯铜、锰铁、纯钛和纯铝，保温直至加入的成分均匀化，然后浇 铸成Ф100mm铸锭，浇铸温度控制在1560±10℃，得到铸锭的成分为 表1中3#成分的铸锭；

步骤三：加热保温后轧制

将步骤二中得到的铸锭加热至1100℃后保温2h，然后将铸锭轧 制成10mm厚板，终轧温度约920℃，然后在水中淬火至室温；

步骤四：回火

将步骤三中所得的20mm×40mm的方坯加热至200℃后保温2h， 最终得到表2的3#高强度高韧性层状组织低碳马氏体钢。

实施例四

步骤一：

选取炼钢原料，炼钢原料包括：含Cr量为60％的铬铁、含Mn量 为82.5％的锰铁、含Si量为70％的硅铁、含Mo量为60％的钼铁、含V 量为50％的钒铁、含Nb量为65％的铌铁、10#钢、生铁、纯铜、纯铝 和纯钛，炼钢原料选取量按照以下总质量分数进行配比：C：0.25； Si：2.0；Mn：1.5；Cr：1.0；Al：0.3；Cu：0.05；Mo：0.15；V： 0.05；Nb：0.1；Ti：0.005；余量为Fe和其他不可避免的杂质，杂 质中含有P和S，所述的P和S的范围控制应为P：＜0.025％；S：＜ 0.035％；

步骤二：合金熔炼

按照步骤一中的元素比例，将原料10#钢、铬铁、硅铁及生铁加 热升温熔炼至原料熔化成钢水，再向钢水中依次加入钒铁、钼铁、铌 铁、纯铜、锰铁、纯钛和纯铝，保温直至加入的成分均匀化，然后浇 铸成Ф100mm铸锭，浇铸温度控制在1560±10℃，得到铸锭的成分为 表1中4#成分的铸锭；

步骤三：加热保温后锻造

将步骤二中得到的铸锭加热至1100℃后保温2h，然后按照 20mm×40mm的尺寸进行锻造，得到工件尺寸为20mm×40mm的方坯， 终锻温度约920℃，然后在水中淬火至室温；

步骤四：回火

将步骤三中所得的20mm×40mm的方坯加热至200℃后保温2h， 最终得到表2的4#高强度高韧性层状组织低碳马氏体钢。

实施例五

步骤一：

选取炼钢原料，炼钢原料包括：含Cr量为60％的铬铁、含Mn量 为82.5％的锰铁、含Si量为70％的硅铁、含Mo量为60％的钼铁、含V 量为50％的钒铁、含Nb量为65％的铌铁、10#钢、生铁、纯铜、纯铝 和纯钛，炼钢原料选取量按照以下总质量分数进行配比：C：0.28； Si：1.5；Mn：1.2；Cr：1.0；Al：0.25；Cu：0.15；Mo：0.2；V： 0.1；Nb：0.05；Ti：0.02；余量为Fe和其他不可避免的杂质，杂质 中含有P和S，所述的P和S的范围控制应为P：＜0.025％；S：＜0.035％；

步骤二：合金熔炼

按照步骤一中的元素比例，将原料10#钢、铬铁、硅铁及生铁加 热升温熔炼至原料熔化成钢水，再向钢水中依次加入钒铁、钼铁、铌 铁、纯铜、锰铁、纯钛和纯铝，保温直至加入的成分均匀化，然后浇 铸成Ф100mm铸锭，浇铸温度控制在1540±10℃，得到铸锭的成分为 表1中5#成分的铸锭；

步骤三：加热保温后锻造

将步骤二中得到的铸锭加热至1100℃后保温2h，然后按照 20mm×40mm的尺寸进行锻造，终锻温度约900℃，得到工件尺寸为 20mm×40mm的方坯，然后在水中淬火至室温；

步骤四：回火

将步骤三中所得的20mm×40mm的方坯加热至200℃后保温2h， 最终得到表2的5#高强度高韧性层状组织低碳马氏体钢。

实施例六

步骤一：

选取炼钢原料，炼钢原料包括：含Cr量为60％的铬铁、含Mn量 为82.5％的锰铁、含Si量为70％的硅铁、含Mo量为60％的钼铁、含V 量为50％的钒铁、含Nb量为65％的铌铁、10#钢、生铁、纯铜、纯铝 和纯钛，炼钢原料选取量按照以下总质量分数进行配比：C：0.17； Si：1.3；Mn：2.5；Cr：1.2；Al：0.75；Cu：0.05；Mo：0.1；V： 0.15；Nb：0.03；Ti：0.035；余量为Fe和其他不可避免的杂质，杂 质中含有P和S，所述的P和S的范围控制应为P：＜0.025％；S：＜ 0.035％；

步骤二：合金熔炼

按照步骤一中的元素比例，将原料10#钢、铬铁、硅铁及生铁加 热升温熔炼至原料熔化成钢水，再向钢水中依次加入钒铁、钼铁、铌 铁、纯铜、锰铁、纯钛和纯铝，保温直至加入的成分均匀化，然后浇 铸成Ф100mm铸锭，浇铸温度控制在1540±10℃，得到铸锭的成分为 表1中6#成分的铸锭；

步骤三：加热保温后锻造

将步骤二中得到的铸锭加热至1100℃后保温2h，然后按照 20mm×40mm的尺寸进行锻造，终锻温度约900℃，得到工件尺寸为 20mm×40mm的方坯，然后在水中淬火至室温；

步骤四：回火

将步骤三中所得的20mm×40mm的方坯加热至200℃后保温2h， 最终得到表2的6#高强度高韧性层状组织低碳马氏体钢。

表1高强度高韧性层状组织低碳马氏体钢的化学成分组成(wt.％)

表2高强度高韧性层状组织低碳马氏体钢的力学性能

由上表和图2中的力学性能指标可以看出，上述成分范围内的该 低碳马氏体钢具有超高强度和优异的韧性：R_p0.2≥1200MPa，R_m≥ 1500MPa，A≥11％，A_KV(25℃)≥120J，A_KV(-40℃)≥65J。