CN106756539B - 一种具有纳米析出相的耐疲劳高强钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种具有纳米析出相的耐疲劳高强钢及其制备方法，属于金属材料加工技术领域。本发明钢种具有贝氏体、铁素体、残余奥氏体多相组织，通过合理的工艺将材料的晶粒尺寸控制在5μm以下，是一种超细晶粒钢，组织中存在大量弥散分布的纳米级球状V(C，N)、Ti(C，N)析出相，析出相的平均尺寸低于50nm。所述材料具有良好的强塑性能和优异的抗疲劳性能，其抗拉强度超过1100MPa，强塑积超过30GPa·％，疲劳极限超过850MPa，能够广泛适用于汽车结构零部件、工程机械部件、建筑结构材料等领域。

Description

一种具有纳米析出相的耐疲劳高强钢及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料加工技术领域，介绍了一种耐疲劳高强钢，通过调整热处理工艺配置钢中铁素体、贝氏体及残余奥氏体组织状态获得了良好的综合力学性能，该合金钢抗拉强度达到了1100MPa以上，强塑积超过30GPa·％，疲劳极限超过850MPa，其加工制备工艺简单，并且具有广泛的用途。

背景技术

先进高强钢以其较高的强度(500～1500MPa)和良好的塑性性能(断后伸长率可达30％以上)成为当下钢铁材料研究和发展的重点，在汽车、机械、航空等领域应用广泛。材料强韧性能的提高能够在保证结构部件安全使用的情况下大幅减少材料用量，从而减少资源、能源消耗，达到节能减排和可持续发展的目的。在追求材料强韧性能的情况下，材料的疲劳可靠性也是衡量材料性能水平的重要指标，因为高强度合金构件失效中疲劳失效占50％～90％，失效原因主要为循环周期载荷作用下引起材料疲劳裂纹的产生和扩展，进而引起结构件的断裂。疲劳失效过程大致经历着四个时期，即疲劳成核期、微观裂纹增长期、宏观裂纹扩展期及最后断裂期，提高材料的疲劳极限能够有效地防止疲劳裂纹的产生。现代机械零部件对材料的高承载、轻重量、低成本、长寿命、高可靠性等都有着很高的要求，因此设计和开发具有低合金、低密度、高强度、抗疲劳的高性能材料很有必要。

中国专利申请CN200710115848.9介绍了一种疲劳极限为529MPa的高强度耐疲劳钢材的加工制备方法，该材料合金系统中添加了Nb、Ti微合金元素来改善材料的组织，合金中C含量控制在0.07～0.13％，导致该材料的抗拉强度相对较低，510～585MPa，屈服强度410～500MPa，各项性能指标均低于本发明中的微纳米组织耐疲劳高强钢。

中国专利申请CN200880019894.1介绍了一种弯曲加工性和耐疲劳强度优异的高强度钢板，材料合金系统以C、Si、Mn三种元素为主，同时添加微量Nb、Ti、Cr、Mo中的一种或多种元素，其显微组织由多边形铁素体和低温相变组织构成，材料的抗拉强度达到780MPa级别，平面弯曲疲劳试验中疲劳限度比大致为0.45以上，相比之下本发明中添加的微合金元素为V，具有更低的成本，同时本发明中材料的疲劳强度达到850MPa以上，疲劳限度比达0.77，具有更优异的抗疲劳性能。

中国专利申请CN201210496528.3介绍了一种高强度耐疲劳钢材的制作方法，制作采用射锻工艺对钢材进行表面处理，改善钢材表面组织状态，达到增强材料表面强度和耐疲劳性能的目的，这种方法在射弹丸机设备研发上需投入大量资金，同时如何保证钢板表面组织均匀以及控制板型和厚度都是制约该工艺发展的关键所在。

中国专利申请CN201310715236.9介绍了一种高强度耐疲劳钢管材料及其制备方法，材料合金系统在C、Si、Mn的基础上还添加了Cr、Mo、V、Nb、Ti，材料合金系统复杂增大了冶炼难度，穿孔轧管及其热处理工艺相对复杂，总的在炉时间超过30h，导致能源消耗上升，生产效率降低，增加了生产成本和企业负担，而本发明的制备工艺在工业生产中能够很好地实施，加工制备简单，有利于推广和发展，并取得可观的经济效益。

