CN105849301B - 具有优异的可焊性和焊接区冲击韧性的钢 - Google Patents

Abstract

根据本发明，对合金组成和显微组织进行控制，从而提高焊接区的物理性能和冲击韧性。

Description

具有优异的可焊性和焊接区冲击韧性的钢

技术领域

本公开涉及具有优异的可焊性和焊接区冲击韧性的钢。

背景技术

近来，鉴于在国内和国际上对航运、海事、建筑和土木工程领域中待使用的结构的设计要求，已经存在对开发具有高强度性能的超厚钢板的需求。在结构设计中包括高强度钢的情况下，由于利用厚度相对减小的钢板时，结构的重量减轻同时可以容易地进行加工和焊接操作，因此可以获得经济效益。

然而，由于在超高强度钢的情况下，在焊接操作期间，焊接热影响区(HAZ)中的显微组织包含具有高强度的低温转变相，因而存在如下限制：焊接HAZ的性能特别是韧性显著降低。为此，在结构材料的特性方面确保焊接区中的韧性是重要的，但是在具有800MPa或更大的拉伸强度的超高强度钢的情况下，可能在技术上很难同时确保基体材料和焊接区的性能。

与此同时，在具有600MPa或更大的拉伸强度的现有技术的高强度钢的情况下，焊接HAZ中的显微组织利用TiN析出物来细化以确保焊接区性能(专利文献1)，或者利用氧化物冶金技术来促进焊接HAZ中产生晶间铁素体(晶间铁素体抑制上贝氏体的产生)以提高焊接HAZ中的韧性(专利文献2)。

然而，在焊接具有800MPa或更大的拉伸强度的超高强度钢的情况下，焊接HAZ一般由如具有显著低韧性的马氏体组织而非针状铁素体组织或贝氏体组织组成。另外，在形成马氏体组织的情况下，由TiN析出物的形成引起的晶粒细化的效果在确保焊接HAZ的韧性方面具有局限性。此外，在氧化物冶金技术的情况下，由于关于氧化物冶金技术的有效性的问题，氧化物冶金技术的应用可能性相对低。

专利文献1：韩国专利公开公报第2009-0069818号

专利文献2：韩国专利公开公报第2002-0091844号

发明内容

技术问题

根据本公开的一方面，可以通过对钢的合金组成和显微组织进行控制来提供具有优异的可焊性和焊接区冲击韧性的钢，以提高钢的可焊性能和焊接区冲击韧性。

技术方案

根据本公开的一方面，具有优异的可焊性和焊接区冲击韧性的钢可以包含按重量(wt.)％计0.1％至0.3％的碳(C)、11％至13％的锰(Mn)、作为钢的剩余组分的铁(Fe)以及其他不可避免的杂质，并且这种钢可以包括呈层状形式的正偏析区和负偏析区。

此外，正偏析区可以包含奥氏体和ε马氏体，负偏析区可以包含α马氏体和按面积分数计少于5％的ε马氏体。

另外，前述技术方案并未列出本公开的全部特征。下文将参照具体的示例性实施方案来更详细地理解本公开的各种特征以及由此的优势和效果。

有利效果

在根据本公开中的示例性实施方案的具有优异的可焊性和焊接区冲击韧性的钢中，通过对钢的合金组成和显微组织进行控制，可以防止焊接区中出现开裂，并且可以提高钢的焊接区冲击韧性。此外，本公开中的钢可以应用于超厚钢板。

附图说明

图1是本发明的实施例1的负偏析区的电子背散射衍射(EBSD)照片。

图2是本发明的实施例3的正偏析区的EBSD照片。

具体实施方式

为了解决存在的问题并且同时确保冲击韧性相比于现有技术得到提高，本公开的发明人进行了研究，从而设计出通过对合金设计以及显微组织的面积分数进行控制来提高冲击韧性和可焊性的方法。更具体地，本公开的发明人提出本公开以解决下述问题：现有技术的具有α马氏体组织和ε马氏体组织(与图1所示出的组织相同)的高锰钢(该高锰钢具有优异的冲击韧性)当在实际生产过程中使用时引起的组织的非均匀分布。

现有技术的Fe-12Mn二元合金可以通过使显微组织形成为格状来确保显著优异的强度和冲击韧性。然而，由于正偏析区和负偏析区是通过添加大量的锰(Mn)而形成的，因此存在碳(C)在实际生产过程中不能被排除的问题。此外，在生产该二元合金的情况下，由于添加了少量的C以及在正偏析区中产生了大量的ε马氏体，因此锰的偏析程度显著高并且冲击韧性降低，并且因此，该二元合金不能作为Fe-12Mn多相组成体系被商品化。

为了解决C不能以与实际生产过程中相同的方式被完全排除的情况以及由于偏析区的存在而形成了非均匀的α马氏体组织和ε马氏体组织的问题，本公开的发明人进行了研究，从而设计出本公开。

