CN110396646B - 一种低碳高强船板钢的屈强比调控和评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种低碳高强船板钢的屈强比调控和评估方法，属于金属材料领域。通过工艺调控，达到所需屈强比的方法。材料成分如下：0.05～0.07wt％C、≤0.001wt.％Si、1.2～1.5wt.％Mn、5.1～5.3wt.％Ni、0.45～0.80wt.％Cr、0.55～0.80wt.％Mo、0.03～0.04wt.％V、0.05～0.06wt.％Nb、0.008～0.0012wt.％Ti、0.02～0.03wt.％Al、≤0.01wt.％P、≤0.004wt.％S、其余为Fe和一些避免不了的杂质。本发明的优点是：低碳低合金条件下，通过纳米颗粒的强化作用保证高的材料强度；当材料化学成分一定时，可以通过轧制、热处理工艺改变相的形态、种类、比例等以得到所需屈强比；本发明涉及高强、超高强船板钢，因此有广阔的应用前景。

Description

一种低碳高强船板钢的屈强比调控和评估方法
技术领域
本发明属于钢铁材料领域，是一种在材料成分一定且所需屈强比已知，通过调控材料相的比例和组织形态，以获得所需屈强比的调控和评估方法。
技术背景
随着发展的需要，高强度的结构钢被广泛的使用且工程结构钢轻量化是日后的一个发展趋势。安全系数不断提高要求材料在有足够的强度同时保证较低的屈强比。然而传统的超高强度高系列产品一般采用低碳，同时添加昂贵的金属元素如Cr、Mo、Nb、Ti的成分设计，在存在一个普遍问题就是屈强比偏高。对建筑用钢来说，低的屈强比是一个非常关键力学指标。即要求钢结构在断裂之前有足够的形变容量来吸收能量。如果能在材料化学成分不变的前提下，通过制定相应的调控工艺，获得理想的屈强比，将具有重大的实用价值和巨大的经济效益。
在材料组织中存在着两种或两种以上不同力学性能的相时，在发生塑性变形过程中，当载荷超过软相承载能力时，传导应力给硬相使应力集中得到缓解，减缓塑性变形过程中显微裂纹的萌生。降低屈强比使材料从屈服到断裂有足够缓冲空间容纳形变。所以，合理调控复相组织的比例、形态是调控屈强比的有效方法之一。
在对相的深入研究中发现，当相的种类、比例、形态不同时对材料力学性能有明显的影响，从而进一步影响到材料的屈强比。相的种类相同时软相比例越多，屈服强度越低，屈强比越小；相的形态越复杂，在塑性变形的过程中，相的流动更难进行，从而促进显微裂纹的产生，导致抗拉强度降低。抗拉强度越低，屈强比越大。
淬火保温时间越长奥氏体化更完全，且奥氏体晶粒越粗大；在淬火过程中更多的转变成马氏体、屈氏体等硬相组织。温度越高奥氏体化越均匀，淬火后得到的马氏体等组织更规整。回火保温时间越长，随着扩散的充分进行，使已有的组织充分均匀化，形状趋向于规则化。
使用image J/image pro plus软件对其金相图片进行二值化处理，根据体视学关系式VV＝AA；即为“随机截面上某相的面积分数AA是该相在三维组织中体积分数VV的无偏估计”；确定各部分组织的体积分数；使用image J/image pro plus软件对其金相图片进行处理，得到不同形态相的面积和周长。面积和周长的比值为等效形状系数，形状系数越小，相的形态越复杂，塑性变形过程中微裂纹越早萌生，抗拉强度越低。通过大量的统计数据，得到软相比例和屈强比的关系。
CN 108728728A公开一种具有极低屈强比的高锰钢及其制造方法。钢中含有C0.010％～0.090％、Si 0.15％～0.60％、Mn 10.0％～6.0％、Nb 0.020％～0.040％、Ti0.005％～0.03％、Ni 1.0％～4.0％、Al 0.02％～0.06％、P≤0.020％、S≤0.010％、N≤0.0080％，其余为Fe和不可避免的杂质。连铸后堆垛缓冷>72h，清理时板坯温度为100～200C；加热温度1150～1250℃；第一阶段开轧温度1150～1030℃；终轧温度1040～980℃；第二阶段开轧温度950～850℃，终轧温度900～750℃轧后空冷；轧后还可进行正火、淬火、回火或淬火+回火中的一种热处理。生产的高锰钢板屈强比为0.12～0.39，具有优良的强韧性和低温韧性。使该钢屈强比极低，但并未涉及如何调控屈强比。