在高强度合金钢中，材料的强韧性和耐疲劳性能不仅取决于合金系统，同时还取决于显微组织中的组织相、析出相的种类、结构与分布情况。不同相都有其独特的物理化学性能，通常情况下单一组织很难使材料同时具备高强韧性、高塑性、抗疲劳等良好综合力学性能，在材料设计上更多的采用多相共存的组织状态，不同的相结构之间相互协调，从不同方面促进和提升材料的综合性能。通过合理的成分设计与工艺控制可以获得具有微纳米结构与组织的材料，本发明中材料的室温组织以贝氏体、铁素体、残余奥氏体多相构成，其中各相的体积分数为贝氏体45％～55％、铁素体35％～45％、残余奥氏体10％～15％，并且在铁素体与贝氏体组织中均分布着大量弥散析出相V(C，N)和Ti(C，N)。从组织结构上看材料的晶粒尺寸得到很好细化，贝氏体组织呈块状分布于等轴铁素体晶界周围，奥氏体则多以块状或薄膜状分布于晶界及板条之间的位置，各组织平均晶粒尺寸为2μm且分布均匀，纳米级析出相的存在进一步促进相变过程中晶粒的细化，且能在一定程度上提高材料的强度。在承受疲劳载荷的作用下，不同的组织相之间相互协调配合，贝氏体组织具有较高的的强度和韧性，能够阻碍疲劳裂纹的产生与扩展；残余奥氏体则会在应变作用下产生相变诱导塑性效应并转变成为马氏体组织，提高了材料的变形抗力；铁素体组织塑性更好但强度较低，是疲劳裂纹扩展的主要通路，降低了材料发生脆性断裂的倾向；弥散析出相能够阻碍变形时组织内的位错运动，提高了材料的强度和抗疲劳性能。各种因素的综合作用最终大大提高了材料的综合力学性能，其屈服强度超过750MPa，抗拉强度超过1100MPa，总伸长率超过30％，强塑积超过30GPa·％，疲劳极限超过850MPa。

发明内容

针对合金钢铁材料疲劳性能的要求，本发明提供了一种具有纳米析出相超细晶组织的耐疲劳高强钢，材料具有超细均匀的晶粒组织以及平均尺寸低于50nm以下的析出相结构，贝氏体、铁素体、残余奥氏体以及析出相相互协调作用，具有良好的综合机械性能，材料的耐久性得到大大的提高，能够广泛适用于航空、汽车、机械制造业等。

本发明的技术方案如下：

一种具有纳米析出相的耐疲劳高强钢，其化学成分重量百分比为：C：0.05～0.30％、Si：0.35～1.05％、Mn：1.50～2.50％、V：0.15～0.30％、Ti：0.05～0.10％、余量为Fe和不可避免的杂质。C、Si、Mn为钢铁合金的基本成分，这三种元素均能保证室温下获得稳定的残余奥氏体组织，适量的C同时还保证了合金的强度，添加V和Ti起到细化晶粒和提高强度的作用，其中原子质量百分数比V:Ti＝3:1～6:1。

如上所述一种具有纳米析出相的耐疲劳高强钢制备方法，其特征在于，包括以下步骤：，具体包括以下步骤：

步骤1：按照所设计的合金系统，进行冶炼、连铸，得到热轧板，再进行酸洗、冷轧，冷轧压下率为40％～60％，冷轧薄板厚度控制在1～2mm；

步骤2：将步骤1制备得到冷轧薄板在连续退火炉内进行热处理，首先加热到800～880℃±20℃温度范围内，保温3～6min，该阶段碳化物在基体中溶解扩散并达到均匀，获得具有一定比例铁素体与奥氏体的组织状态，奥氏体体积分数占比为60％～80％；

步骤3：将步骤2处理后的钢板以40～100℃/s的冷速冷却至贝氏体转变温度区域的350～450℃温度，保温10～30min，在这一阶段大部分奥氏体转变为贝氏体，另外还有部分残余奥氏体，此外析出相也在冷却、保温过程中形成并均匀分布于基体中；