换言之，在负偏析区中通过添加大量的C确保了细的ε马氏体和α马氏体组织，而在正偏析区中通过使C和Mn富集而产生了奥氏体和部分ε马氏体组织，因此确保了具有三种相的组织。因此，在焊接热影响区(HAZ)中形成的与基体材料的组织相同的组织导致能够提供具有优异的焊接区性能的钢，因此设计出本公开。

下文中，根据本公开的一方面，将对具有优异的可焊性和焊接区冲击韧性的钢进行详细描述。

根据本公开的一个示例性实施方案，具有优异的可焊性和焊接区冲击韧性的钢可以包含按重量(wt.)％计0.1％至0.3％的C、11％至13％的Mn、作为钢的剩余组分的铁(Fe)以及其他不可避免的杂质，并且这种钢可以包括呈层状形式的正偏析区和负偏析区。另外，正偏析区可以包含按面积分数计50％或更多的奥氏体以及作为余量的ε马氏体，负偏析区可以包含按面积分数计少于5％(不包括0％)的ε马氏体和作为基体的α马氏体。

碳(C)：0.1wt.％至0.3wt.％

碳(C)是在正偏析区中提高奥氏体的稳定性的有效组分。在包含大量C的情况下，在负偏析区中存在ε马氏体和α马氏体的生成被抑制的问题。因此，C的上限可以被设定为0.3wt.％。另一方面，在包含显著少量的C的情况下，在正偏析区中产生了大量的ε马氏体。因此，由于存在冲击韧性降低的问题，因而C的下限可以被设定为0.1wt.％。

锰(Mn)：11wt.％至13wt.％

锰(Mn)是本公开中最重要的组成元素。根据一个示例性实施方案，为了形成显微组织，可以包含11wt.％或更多的Mn。同时，在锰的含量显著高的情况下，存在下述问题：在负偏析区中形成大量的ε马氏体，从而使负偏析区的组织粗大，并且由于ε马氏体而降低了冲击韧性。因此，Mn的上限可以被设定为13wt.％。

本公开的剩余组分是铁(Fe)。然而，由于非有意掺杂的杂质可能从材料或周围环境不可避免地进入典型的生产过程，因而不能排除杂质。如本领域技术人员将意识到的，在杂质的情况下，在具体陈述中并未描述杂质的整体含量。

通过该合金组合物形成的组织可以呈现为包括呈层状形式的正偏析区和负偏析区，并且该组织可以为允许ε马氏体和α马氏体在负偏析区中具有格状结构的组织。

负偏析区可以包含按面积分数计少于5％的ε马氏体并且包含作为基体的α马氏体。在本公开的组织的情况下，在冷却期间首先产生了少于5％(不包括0％)的ε马氏体，显微组织被细小地切割，并且由没有转变成ε马氏体的剩余的奥氏体生成了α马氏体，从而确保具有优异的强度和冲击韧性的显微组织。

负偏析区可以通过确保作为基体的α马氏体而具有高的强度。另外，可以通过确保少于5％的ε马氏体来防止产生粗大的α马氏体。此外，在产生大量的ε马氏体的情况下，存在下述问题：具有较低延展性水平的ε马氏体被改性以快速地转变成α马氏体并产生应力，从而导致破裂。因此，ε马氏体的面积分数可以被控制成少于5％。在没有产生ε马氏体的情况下，存在下述问题：原奥氏体组织未被ε马氏体分割，从而使α马氏体组织粗大，因此降低了冲击韧性。因此，可以包含ε马氏体。此外，α马氏体具有3μm或更小的尺寸。在α马氏体的有效晶粒尺寸大于3μm的情况下，可能存在冲击韧性会被降低的问题。

正偏析区按面积分数计可以包含50％或更多的奥氏体以及作为余量的ε马氏体。在ε马氏体多于50％的情况下，存在下述问题：当外部应力集中时，ε马氏体容易转变成α马氏体，从而降低延伸率和冲击韧性。因此，ε马氏体的面积分数可以被限制成少于50％。

钢的焊接区冲击韧性在-60℃的温度处可以是64J或更大。焊接区冲击韧性在-60℃的温度处可以确保是64J或更大，这是由于在碳钢的情况下，大量的低温转变相因焊接HAZ的高冷却速度而产生，因此降低了焊接HAZ的冲击韧性，而本公开中的钢由于其显微组织的特性而可以不受冷却速度的影响，并且可以确保焊接HAZ中与基体材料相同的显微组织。

本公开中所提出的钢可以确保在正偏析区中包含具有优异的物理性能如强度等的奥氏体组织的组织作为基体，并且在负偏析区中确保精细地产生ε马氏体组织和具有优异的强度和冲击韧性的α马氏体组织的复合组织，并且因此确保高的强度和韧性。另外，由于钢的显微组织特性，以从显著慢的冷却速度至快的冷却速度的冷却速度产生了相同的显微组织。因此，本公开中所提出的钢可以应用于生产超厚钢板。

