CN107227432B - 一种高强韧性纳米级复相钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高强韧性纳米级复相钢及其制备方法，包括下列组分：C:0.88‑1.02%，Si:1.7‑3.2%，Mn:2.1‑3.6%，Cr:1.8‑3.0%，Co：1.5‑2.6%，P：≤0.01%，S：≤0.01%，其余为Fe。制备方法：将钢迅速加热到奥氏体化温度900‑1100℃，等温10‑60min后取出，使钢件充分奥氏体化；然后使奥氏体化的钢件在650～1100℃时快速冷却至450～650℃，空冷35‑60s，再继续快速冷却至贝氏体转变温度；然后从上述贝氏体转变温度Bf+20℃开始慢速降温，直到降到温度Ms‑20℃为止；最后淬火到室温，获得高强韧性纳米贝氏体钢。
Description
技术领域
本发明涉及一种高强韧性纳米级复相钢及其制备方法，具体涉及一种含有铁素体和残余奥氏体的纳米贝氏体钢及其制备方法，属于金属材料领域。
背景技术
自上世纪 70 年代以来，基于相变强化手段和新的增韧机制的先进高强度钢得到了蓬勃的发展。这些先进高强度钢的组织通常含有两相或以上组织，如马氏体、贝氏体、铁素体或残余奥氏体，近年来研究开发的具有代表性的钢种为双相钢(DP)、相变诱发塑性（TRIP）钢、复相钢，马氏体（M）钢，TWIP 钢，纳米贝氏体钢。
马氏体钢的发展与超高强度钢的发展紧密联系在一起。超高强度钢的研究可追溯到上个世纪 40 年代，其主要应用于飞机起落架，发动机主轴，主梁，高强度螺栓，火箭发动机壳体等关键承力部件。马氏体组织在获得较高强度的同时，也存在着塑性较差的问题。因此，在实际应用中需要对其进行回火或时效处理，在成分设计中，需要加入各种合金元素，提高淬透性和韧性，同时还可以保持好的抗疲劳、抗腐蚀等优良的综合力学性能。但加入过多的合金元素，必然会提高其生产成本。按其所含合金元素的多少，马氏体钢等高强度钢逐渐发展为低合金超高强度钢、中合金超高强度钢和高合金超高强度钢。
此外，近年来 Bhadeshia等通过组织成分设计，获得了超强纳米贝氏体钢，其抗拉强度可达 2.5GPa。纳米贝氏体中的残余奥氏体薄膜富集了较高的碳含量，从而这种富碳的残余奥氏体薄膜将有助于阻止裂纹的萌生和扩展。由于纳米贝氏体转变非常缓慢，这就给人们以足够的时间来研究贝氏体在转变过程中所发生的变化，甚至是解决长期以来一直困扰国内外学者们的一些难题。
发明内容
本发明旨在提供一种新型高强韧性复相钢及其制备方法，其主要是制备一种超高强度，且具有纳米贝氏体和残余奥氏体组成的复相组织的贝氏体钢，在高碳钢中添加Si元素能够抑制脆性的渗碳体的析出，得到无碳化物的贝氏体组织，从而改善塑性。
本发明提供了一种新型高强韧性的纳米级复相贝氏体钢，包括下列重量百分比的元素：
C: 0.88-1.02%
Si: 1.7-3.2%
Mn: 2.1-3.6%
Cr: 1.8-3.0%
Co：1.5-2.6%
P：≤ 0.01%，
S：≤ 0.01%
其余为 Fe。
进一步地，上述复相钢包括下列重量百分比的元素：
C: 0.90-0.98%，
Si: 2.2-2.9%，
Mn: 2.9-3.5%，
Cr: 1.9-2.5%，
Co：1.8-2.3%，
P：≤ 0.01%，
S：≤ 0.01%，
其余为 Fe。
设计钢中各元素的作用 ：
C 元素是本发明中保证获得纳米贝氏体组织的最基本元素，其作为强间隙固溶强化元素，其固溶强化对提高强度至关重要。C 的增加不但降低了 Bs （贝氏体转变开始温度）和 Ms （马氏体转变开始温度）温度，而且可以使 Bs 温度和 Ms 温度之间的温度差扩大，这有利于获得纳米贝氏体组织。
Si 元素作为非碳化物形成元素，当其含量较低时，以非金属夹杂物形式存在，从而阻止奥氏体晶粒细化。Si 不仅具有明显抑制脆性相 Fe3C 型碳化物析出的作用，还可以增加组织中残余奥氏体量及其稳定性，适量的 Si 可提高纳米贝氏体钢的韧性。
Mn作为扩大奥氏体相区元素，加入 Mn 能使钢的 Ar1（冷却时奥氏体向珠光体转变的开始温度）、Ar3（铁碳合金冷却时自A（奥氏体）中开始析出F（铁素体）的临界温度线）、Bs 和 Ms 温度下降，有利于纳米贝氏体组织形成。
Cr 是固溶强化元素，能够提高淬透性。
Co元素会增加奥氏体向铁素体转变的自由能，加速贝氏体转变速率，可使贝氏体转变充分进行。