CN108474090A公开了一种低屈强比高强度钢的制造方法，化学成分重量百分比为C 0.02～0.11、Si 0.10～0.50、Mn 1.50～2.50、P≤0.0010、S≤0.001、Nb0.0050～0.0080、Al 0.010～0.060，余为Fe和不可避免的杂质。本发明采用低C高Mn的合金设计。对所述钢板加热到950～1050℃进行粗轧，进一步在700℃～950℃进行终轧且两次的下压率控制在50％～80％的范围内。对轧制后钢板以25℃/s～50℃/s冷却到Bs温度以下，使屈强比达到小于等于0.85。无需添加Cu、Cr等微合金元素，制造成本低廉。但也没涉及到屈强比的调控。
CN106755769A公开是一种调控中锰钢屈强比的热处理工艺，采用淬火+两相区高温回火的热处理工艺，淬火温度为AC3+(20～60)℃，AC3为亚共析钢加热时，铁素体完全转变为奥氏体的温度，保温时间为1.5～2.0min/mm；回火温度为Acl+(10～70)℃，Acl为亚共析钢加热时，铁素体开始转变为奥氏体的温度，保温时间为1.7～2.5min/mm；通过淬火和回火工艺使中锰钢屈强在0.65～0.93之间调节，屈服强度在500MPa～690MPa之间调节。但要改变材料合金成分，导致生产周期较长；且对热处理工艺要求较高，实施难度大。对屈强比没有定量评定和控制。
CN108866443A公开了一种正火型低屈强比高强度钢板及制备方法，该钢板化学成分按质量百分比为：C:0.23～0.27％、Si:0.32～0.48％、Mn:1.45～1.65％、P≤0.018％、S≤0.009％、Cr:0.85～1.15％、Mo:0.13～0.26％、Nb:0.015～0.026％、Ti:0.008～0.024％、B:0.0007～0.0021％，其余为Fe和其他不可避免的杂质。该发明的优点在于正火型钢板成分简单，无任何贵重合金元素，生产工艺宽松，无控轧、无控冷，正火后无需快冷，直接空冷至室温，钢板无残余内应力，可以将屈强比比控制在0.65以下。生产周期短，成本低，生产效率高。虽然成本低，生产效率高，但仍未涉及如何调控屈强比。
发明内容
本发明公开一种在材料化学成分已确定的前提下，通过组织调控以得到目标屈强比的方法。通过合理的轧制以及热处理工艺，调控相的种类和形态，使材料达到我们所需的力学性能，获得所需的屈强比，更好满足安全性，经济型。
一种低碳高强船板钢的屈强比调控和评估方法，其特征在于低碳高强船板钢的化学组成为：0.05～0.07wt％C、≤0.001wt.％Si、1.2～1.5wt.％Mn、5.1～5.3wt.％Ni、0.45～0.80wt.％Cr、0.55～0.80wt.％Mo、0.03～0.04wt.％V、0.05～0.06wt.％Nb、0.008～0.0012wt.％Ti、0.02～0.03wt.％Al、≤0.01wt.％P、≤0.004wt.％S其余为Fe和一些避免不了的杂质。在真空熔炼过程中，按照1.8m/t钢量加入直径2mm的V、Ti、Nb的合金丝，获得含钛、钒、铌纳米颗粒的钢液，通过底吹惰性气体的方式在熔体中形成流场，保证纳米颗粒在钢液中均匀分布，保证调控过程材料的强度，后续通过轧制及热处理工艺得到两相以上组织以及不同的组织形态、相比例从而使材料获得所需要屈强比。
进一步地，将铸坯随炉2.0h～2.5h内加热到1200℃～1220℃，保温时间大于1h；在热轧机上进过5～7道次轧制，轧制25～40mm，开轧温度≥1050℃，终轧温度≥980℃；总的压下率为50％～85％，然后空冷到室温。