由于本公开中所提出的钢在0.1℃/秒至100℃/秒的冷却速度处可以不管轧制条件如何而始终具有相同的组织，并且焊接HAZ的显微组织也可以不管热效应如何而始终具有相同的组织，因此钢的焊接HAZ的性能优异。一般而言，在包含马氏体组织的碳钢的情况下，焊接之后在焊接HAZ中因应力而产生大量低温裂纹的情况很多。然而，在本公开中所提出的钢的情况下，由于正偏析区中存在大量的奥氏体，并且具有优异的延展性的奥氏体吸收了由在相对较低的温度处的马氏体转变引起的应力，因此钢的可焊性以及钢对低温裂纹的抵抗能力优异。

用于制造本公开中的钢的方法可以不受限制，并且可以采用一般方法。根据示例性实施方案，满足该组成的钢锭以铸造的方式被制造为呈板坯形式。板坯在1100℃至1300℃的温度处被重新加热，并且钢通过热轧及冷却工艺来制造。

工业实用性

下文中，将通过一个示例性实施方案对本公开进行更详细地描述。然而，以下示例性实施方案意在通过其说明来更详细地描述本公开，但并不限制本公开的权利范围，因为本公开的权利范围是由所附权利要求的内容以及根据这些内容合理推断的内容来确定的。

(示例性实施方案)

钢以下述方式制造：具有下表1中所列举的组成的板坯在1150℃的温度处加热两个小时，以在精加工工艺中在1000℃的温度处被热轧，并且以1℃/秒、15℃/秒和70℃/秒的冷却速度被冷却。接下来，显微组织相的面积分数通过借助于电子背散射衍射(EBSD)和扫描电子显微镜(SEM)对每种钢的显微组织进行观测以及利用图像分析来测量，并且其结果在表1中示出。另外，实施了焊接，并且对冲击韧性以及焊接区中是否存在裂纹进行了观测，如表1中所示。

表1

由于满足本公开中所提出的整个范围的本发明实施例1至3确保了本公开中所提出的显微组织，因此本发明实施例1至3可以确保高的强度以及优异的冲击韧性。如图1中所示，由于利用EBSD拍摄了本发明实施例1中的负偏析区，因此可以确认的是，α马氏体具有格状结构。此外，尽管图1中没有表示出ε马氏体，但ε马氏体以薄板形状存在于α马氏体组织的晶界中。ε马氏体通过在产生α马氏体之前将原奥氏体晶粒的内部分成格状结构而预先产生。

图2是本发明实施例3的正偏析区的照片。另外，如图2中所示，可以确认的是，与暗区对应的ε马氏体已经在与亮区对应的奥氏体内以薄板形状产生。

同时，比较例1中的碳(C)和锰(Mn)的成分范围低于本公开中所提出的C和Mn的成分范围。由于C成分和Mn成分，在负偏析区中没有产生ε马氏体，并且全部显微组织都转变成α马氏体，并且因此负偏析区的组织变得明显粗大。此外，在正偏析区的情况下，产生了大量的ε马氏体，并且因此焊接热影响区(HAZ)的冲击韧性显著相对较低。另外，可以确认的是，由于在负偏析区中产生了大量的粗大的马氏体，因此在焊接期间出现低温裂纹。

另外，比较例2和比较例3中的C和Mn的成分范围高于本公开中所提出的C和Mn的成分范围。另外，在负偏析区中产生了大量的ε马氏体，使得显微组织变得粗大，并且降低了负偏析区的冲击韧性。因此可以确认的是，尽管正偏析区中产生了大量的奥氏体，但仍降低了焊接HAZ的冲击韧性。

尽管上文已经示出以及描述了示例性实施方案，但对本领域技术人员而言将明显的是，在不背离本发明的由所附权利要求限定的范围的情况下，可以做出改型和变型。

Claims (5)

1.一种具有优异的可焊性和焊接区冲击韧性的钢，包含：

按重量(wt.)％计0.1％至0.3％的碳(C)、11％至13％的锰(Mn)、作为所述钢的剩余组分的铁(Fe)以及其他不可避免的杂质，并且所述钢包括呈层状形式的正偏析区和负偏析区，

其中所述正偏析区包含奥氏体和ε马氏体，所述负偏析区包含α马氏体和按面积分数计少于5％的ε马氏体。

2.根据权利要求1所述的具有优异的可焊性和焊接区冲击韧性的钢，其中所述ε马氏体和所述α马氏体在所述负偏析区中具有格状结构。

3.根据权利要求1所述的具有优异的可焊性和焊接区冲击韧性的钢，其中所述正偏析区包含50％或更多的奥氏体以及作为余量的ε马氏体。

4.根据权利要求1所述的具有优异的可焊性和焊接区冲击韧性的钢，其中所述α马氏体的有效晶粒尺寸为3μm或更小。

5.根据权利要求1所述的具有优异的可焊性和焊接区冲击韧性的钢，其中所述钢的所述焊接区冲击韧性在-60℃的温度下为64J或更大。