專利名稱：同時獲得逆轉奧氏體和納米析出的低合金鋼的制備方法
技術領域：
本發明屬于金屬材料領域，是一種具有高強度、高塑性、高韌性建筑用鋼所采用的合金設計和熱處理工藝。背景介紹
低合金鋼廣泛應用于建筑設施、石油輸送管線等領域。在國內，第I代低合金鋼(屈服強度300-500MPa級的鐵素體/珠光體組織碳錳鋼、硅錳鋼等)和第2代低合金鋼(屈服強度500-900MPa級的貝氏體鋼、馬氏體鋼等)是目前生產和應用的主要材料。然而，不斷增長的建筑設施的發展需要具有更高塑性和韌性的高強度材料，低強度的第I代低合金鋼和低韌性和塑性的第2代低合金鋼已不能滿足要求。因此，需要發展具有高強度、高塑性和高韌 性的第3代低合金鋼。(董瀚，王毛球，翁宇慶.高性能鋼的M3組織調控理論與技術.鋼鐵，2010，45: 1-7)
單一組織的鋼一般容易獲得高的屈服強度和抗拉強度，但屈強比較高，韌性和塑性不好。如果組織中存在兩種或多種不同的相，則在變形過程中軟相先屈服，硬相可以提高抗拉強度，從而使鋼具有優良的強韌匹配。(康健，周曉光，王國棟.高強度低屈強比建筑用鋼板的研究開發.軋鋼，2009，26: 31-35) —般來說，鋼的強度的升高會帶來韌性和塑性的降低。殘余奧氏體在變形過程中的相變誘導塑性可以同時提高鋼的強度和塑性(張迎暉，趙鴻金，康永林.相變誘導塑性TRIP鋼的研究進展.熱加工工藝，2006，35，61-65)。因此，殘余奧氏體的獲得是發展關鍵。在鋼中添加微合金元素，通過合金元素在回火階段的析出來提高強度是鋼中常用的強化方式。Nb在500°C以上不同溫度的回火析出能不同程度地提高屈服強度，Cu在450-700°C之間的回火過程中以fcc-Cu的形式的析出也能起到析出強化的作用。同時，Cu和Nb的復合析出也具有明顯的析出強化效果。發展第3代高強度、高韌性和高塑性鋼，將殘余奧氏體的TRIP效應和合金元素的析出強化相結合起來是一種可行的辦法。然而殘奧和析出物一般在不同的溫度階段形成殘奧通過在中溫或低溫階段的等溫過程中獲得，而析出物則一般在500°C以上的回火過程中獲得。因此，設計一種新的熱處理工藝將殘奧的形成和析出物的獲得調控在同一個溫度窗口對發展高強高韌高塑鋼是十分必要的。
發明內容
本發明旨在提出一種在同時獲得殘余奧氏體和納米尺度析出物的低合金鋼的成分設計及熱處理工藝，通過該熱處理工藝得到具有高強度、高塑性和高韌性的低合金鋼。鋼材經冶煉并熱軋軋制成板材，然后將鋼板重新加熱到Acl-Ac3雙相區溫度等溫10-60min后空冷或淬火，再加熱到Acl’ -Ac3雙相區回火10-60min后空冷或淬火，獲得由鐵素體、回火貝氏體/馬氏體、新貝氏體/馬氏體及殘余奧氏體的多相組織，同時得到大量納米尺度的析出物，使得鋼板具有聞強聞塑聞朝的特征。本發明的技術方案是提出一種同時獲得殘余奧氏體和納米尺度析出物的低合金鋼的成分設計及熱處理工藝，發展出具有高強度、高塑性和高韌性的低合金鋼
一種同時獲得殘余奧氏體和納米尺度析出物的低合金鋼的制備方法，合金鋼成分重量百分比為C 0. 06 O. 20%,Mn 1. 0 3· 5%, Si 0. 5 I. 5%, Al 0. 5 I. 5 %, Nb 0. 02 O. 10%,Cu :0. 5 I. 50%, Ni :0. 5 I. 50%, Mo :0. 10 0· 30%,余量為Fe和不可避免的雜質。其制備步驟如下
步驟I :根據所設計的化學成分進行冶煉并熱軋軋制成板材；
步驟2 :將步驟I所述熱軋板材重新加熱至兩相區某一溫度Acl+50-10(TC，并保溫10-60min的時間后淬火或空冷，獲得鐵素體、回火貝氏體/馬氏體組織、以及部分合金元素富集的逆轉組織；
