[发明专利]相变韧化低合金钢板及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于合金钢技术领域，特别是提供了一种相变韧化低合金钢板及其制备方法。

背景技术

随着社会经济的发展，高强高韧钢的需求量越来越大。目前提高钢材强韧性的主要技术手段是组织细化，然而单纯的组织细化在提高强韧性的同时也会使钢的均匀塑性降低、屈强比增加，难以全面满足高强化条件下的服役安全性要求；另一方面，当组织细化到一定程度时（有效晶粒尺寸约为5微米），进一步细化的难度显著增大，对工艺条件的要求越来越苛刻，如需要低温大压下变形等，而这对于某些规格尺寸较大的钢材而言是难以实现的。因此，需要探索除了组织细化之外其它提高钢材强韧性的组织调控原理和工艺手段。已有研究工作表明，钢中适量的亚稳奥氏体对于提高钢的韧性具有重要作用，其原理是亚稳奥氏体在裂纹前沿应力场作用下发生马氏体相变，该相变将缓解裂纹前沿的应力集中，提高裂纹扩展阻力，从而大幅度降低钢的韧脆转变温度，提高钢的低温韧性。利用这一原理，日本在上世纪60年代末成功开发了超低温用钢-9Ni钢及其生产工艺。从上世纪70年代末开始，美国加州Berkeley大学的J.W. Morris教授研究组系统研究了5Ni钢代替9Ni钢的可行性，并进一步探索了5Mn钢代替5Ni钢的可行性，在此基础上深入研究了亚稳奥氏体增韧原理（参见文献：J.W. Morris, Jr., Z. Guo, C.R. Krenn and Y.-H. Kim. The Limits of Strength and Toughness in Steel. ISIJ International, Vol.41 (2001), No.6, pp.599-611.）。借鉴汽车工业中大量应用的“相变塑性（Transformation Induced Plasticity, TRIP） 钢”的名称，我们这里将上述亚稳奥氏体增韧钢称为“相变韧化（Transformation Induced Toughening）钢”。应该指出的是，目前相变韧化钢的研究工作主要集中于少数几个含Ni量高的中合金或高合金钢，如9Ni钢、5Ni钢以及马氏体时效钢等，而且由于钢的合金化成本高、生产工艺复杂，它们的应用仅局限于某些特定领域，如低温容器、飞机起落架等，难以在其它领域推广应用。因此，开发成本低廉且应用领域较广泛的相变韧化低合金钢对于推动低合金钢的升级换代具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种相变韧化低合金钢及其钢板制备方法，采用廉价的C和Mn等奥氏体稳定化元素作为主要合金元素，在钢的（γ+α）两相区范围内不同温度下进行二次等温处理，等温中发生C、Mn元素从α基体扩散至γ相中的“配分”过程，最终获得一定数量在基体中弥散分布的亚稳奥氏体相，从而大幅度提高钢的低温韧性。

本发明提供的相变韧化低合金钢的化学成分和含量为：C：0.04～0.12wt.%、Si：0.10～0.50wt.%、Mn：2.6～3.8wt.%、 P：＜0.02wt.%、S：＜0.01wt.%，余量为Fe和不可避免的杂质；在此基础上，可以另外加入以下一种或多种合金元素：Cr：0～0.50wt.%、Ni：0～1.0wt.%、Mo：0～0.50wt.%、Cu：0～0.60wt.%、Nb：0～0.05wt.%、V：0～0.15wt.%、Ti：0～0.12wt.%、B：0～0.003wt.%、Al：0.01～0.06wt.%，钢中合金元素的总添加量应不大于5%。

本发明各元素的作用及配比依据如下：

碳：碳是奥氏体稳定化元素，（γ+α）两相区等温时它将富集于奥氏体中，提高奥氏体稳定性，有利于亚稳奥氏体的最终获得；此外，碳还明显提高钢的淬透性和强度。本发明钢的碳含量范围为0.04～0.12wt.%，碳含量低于0.04wt.%，所获得的亚稳奥氏体数量过少，难以起到相变韧化作用；碳含量高于0.12wt.%，则可能出现渗碳体，对韧性不利。

硅：钢中脱氧元素之一，同时具有较强的固溶强化作用，但过量的Si将恶化钢的韧性及焊接性能。综合上述考虑，本发明钢的硅含量范围为0.1～0.50wt.%。

锰：锰是本发明钢获得亚稳奥氏体的关键合金元素。与碳作用相同，锰也是奥氏体稳定化元素，在（γ+α）两相区等温时将在奥氏体中富集，提高奥氏体稳定性，有利于最终获得亚稳奥氏体；此外，锰明显提高钢的淬透性，同时具有一定的固溶强化作用。本发明钢的锰含量范围为2.6～3.8.wt.%，锰含量低于2.6wt.%，所获得的亚稳奥氏体数量少，难以起到相变韧化作用；锰含量高于3.8wt.%，则铸坯心部质量明显降低，钢板性能恶化。