[发明专利]基于TMCP工艺的表层超细晶高强度钢板及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有表层超细晶组织的高强高韧性钢板，适用于制造低温环境下使用的高功能性船体结构，具体是一种基于TMCP工艺的表层超细晶高强度钢板及其制造方法。

背景技术

晶粒尺寸与材料的强度、塑性和韧性有密切关系。由显微组织结构分析得知，晶粒越细小，晶粒内的空位数目和位错均减少，塞积位错数目下降，只能产生轻度的应力场，从而将推迟微孔和微裂纹的萌发，致使断裂应变增加，材料断裂所需的能量加大，即提高了断裂韧性。因此，细化晶粒成为提高钢铁材料韧性的最主要和最有效的方法。

超细晶粒钢(Ultra fine-Grained Steel简称UFG)作为21世纪的代表性先进高性能金属结构材料，其强化思路具有鲜明的特点，即通过晶粒的超细化同时实现强韧化，完全不同于传统的以合金元素添加及热处理为主要手段的强化思路。其优点在于：能同时实现强韧化；尽可能减少合金元素的加入量，降低成本、降低碳当量，改善焊接性，并利于循环利用以降低对环境的损害；同时，超细化的晶粒增加了晶界面积，加大了裂纹扩展路径，增加材料断裂时的消耗能，具有良好的低温韧性、抗裂纹敏感性和抗疲劳性。

目前，制备超细晶粒钢板的主要方法包括形变强化相变、形变诱导铁素体相变和双相区温轧等工艺。形变强化相变强调的是过冷奥氏体在形变过程中发生相变，相变温度在Ae3和Ar3之间。形变强化以形核过程为主导，长大过程并不明显。形变强化相变与相变诱导相变的不同之处在于，其相变是在过冷和形变双重条件下进行，相组成在热力学上是稳定的，不会出现形变诱导相变时可能发生的逆相变，从而有利于工艺的控制和优化。而形变诱导铁素体相变发生于奥氏体未再结晶区的较低温度范围内(Ar3＜T_DIFT＜Ad3)，其中Ad3为形变诱导铁素体相变的上限温度。对于传统的控制轧制(再结晶控轧和未再结晶控轧)，形变的作用是促使奥氏体的状态发生改变，使其发生再结晶或形成扁平状奥氏体。γ→α相变发生在形变后的冷却过程中，即形变和相变分别发生在不同的温度和时间阶段。两相区温轧使铁素体在轧制过程中发生动态回复和再结晶，从而细化铁素体晶粒。

CN200710011724.6公开了一种在室温或低温条件下，通过高速塑性变形的机械处理方法，使金属材料表层微米级粗大晶粒结构细化成近于等轴的亚微米晶粒或纳米晶粒结构，其应变速率＞100s^-1、总剪切变形量＞2.9等高速加工方法难以在工业生产中实现。CN200910075647.X、CN200910038833.6和CN200710046298.X等专利分别公开了几种超细晶低碳钢板材的制备方法，其韧性难以满足低温环境下结构用钢的使用要求。CN200910063768.2、CN200810012977.X和CN200810038047.1等低焊接裂纹敏感性高强钢板申请专利，在成分上采用低Pcm(≤0.26％)体系设计，结合控轧或轧后正火、调质处理，获得B+F或回火屈氏体及回火索氏体组织，正火及调质处理无法保证在线生产的连续性，不仅增加了生产工艺环节和成本，而且获得的表层和基体组织相对粗大，不具有优良的止裂性。

WO2009/072753、CN200810033765.X和CN200810119506.9等低温韧性优良的船用钢采用传统TMCP工艺或结合轧后正火处理，以消除带状组织、粗大魏氏组织并细化晶粒，虽然在一定程度上提高了低温韧性，但钢板强度低，基体组织为F+P，而且表层组织未能深度细化，晶粒度仅为8.5～9级，对提高止裂性作用不显著。

发明内容

本发明专利公开一种基于TMCP工艺的表层超细晶高强度钢板及其制造方法，采用低成本合金设计，配以改进的TMCP控制轧制工艺，首先在奥氏体区形变，随后以≥5℃/s的冷却速率快速冷却，将钢板表层快冷至Ac1温度以下，使钢板上下表层奥氏体发生铁素体相变；在随后的轧制过程中，表层在钢板自身蓄积的热量作用下受热升温，从而引起表面变形组织的再结晶并形成超细铁素体晶粒，采用该制备技术所获得的高强度高韧性结构用钢，其表层的超细化晶粒可抑制裂纹传播，可焊性、高强度和低淬透性可用于制造低温环境下使用的船舶或海洋平台结构用钢。

本发明钢化学成分的重量百分比为：