进一步地，所述的高强船板钢中，轧后热处理工艺分为两种，一种是轧后进行一次淬火处理加回火，另一种是轧后进行两次淬火处理加回火；其中一次淬火处理加回火工艺为：加热温度为860～950℃；回火温度：加热温度为480～600℃。
进一步地，所述的高强船板钢中，轧后进行两次淬火处理加回火工艺为：
1)淬火处理：加热温度为860～950℃；
2)两相区淬火处理：加热温度为700～800℃；
3)回火温度：加热温度为480～600℃。
进一步地，如上所述低碳高强船板钢的屈强比调控和评估方法，低碳高强船板钢的软相达到(一般为铁素体，奥氏体)9％～24％且等效形状系数在0.0012～0.0034时，屈强比为0.83～0.98。
在进行淬火处理时，相同的保温时间下淬火温度越高软相的比例越少；相同的淬火温度下，保温时间越长软相的比例越多。相同的回火时间下，回火温度越低等效形状系数大，形状越圆滑；相同的回火温度下，回火时间越长等效形状系数大，形状越圆滑。
一种采用如上所述方法制备的低碳高强船板钢的屈强比调控和评估方法，其特征在于对金相组织定量，进而根据相的比例确定屈强比；即：对金相组织进行软硬分类，通过软硬相的相对比例可以定量的确定屈强比。当相的比例一定时，对组织形态进行统计组织形态越复杂，屈强比越低。使用等效形状系数，软硬相比例综合定量评估屈强比。
进一步地，通过组织的定量统计：对组织进行定量分析，确定各相在不同比例下与屈强比的定量关系；具体步骤如下：
1)不同热处理工艺下的试样分别制样检测其力学性能和观察金相图；
2)使用image J/image pro plus软件对其金相图片进行二值化处理，根据体视学关系式VV＝AA；即为“随机截面上某相的面积分数AA是该相在三维组织中体积分数VV的无偏估计；确定各部分组织的体积分数；
3)把一张金相图片，选取8个清晰地局部，对8个局部分别进行二值化处理，进一步根据8个局部的平均阈值，用其对全局进行二值化处理，更精确的得到每张金相图中相的比例。
4)较软相(铁素体、奥氏体)的相对比例越多，相对屈强比越低，通过大量金相图片进行数学统计，得出软相比例和屈强比的关系；
5)软相比例确定后，计算金相图下组织的的形状参数即等效形状系数SF：
Figure GDA0002623892550000051
Figure GDA0002623892550000052
式中A为组织实际面积；Lp为组织实际周长；可知形状系数越小，组织形态越复杂，相对抗拉强度越低。
6)综合软相比例和等效形状系数，得到相和屈强比的关系，从而为通过相调控以满足目标屈强比，提供一个依据。
本发明通过生成纳米级别的颗粒保证足够的强度，而通过热处理调控，得到两种或者两种以上的相，使组织调控后高强钢板是两种相以上相组成，进行回火处理得到的样品的相的比例和不同的组织形态以满足目标要求。
附图说明
图1a屈服强度和屈强比与软相的关系；b纳米级氧化物透射图；
图2中是选取的8个局部金相图；
图3中是8个金相图二值化处理后得到的灰度值的图；
实施例1对材料860℃淬火+700℃两相区淬火+500℃回火处理：
图4a、b分别为实施例1中二值化处理前后图片，黑色软相比例为16.52％；
图5a、b分别为实施例1中形态统计前后图片，等效形状系数为0.02624；
图6a、b分别为实施例2中二值化处理前后图片，黑色软相比例为10.14％；
图7a、b分别为实施例2中形态统计前后图片，等效形状系数为0.01775。
具体实施方式