步骤4：将步骤3处理后的钢板以20～40℃/s的冷速冷却至室温，即得到具有超细晶组织的耐疲劳高强钢。

进一步的步骤3所述的贝氏体区转变温度区域范围在350～450℃之间，基体组织主要是由平均晶粒尺寸低于2μm的贝氏体和小于5μm的铁素体构成，析出相的尺寸要求控制在70nm以下。

进一步的所述铁素体组织形态为等轴状，小于2μm的粒状贝氏体均匀分布于铁素体晶界周围，贝氏体和铁素体占整体组织体积百分数分别为：贝氏体45％～55％、铁素体35％～45％。

进一步的所述的铁素体晶界以及贝氏体板条之间分布有块状或薄膜状残余奥氏体组织，其含量占整体组织体积百分数为10％～15％。

进一步的高强钢的组织内部存在大量弥散分布的纳米级V(C，N)、Ti(C，N)析出相，析出相颗粒平均尺寸为50nm以下，呈球状形态均匀分布于铁素体基体和贝氏体组织内。

图1和图2所示分别为该材料在SEM以及EBSD显微表征技术下的组织状态，铁素体晶粒大多呈等轴状，铁素体晶界周围环绕着块状的贝氏体组织，残余奥氏体主要以薄膜状或块状分布于贝氏体和铁素体晶界之间，也有少量奥氏体分布在铁素体晶粒内部以及贝氏体板条之间，各种组织的平均晶粒尺寸均低于5μm。为了获得这种组织，须首先将材料加热到两相区保温以获得一定配比的铁素体和奥氏体，然后快速冷却至贝氏体区保温，使得奥氏体转变成为贝氏体组织，少量未转变的奥氏体则会由于碳的富集从而能够在室温下稳定存在。此外加热保温阶段发生碳化物的溶解，合金元素通过扩散均匀分布于基体组织中，在随后快冷保温阶段大量析出形成弥散分布的第二相粒子，能够阻碍晶界运动，使得晶粒细化同时提高材料的强度。

本发明材料高周疲劳循环实验裂纹形貌如图3所示，裂纹源在材料表面缺陷附近萌生，裂纹扩展主要是在铁素体晶内穿行前进，遇到贝氏体组织时则会受到很大的阻力而使得扩展速率减慢，裂纹尖端难以穿透贝氏体组织而是选择绕行进入铁素体晶内继续前进，由于晶粒细化以及贝氏体的高强韧性，裂纹在扩展过程中受到的阻力很大需不断改变方向，大大降低了疲劳裂纹的危害。晶间残余奥氏体在应力作用下诱发马氏体相变的过程能够吸收部分的能量冲击，马氏体相的形成同时还能提高形变区域的变形抗力，阻碍裂纹的扩展。

本发明中纳米析出相的形貌如图4所示，析出相主要种类为V、Ti的碳氮化物，形态以球状和椭球状为主，平均尺寸低于50nm。V、Ti微合金元素和钢中游离的C和N形成第二相粒子，弥散分布的析出相一方面能够阻碍晶界运动从而细化晶粒，另一方面能够在变形过程中对位错运动产生钉扎提高变形抗力。

本发明材料性能测试的结果显示材料的抗拉强度≥1100MPa，强塑积≥30GPa·％，具有高强塑积性能的材料在汽车制造业应用广泛，良好的塑性和超高的强度保证了材料的成型加工性能和安全性能，为满足汽车轻量化设计提供了可选之材，本发明合金钢的疲劳极限超过了850MPa，大大提高了零部件的耐久性能和使用寿命。

附图说明

图1为本发明实施例中的高强钢的扫描组织图像；

图2为本发明实施例中的高强钢的EBSD组织图像；

图3为本发明实施例中的高强钢的高周疲劳裂纹图像；

图4为本发明实施例中的高强钢的析出相透射电镜与衍射斑图像；

具体实施方式

实施例1：

首先按照上述成分范围进行冶炼、连铸，然后检测铸坯的成分，见表1。

表1 铸坯的成分(wt.％)