所述的高强韧性纳米级复相钢，复相钢的抗拉强度Rm为1726~1883MPa，屈服强度Rp0.2为1311~1402MPa，总延伸率为11.6~13.9%。
本发明提供了一种上述高强韧性复相钢的制备方法，采用分阶段降温贝氏体转变的制备工艺，包括以下步骤 ：
第一步，首先将钢迅速加热到奥氏体化温度900-1100℃，等温10-60min 后取出，使钢件充分奥氏体化；
第二步，使奥氏体化后的钢件在 650～1100℃时，以50-100℃/s的速度快速冷却至 450～650℃，然后空冷 35-60s，再继续以50-100℃/s的速度快速冷却至贝氏体转变温度；
所述贝氏体转变温度为200～450℃；快速冷却采用水冷却；
第三步，然后从上述贝氏体转变温度（Bf+20）℃开始慢速降温，直到降到温度（Ms-20）℃为止，所述降温速度为0.1-0.9℃/min.，该过程中降温贝氏体转变的时间为40-400min；
第四步，最后再淬火到室温，在室温下获得高强韧性的纳米贝氏体钢。
上述方法中，贝氏体转变是在Bf+20℃~Ms-20℃的温度范围内进行慢速降温实现的。
在冷却过程中采用快速—慢速—快速的冷却方法使组织中先生成部分铁素体，然后采用慢速降温贝氏体转变使得碳原子进行充分扩散，获得了较为稳定的纳米贝氏体组织，从贝氏体转变温度Bf+20℃开始慢速降温，直到降到温度Ms-20℃为止，这样更有利于残余奥氏体的稳定性。最终获得了含有部分铁素体、贝氏体和残余奥氏体组成的复相组织的纳米贝氏体钢，
本发明通过优化纳米贝氏体钢成分设计，在制备过程中采用慢速降温贝氏体转变的方法使显微组织更加稳定。所制备钢的韧性得到了较大的提高且保持了较高的强度，这样就会进一步扩大了贝氏体钢的应用范围。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1
本发明实施例钢的组分主要包括下列重量百分比的组分：C: 0.91%，Si: 1.8%，Mn: 2.1%，Cr: 2.8%，Co：2.6%，P： 0.0057%，S： 0.0068%，其余为 Fe。
具体制备方法为：将钢迅速加热到奥氏体化温度950℃，等温60min 后取出，使钢件充分奥氏体化；然后使奥氏体化后的钢件在 650～950℃之间以60℃/s的速度快速冷却至 450～650℃，然后空冷 35s，再继续以60℃/s的速度快速冷却至贝氏体转变温度；所述贝氏体转变温度为220℃；快速冷却采用水冷却；然后从240℃开始慢速降温，直到降到温度（Ms-20）℃为止，所述降温速度为0.1-0.9℃/min，该过程中降温贝氏体转变的时间为60min；最后再淬火到室温，在室温下获得高强韧性的纳米贝氏体钢。
根据GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第 1部分：室温试验方法》检验所得复相钢产品，拉伸实验在Zwick T1-FR020TN A50标准拉伸实验机上进行。经测试，钢的抗拉强度Rm为1749MPa，屈服强度Rp0.2为1335MPa，总延伸率为13.4%。
实施例2
本发明实施例钢的组分主要包括下列重量百分比的组分：C: 0.88%，Si: 2.2%，Mn: 3.0%，Cr: 2.5%，Co： 2.2%，P： 0.0059%，S： 0.0063%，其余为 Fe。
具体制备方法为：将钢迅速加热到奥氏体化温度1000℃，等温20min 后取出，使钢件充分奥氏体化；然后使奥氏体化后的钢件在 650～1000℃之间以70℃/s的速度快速冷却至 450～650℃，然后空冷 40s，再继续以70℃/s的速度快速冷却至贝氏体转变温度；所述贝氏体转变温度为230℃；快速冷却采用水冷却；然后从250℃开始慢速降温，直到降到温度Ms-20℃为止，所述降温速度为0.1-0.9℃/min，该过程中降温贝氏体转变的时间为100min；最后再淬火到室温，在室温下获得高强韧性的纳米贝氏体钢。
根据GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第 1部分：室温试验方法》检验所得复相钢产品，拉伸实验在Zwick T1-FR020TN A50标准拉伸实验机上进行。经测试，钢的抗拉强度Rm为1726MPa，屈服强度Rp0.2为1311MPa，总延伸率为13.9%。
实施例3
本发明实施例钢的组分主要包括下列重量百分比的组分：C: 0.95%，Si: 3.2%，Mn: 3.3%，Cr: 2.7%，Co： 1.9%，P： 0.0074%，S： 0.0058%，其余为 Fe。
