梯度晶粒结构高强度与高塑性匹配低合金钢及其制备方法

摘要

本发明涉及一种梯度晶粒结构高强度与高塑性匹配低合金钢，按质量百分比其组分为C：0.2～0.3、Si：0.3～0.7、Mn：1.5～1.9、P：0.025、S：0.025，余量为铁。低合金钢的制备过程为：⑴将原料按质量百分比的低合金钢棒状试样在700～800℃下保温1～2小时，得到粗晶低合金钢。⑵粗晶结构试样扭转变形处理，扭转变形速率为60～120度/分钟，控制变形量180度～1440度。⑶低合金钢试样退火处理，退火温度550～600℃，保温15～30分钟后水冷至室温。本发明利用室温扭转变形结合热退火调控低合金钢的性能与组织结构，在保持低合金钢塑性和保留失效延伸率的同时，有效提高了低合金钢的强度。

说明书

技术领域

本发明属于合金钢材料及制备技术领域，涉及一种梯度晶粒结构高强度与高塑性匹配低合金钢及其制备方法。

技术背景

低合金钢具有低成本、高塑性、良好的焊接性能与切削性能等优良特性，应用于桥梁、车辆、船舶、建筑、压力容器、特种设备等工程领域。目前广泛使用的低合金钢材料，比如Q345与Y40Mn，其屈服强度为345～600MPa，失效延伸率为20～30％。但是，较低的强度限制了低合金钢在高强度工程领域的广泛应用。传统强化低合金钢的方法，比如淬火处理或掺入合金元素，都不可避免地牺牲低合金钢的塑性，而过低的塑性又无法保证其安全可靠性。因此，低合金钢能够广泛应用的先决条件是提高强度的同时保持其良好塑性。

公开号为CN 107299302 A的发明专利公开一种提高金属梯度结构强度和塑性匹配度的方法，首先对表面清洁的金属板材进行高能喷面纳米化处理，然后对表面纳米化处理后的板材进行轧制，控制轧制压下量在12％～30％之间，最后在50～100℃下真空退火30～60min。该专利能有效解决现有喷丸技术中采用高碳钢丸对金属板材进行加工后表面粗糙度高、板材强度和塑性匹配度低的问题，但仍不能满足未来对于高强度低合金钢的强度和塑性的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种梯度晶粒结构高强度与高塑性匹配低合金钢，满足车辆、桥梁、船舶等发展需要的梯度晶粒结构高强度与高塑性匹配低合金钢的需求。本发明的另一目的是提供一种梯度晶粒结构高强度与高塑性匹配低合金钢的制备方法。

本发明的技术方案是：梯度晶粒结构高强度与高塑性匹配低合金钢，低合金钢按质量百分比其组分为C：0.2～0.3、Si：0.3～0.7、Mn：1.5～1.9、P：0.025、S：0.025，余量为铁。低合金钢为铁素体晶粒尺寸从棒状试样心部到表面沿径向连续减小的的低合金钢，并且低合金钢兼具高强度与高塑性。

梯度晶粒结构高强度与高塑性匹配低合金钢的制备方法，制备过程如下：

⑴将原料按质量百分比为C：0.2～0.3、Si：0.3～0.7、Mn：1.5～1.9、P：0.025、S：0.025的低合金钢棒状试样在700～800℃温度下保温1～2小时，得到成分均匀的粗晶结构低合金钢。

⑵使用扭转试验机将步骤⑴得到的粗晶结构试样进行扭转变形处理，保持扭转变形速率为60～120度/分钟，控制变形量(扭转角)为180度～1440度。

⑶将步骤⑵所得室温扭转变形的低合金钢试样置于退火炉中进行退火处理，退火温度为550～600℃，保温15～30分钟后水冷至室温。

本发明获得的低合金钢在Instron 5966力学性能测试系统进行的室温拉伸性能测试，其力学性能为：屈服强度500～740MPa，失效延伸率17～22％。传统技术所得到的低合金钢力学性能为屈服强度为345～600MPa，失效延伸率在20～30％。

本发明利用室温扭转变形结合热退火来调控低合金钢的性能与组织结构制备梯度晶粒结构高强度与高塑性匹配低合金钢(不采用的淬火处理或者掺杂)。与传统热变形技术所得到的单一均匀组织结构低合金钢相比，本发明采用室温扭转变形结合热退火制备出了梯度晶粒结构的低合金钢，在保持低合金钢塑性和保留了相当的失效延伸率的同时，有效的提高了低合金钢的强度约200MPa，能够满足未来对于高强度低合金钢的强度和塑性的要求。

附图说明

图1为本发明低合金钢从表面到心部的梯度晶粒结构EBSD图；

图2为本发明低合金钢拉伸工程应力-应变曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。本发明保护范围不限于实施例，本领域技术人员在权利要求限定的范围内做出任何改动也属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明制备晶粒结构高强度与高塑性匹配低合金钢的方法，制备过程如下：

⑴将原料按质量百分比为C：0.2、Si：0.5、Mn：1.7、P：0.025、S：0.025的低合金钢棒状试样在700℃温度下保温1小时，得到成分均匀的粗晶结构低合金钢。

⑵使用扭转试验机将步骤⑴得到的粗晶结构试样进行扭转变形处理，保持扭转变形速率为60度/分钟，控制变形量(扭转角)达到720度。

⑶将步骤⑵所得室温扭转变形的低合金钢试样置于马弗炉中进行退火处理，退火温度为600℃，保温15分钟后水冷至室温。

用EBSD显微分析技术对样品横截面的组织结构进行观察，如图1所示为低合金钢从表面到心部的梯度晶粒结构EBSD图。用本发明方法制备的低合金钢铁素体晶粒尺寸平均值沿棒状试样径向从心部的10.2μm连续减小到表面的6.1μm的梯度晶粒结构。在Instron5966力学性能测试系统对梯度晶粒结构高强度与高塑性匹配低合金钢进行室温拉伸性能测试。拉伸样品的标距尺寸为φ10mm×70mm，样品全长为135mm，拉伸应变速率为：5×10

实施例2

本发明另一实施方案为：

⑴将原料按质量百分比为C：0.3、Si：0.6、Mn：1.6、P：0.025、S：0.025的低合金钢棒状试样在750℃温度下保温1小时，得到成分均匀的粗晶结构低合金钢。

⑵使用扭转试验机将步骤⑴得到的粗晶结构试样进行扭转变形处理，保持扭转变形速率为120度/分钟，控制变形量(扭转角)达到1440度。

⑶将步骤⑵所得室温扭转变形的低合金钢试样置于马弗炉中进行退火处理，退火温度为550℃，保温30分钟后水冷至室温。

用EBSD显微分析技术对样品横截面的组织结构进行观察，用本发明方法制备的的低合金钢铁素体晶粒尺寸平均值沿棒状试样径向从心部的7.6μm连续减小到表面的4.2μm的梯度晶粒结构。图2所示为本发明低合金钢拉伸工程应力-应变曲线。在Instron 5966力学性能测试系统对梯度晶粒结构高强度与高塑性匹配低合金钢进行室温拉伸性能测试。拉伸样品的标距尺寸为φ10mm×70mm，样品全长为135mm，拉伸应变速率为：5×10