步驟3 :將步驟2所述鋼板再加熱至鋼板的Acl’溫度到Ac3溫度區間內的某一溫度，保溫15-60分鐘的時間，使合金元素再次富集，形成殘余奧氏體及納米析出物，最后空冷至室溫獲得由鐵素體、回火貝氏體/馬氏體、二次貝氏體/馬氏體以及殘余奧氏體組成的復相組織。由此熱處理工藝處理的鋼板具有由鐵素體、貝氏體/馬氏體、二次貝氏體/馬氏體及殘余奧氏體組成的復相組織，且有高強度、高塑性和高韌性的特征屈服強度700MPa以上，抗拉強度850MPa以上，均勻延伸率20%以上，總延伸率30%以上，強塑積29000MPa%以上，-400C O. 75厚低溫沖擊韌性70J以上。其中，在步驟3階段回火得到殘余奧氏體含量約30%, Nb析出物的尺寸在5nm-20nm, Cu析出物的尺寸在10nm-30nm。本發明中涉及的Aci’溫度是指經過步驟2處理后，由于合金元素的重新分配導致鋼的Acl溫度(bcc向fee的轉變開始溫度)降低后，新的bcc向fee的轉變開始溫度。本發明的特點在于采用低碳低合金設計，保證了鋼板具有良好的焊接性和高的強度。利用了臨界回火過程中合金元素的擴散富集降低相變點的特點，將逆轉奧氏體的形成溫度和析出物的形成溫度調控到同一溫度區間，在獲得復相組織的同時，得到大量逆轉變奧氏體和納米尺度析出物。且合金成分與熱處理工藝簡單，生產成本低，易于大批量生產。
圖I是本發明中生產高強度、高塑性和高韌性鋼的熱處理工藝示意圖。Ti=Acl+60 12CTC, T2= Acl’ AC3, t^lO 60min, t2=10 60min ；AC1 是臨界處理后的新的bcc向fee相轉變的臨界溫度t2是等溫時間。圖2是實施例I成分的鋼在該發明的熱處理工藝條件下的掃描電鏡組織示意圖。圖3是實施例I成分的鋼在該發明的熱處理工藝條件下的殘余奧氏體X射線衍射結果示意圖。圖4是實施例I成分的鋼在該發明的熱處理工藝條件下的微合金元素析出示意圖。圖5是實施例2成分的鋼在該發明的熱處理工藝條件下的掃描電鏡組織示意圖。
圖6是實施例2成分的鋼在該發明的熱處理工藝條件下的殘余奧氏體X射線衍射結果示意圖。圖7是實施例2成分的鋼在該發明的熱處理工藝條件下的微合金元素析出示意圖。
具體實施例方式下面將對本發明實施例中的的技術方案進行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明中很小的一部分，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
實施例I
表I實施例I的低合金鋼成分(質量分數)
C [Mn[Si [Al [Nb[Cu[Ni [Mo | 余量
O. 1% 11. 5^2. 5% |θ. 8% |θ. 78% |θ. 04-0. 10%|θ. 5-2. 5% |l. 0% |θ. 25 .Fe
采用合金元素含量為上述實施例2中表I所示的低合金熱軋鋼板，將其放入爐溫為Ara
以上100°C (!\=780°0的箱式電阻爐中保溫&為30min后空冷至室溫，然后又放如爐溫為
Aci Ara之間的T2 (6600C )的箱式電阻爐中保溫t2為30min后空冷至室溫。獲得實施例
2中表2所示的力學性能。可知，膨脹管材鋼板的均勻延伸率均達到25%以上，且屈服強度
為482MPa，抗拉強度為665MPa，，_40°C半厚V型缺口夏比沖擊功達到36. 6JdiMAPI Spec
5CT標準對J55鋼級的性能要求。表2實施例I的低合金鋼的力學性能
