[发明专利]同时获得逆转奥氏体和纳米析出的低合金钢的制备方法

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。