下面对本发明的技术方法做一个详细的描述，材料化学成分如下：0.05～0.07wt％C、0.001wt.％Si、1.2～1.5wt.％Mn、5.1～5.3wt.％Ni、0.45～0.80wt.％Cr、0.55～0.80wt.％Mo、0.03～0.04wt.％V、0.05～0.06wt.％Nb、0.008～0.0012wt.％Ti、0.02～0.03wt.％Al、0.01wt.％P、0.004wt.％S其余为Fe和一些避免不了的杂质。本发明可以在高强、超高强船板钢中实施。因此，本领域技术人员在没有创造性改进方案的前提下，所得到的其他成功实施例，都应归于该发明的保护内容。
在冶炼过程中，将直径2mm的V、Ti、Nb金属丝加入钢包中，喂入量按1.8m/t钢控制，生成纳米级别颗粒，然后浇铸成形。
轧制工艺：将铸坯随炉加热到1200℃～1220℃，(2.0h～2.5h内升到目标温度，保温时间大于1h)。在热轧机上经过3～7道次轧制，轧制25～45mm。开轧温度≥1050℃，终轧温度≥980℃；总的压下率为50～85％，然后空冷到室温。
组织的定量统计：对组织进行定量分析，确定各相在不同比例下与屈强比的定量关系。
1)不同热处理工艺下的试样分别制样检测其力学性能和观察金相图；
2)使用image J/image pro plus软件对其金相图片进行二值化处理，根据体视学关系式VV＝AA；即为“随机截面上某相的面积分数AA是该相在三维组织中体积分数VV的无偏估计；确定各部分组织的体积分数；
3)把一张金相图片，选取8个清晰地局部，对8个局部分别进行二值化处理；具体步骤：
4)较软相(铁素体、奥氏体)的相对比例越多，相对屈强比越低，通过大量金相图片进行数学统计，得出软相比例和屈强比的关系；
5)软相比例确定后，计算金相图下组织的的形状参数即等效形状系数SF：
Figure GDA0002623892550000061
Figure GDA0002623892550000062
式中A为实际面积；Lp为实际周长；可知等效形状系数越小，组织形态越复杂，相对抗拉强度越低。
6)综合软相比例和等效形状系数，得到相和屈强比的关系。从而为通过相调控以满足目标屈强比，提供一个依据。
实施例1
目标屈强比为：0.83～0.90。要求软相比例为13％～22％，等效形状系数不小于0.017。
轧制工艺：将铸坯随炉加热到1200℃～1220℃，(2.0h～2.5h内升到目标温度，保温时间大于1h)。在热轧机上经过7～9道次轧制，轧制25～40mm。开轧温度≥1050℃，终轧温度≥980℃；总的压下率为65～75％，然后空冷到室温；[0031]对40mm×40mm×70mm尺寸材料进行热处理，860℃淬火保温(60min)+700℃两相区淬火保温30(min)+500℃保温(60min)回火处理；得到软相比列16.52％；等效形状系数为0.02646；屈强比：0.88。
实施例2
目标屈强比：0.90～0.95；调控得到软相的比例为11％～14％。等效形状系数不小于0.018。
轧制工艺：轧制工艺：将铸坯随炉加热到1200℃～1220℃，(2.0h～2.5h内升到目标温度，保温时间大于1h)。在热轧机上经过5～7道次轧制，轧制30～40mm。开轧温度≥1150℃，终轧温度≥980℃；总的压下率为75～85％，然后空冷到室温；对40mm×40mm×70mm尺寸材料进行热处理，860℃保温(70min)水冷+760℃保温(30min)水冷+480℃(45min)保温回火；软相比例为13.34％；等效形状系数为0.02237，屈强比：0.93。
实施例3
目标屈强比：0.95～0.98；调控软相的比例为9％～11％。等效形状系数不小于0.015。
轧制工艺：将铸坯随炉加热到1200℃～1220℃，(2.0h～2.5h内升到目标温度，保温时间大于1h)。在热轧机上经过5～7道次轧制，轧制35～40mm。开轧温度≥1150℃，终轧温度≥980℃；总的压下率为75～85％，然后空冷到室温。对材料900℃保温(70min)淬火+450℃保温(60min)回火处理；软相比例为10.14％，等效形状系数为0.01775，屈强比：0.97。