具体热处理工艺参数见表2。

表2 热处理工艺参数

按照表1和表2制得的高强汽车用钢的力学性能见表3。

表3 力学性能

按照表1和表2制备得到的高强汽车用钢通过XRD测得残奥体积分数，同时计算其他各相体积分数，结果见表4。

表4 不同组织含量

从表3可以看出各个力学性能均达到所要求的性能指标，屈服强度为687MPa，抗拉强度为1107MPa，伸长率为30％，强塑积33.2GPa·％，疲劳极限达到858MPa。扫描照片如图1所示，EBSD照片如图2所示，组织为贝氏体+铁素体+残余奥氏体，贝氏体分别占总体积的51％，铁素体体积分数为37％，残余奥氏体体积分数为12％。

实施例2：

实施例2的基本情况间表1～表4所示：

表1 铸坯的成分(wt.％)

表2 热处理工艺参数

表3力学性能

表4 不同组织含量

实施例3：

实施例3的基本情况间表1～表4所示：

表1 铸坯的成分(wt.％)

表2 热处理工艺参数

表3 力学性能

表4 不同组织含量

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种具有纳米析出相的耐疲劳高强钢，其特征在于，该高强钢的化学成分重量百分比为：C：0.05~0.30%、Si：0.35~1.05%、Mn：1.50~2.50%、V：0.15~0.30%、Ti：0.05~0.10%、余量为Fe和不可避免的杂质；其中钒钛原子质量百分数比V:Ti=3:1~6:1；

该高强钢的室温组织以贝氏体、铁素体、残余奥氏体多相构成，其中各相的体积分数为贝氏体45%~55%、铁素体35%~45%、残余奥氏体10%~15%，并且在铁素体与贝氏体组织中均分布着大量弥散析出相V(C，N)和Ti(C，N)；

各组织的分布方式为：铁素体晶粒大多呈等轴状，铁素体晶界周围环绕着块状的贝氏体组织，残余奥氏体主要以薄膜状或块状分布于贝氏体和铁素体晶界之间，也有少量奥氏体分布在铁素体晶粒内部以及贝氏体板条之间，各种组织的平均晶粒尺寸均低于5μm。

2.一种如权利要求1所述的具有纳米析出相的耐疲劳高强钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：按照所设计的高强钢的化学成分，进行冶炼、连铸和热轧，得到热轧板，再进行酸洗、冷轧，冷轧压下率为40%～60%，冷轧薄板厚度控制在1~2mm；

步骤2：将步骤1制备得到冷轧薄板在连续退火炉内进行热处理，首先加热到800~880℃温度范围内，保温3~6min，该阶段碳化物在基体中溶解扩散并达到均匀，获得具有一定比例铁素体与奥氏体的组织状态，使得奥氏体体积分数占比为60%~80%；

步骤3：将步骤2处理后的钢板以40~100℃/s的冷速冷却至贝氏体转变温度区域，保温10~30min，在这一阶段大部分奥氏体转变为贝氏体，另外还有部分残余奥氏体，此外析出相也在冷却、保温过程中形成并均匀分布于基体中；

步骤4：将步骤3处理后的钢板以20~40℃/s的冷速冷却至室温，即得到具有超细晶组织的耐疲劳高强钢。

3.根据权利要求2所述的具有纳米析出相的耐疲劳高强钢的制备方法，其特征在于，步骤3所述的贝氏体转变温度区域范围在350~450℃之间，基体组织主要是由平均晶粒尺寸低于2μm的贝氏体和小于5μm的铁素体构成，析出相的尺寸要求控制在70nm以下。

4.根据权利要求2所述的具有纳米析出相的耐疲劳高强钢的制备方法，其特征在于，所述铁素体组织形态为等轴状，小于2μm的粒状贝氏体均匀分布于铁素体晶界周围，贝氏体和铁素体占整体组织体积百分数分别为：贝氏体45%~55%、铁素体35%~45%。

5.根据权利要求2所述的具有纳米析出相的耐疲劳高强钢的制备方法，其特征在于，高强钢的组织内部存在大量弥散分布的纳米级V(C，N)、Ti(C，N)析出相，析出相颗粒平均尺寸为50nm以下，呈球状形态均匀分布于铁素体基体和贝氏体组织内。

6.根据权利要求2所述的具有纳米析出相的耐疲劳高强钢的制备方法，其特征在于，材料的屈服强度R_p≥750MPa，抗拉强度R_m≥1100MPa，屈强比范围0.67~0.72，断后伸长率A≥30%，强塑积≥30GPa·%，疲劳极限≥850MPa。