屈服強度(Mpa) I抗拉強度(Mpa) |均勻延伸率(％) |斷后延伸率(％) |-40°C O. 75厚夏比沖擊功(J)707丨845丨22.8丨35\91
實施例2
采用合金元素含量為表3所示的低合金熱軋鋼板，將其放入爐溫為Ara以上80°C(T1=TeO0C)的箱式電阻爐中保溫h為30min后空冷至室溫，然后又放如爐溫為Aa Ac3之間的T2 (660°C)的箱式電阻爐中保溫t2S30min后空冷至室溫。獲得如表4所示力學性能。從表2可知，低合金鋼的均勻延伸率均達到20%，且屈服強度為807MPa，抗拉強度為965MPa，-40°C O. 75厚V型缺口夏比沖擊功達到90J，具有良好的強度韌性和塑性匹配。表3實施例I的低合金鋼的成分(質量分數)
C [Mn[Si [Al [Nb[Cu[Ni [Mo | 余量
O. 2% 11. 5^2. 5% |θ. 8% |θ. 78% |θ. 04-0. 10% |θ. 5-2. 5% |l. 0% |θ. 25 .Fe
表4實施例I的低合金鋼的力學性能
屈服強度(Mpa) j抗拉強度(Mpa) |均勻延伸率(％) |斷后延伸率(％) |-40°C O. 75厚夏比沖擊功(J)807|965|20丨30丨70
權利要求
1. 一種同時獲得逆轉奧氏體和納米尺度析出物的低合金鋼的制備方法，其特征在于合金鋼成分重量百分數為c 0. 06 O. 20%, Mn :1. 0 3· 5%, Si :0. 5 I. 5%, Al :0. 5 I. 5 %, Nb O. 02 O. 10%, Cu 0. 5 I. 50%, Ni 0. 5 I. 50%, Mo 0. 10 0· 30%,余量為 Fe 和不可避免的雜質，具體制備步驟如下步驟I :根據所設計的化學成分進行冶煉并熱軋軋制成板材；步驟2 :將步驟I所述熱軋板材重新加熱至兩相區某一溫度Acl+50-10(TC，并保溫10-60min的時間后淬火或空冷，獲得鐵素體、回火貝氏體/馬氏體組織、以及部分合金元素富集的逆轉組織；步驟3 :將步驟2所述鋼板再加熱至鋼板的Acl’溫度到Ac3溫度區間內的某一溫度，保溫10-60min的時間，使合金元素再次富集，形成殘余奧氏體及納米析出物，最后空冷至室溫獲得由鐵素體、回火貝氏體/馬氏體、二次貝氏體/馬氏體以及殘余奧氏體組成的復相組織。
全文摘要
同時獲得逆轉奧氏體和納米尺度析出物的低合金鋼的制備方法，屬于金屬材料領域。合金鋼成分為C0.06~0.20%，Mn1.0~3.5%，Si0.5~1.5%，Al0.5~1.5%，Nb0.02~0.10%，Cu0.5~1.50%，Ni0.5~1.50%，Mo0.10~0.30%,余量為Fe。具體工藝為通過冶煉、軋制獲得合金板，將鋼板加熱至AC1以上50～100℃保溫使合金元素進行重新分配，然后在加熱至Ac1'-Ac3之間回火，獲得殘余奧氏體和納米尺度析出物。本發明制得的鋼板具有由鐵素體、貝氏體/馬氏體、二次貝氏體/馬氏體及殘余奧氏體組成的復相組織，殘余奧氏體含量達20%以上，以及尺寸在5-30nm之間的納米析出相，屈服強度達700MPa，抗拉強度達850MPa，均勻延伸率達20%，總延伸率達30%，強塑積達29000MPa%，-40℃0.75厚低溫沖擊韌性達70J。且工藝簡單，成本低廉，實用性強。
文檔編號C21D8/02GK102925809SQ20121050021
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月29日 優先權日2012年11月29日
發明者尚成嘉, 周文浩, 謝振家, 郭暉 申請人:北京科技大學