上述仅为说明本发明的技术构思及特点，目的是让熟悉此项技术的人发明内容并加以实施。凡是在本发明实质上作等效修饰或变化，都在本发明的保护范围之内。
实施例1、2、3的性能参数
表1实施例的性能参数
Figure GDA0002623892550000071

Claims (5)

1.一种低碳高强船板钢的屈强比调控和评估方法，其特征在于低碳高强船板钢的化学组成为：0.05～0.07wt％C、≤0.001wt.％Si、1.2～1.5wt.％Mn、5.1～5.3wt.％Ni、0.45～0.80wt.％Cr、0.55～0.80wt.％Mo、0.03～0.04wt.％V、0.05～0.06wt.％Nb、0.008～0.0012wt.％Ti、0.02～0.03wt.％Al、≤0.01wt.％P、≤0.004wt.％S其余为Fe和一些避免不了的杂质；在真空熔炼过程中，按照1.8m/t钢量加入直径2mm的V、Ti、Nb的合金丝，获得含钛、钒、铌纳米颗粒的钢液，通过底吹惰性气体的方式在熔体中形成流场，保证纳米颗粒在钢液中均匀分布，保证调控过程材料的强度，后续通过轧制及热处理工艺得到两相以上组织以及不同的组织形态、软相比例从而使材料获得所需要屈强比，并使用等效形状系数、软相比例综合定量评估屈强比，其中所述软相为铁素体和/或奥氏体；通过金相组织定量统计分析，确定所述软相比例与屈强比的定量关系，当所述软相比例一定时，对组织形态进行统计，确定所述等效形状系数，根据所述等效形状系数、所述软相比例综合定量评估屈强比的具体步骤如下：
1)不同热处理工艺下的试样分别制样检测其力学性能和观察金相图；
2)使用image J/image pro plus软件对其金相图片进行二值化处理，根据体视学关系式VV＝AA；即为“随机截面上某相的面积分数AA是该相在三维组织中体积分数VV”的无偏估计；确定各部分组织的体积分数；
3)把一张金相图片，选取8个清晰的局部，对8个局部分别进行二值化处理，进一步根据8个局部的平均阈值，用其对全局进行二值化处理，更精确的得到每张金相图中软相比例；
4)所述软相比例越多，相对屈强比越低，通过大量金相图片进行数学统计，得出软相比例和屈强比的关系；
5)所述软相比例确定后，通过金相图下组织的形状参数，计算等效形状系数：
Figure FDA0002634154430000011
式中A为组织实际面积；Lp为组织实际周长；可知等效形状系数越小，组织形态越复杂，其所对应抗拉强度越低；
6)综合所述软相比例和等效形状系数，得到相和屈强比的关系，从而为通过相调控以满足目标屈强比，提供一个依据。
2.如权利要求1所述低碳高强船板钢的屈强比调控和评估方法，其特征在于将铸坯随炉2.0h～2.5h内加热到1200℃～1220℃，保温时间大于1h；在热轧机上经过5～7道次轧制，轧制25～40mm，开轧温度≥1050℃，终轧温度≥980℃；总的压下率为50％～85％，然后空冷到室温。
3.如权利要求1或2所述低碳高强船板钢的屈强比的调控和评估方法，其特征在于所述的高强船板钢中，轧后热处理工艺分为两种，一种是轧后进行一次淬火处理加回火，另一种是轧后进行两次淬火处理加回火；其中一次淬火处理加回火工艺为：
加热温度为860～950℃；回火温度：加热温度为480～600℃。
4.如权利要求3所述低碳高强船板钢的屈强比调控和评估方法，其特征在于所述的高强船板钢中，轧后进行两次淬火处理加回火工艺为：
1)淬火处理：加热温度为860～950℃；
2)两相区淬火处理：加热温度为700～800℃；
3)回火温度：加热温度为480～600℃。
5.如权利要求1所述低碳高强船板钢的屈强比调控和评估方法，其特征在于低碳高强船板钢的软相达到9％～24％且等效形状系数在0.0012～0.0034时，屈强比为0.83～0.98。
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