具体制备方法为：将钢迅速加热到奥氏体化温度1050℃，等温40min 后取出，使钢件充分奥氏体化；然后使奥氏体化后的钢件在 650～1000℃之间以80℃/s的速度快速冷却至 450～650℃，然后空冷 50s，再继续以80℃/s的速度快速冷却至贝氏体转变温度；所述贝氏体转变温度为180℃；快速冷却采用水冷却；然后从200℃开始慢速降温，直到降到温度Ms-20℃为止，所述降温速度为0.1-0.9℃/min，该过程中降温贝氏体转变的时间为150min；最后再淬火到室温，在室温下获得高强韧性的纳米贝氏体钢。
根据GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第 1部分：室温试验方法》检验所得复相钢产品，拉伸实验在Zwick T1-FR020TN A50标准拉伸实验机上进行。经测试，钢的抗拉强度Rm为1816MPa，屈服强度Rp0.2为1391MPa，总延伸率为12.3%。
实施例4
本发明实施例钢的组分主要包括下列重量百分比的组分：C: 1.02%，Si: 2.7%，Mn: 2.4%，Cr: 1.8%，Co： 2.4%，P： 0.0055%，S： 0.0078%，其余为 Fe。
具体制备方法为：将钢迅速加热到奥氏体化温度1100℃，等温60min 后取出，使钢件充分奥氏体化；然后使奥氏体化后的钢件在 650～1000℃之间以50℃/s的速度快速冷却至 450～650℃，然后空冷 50s，再继续以50℃/s的速度快速冷却至贝氏体转变温度；所述贝氏体转变温度为170℃；快速冷却采用水冷却；然后从190℃开始慢速降温，直到降到温度Ms-20℃为止，所述降温速度为0.1-0.9℃/min，该过程中降温贝氏体转变的时间为300min；最后再淬火到室温，在室温下获得高强韧性的纳米贝氏体钢。
根据GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第 1部分：室温试验方法》检验所得复相钢产品，拉伸实验在Zwick T1-FR020TN A50标准拉伸实验机上进行。经测试，钢的抗拉强度Rm为1883MPa，屈服强度Rp0.2为1402MPa，总延伸率为11.6%。
Claims (6)
1.一种高强韧性纳米级复相钢的制备方法，所述高强韧性纳米级复相钢包括下列重量百分比的元素：C: 0.88-1.02%，Si: 1.7-3.2%，Mn: 2.1-3.6%，Cr: 1.8-3.0%，Co：1.5-2.6%，P：≤ 0.01%，S：≤ 0.01%，其余为 Fe；其特征在于：包括以下步骤：
第一步，首先将钢迅速加热到奥氏体化温度900-1100℃，等温10-60min 后取出，使钢件充分奥氏体化；
第二步，使奥氏体化后的钢件在 650～1100℃时，以50-100℃/s的速度快速冷却至450～650℃，然后空冷 35-60s，再继续以50-100℃/s的速度快速冷却至贝氏体转变温度；
第三步，然后从（Bf+20）℃开始慢速降温，直到降到温度（Ms-20）℃为止；
慢速降温的速度为0.1-0.9℃/min；
第四步，最后再淬火到室温，在室温下获得高强韧性的纳米贝氏体钢。
2.根据权利要求1所述的高强韧性纳米级复相钢的制备方法，其特征在于：包括下列重量百分比的元素：
C: 0.90-0.98%，
Si: 2.2-2.9%，
Mn: 2.9-3.5%，
Cr: 1.9-2.5%，
Co：1.8-2.3%，
P：≤ 0.01%，
S：≤ 0.01%，
其余为 Fe。
3.根据权利要求1所述的高强韧性纳米级复相钢的制备方法，其特征在于：该复相钢的抗拉强度Rm为1726~1883MPa，屈服强度Rp0.2为1311~1402MPa，总延伸率为11.6~13.9%。
4.根据权利要求1所述的高强韧性纳米级复相钢的制备方法，其特征在于：所述贝氏体转变温度为200～450℃；快速冷却采用水冷却。
5.根据权利要求1所述的高强韧性纳米级复相钢的制备方法，其特征在于：（Bf+20）℃~（Ms-20）℃的温度范围内进行慢速降温，实现了贝氏体转变。
6.根据权利要求1所述的高强韧性纳米级复相钢的制备方法，其特征在于：所述第三步降温过程中贝氏体转变的时间为40-400min。
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