CN111088415B - 铁素体-马氏体非调质钢、高强螺栓及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁素体‑马氏体非调质钢、高强螺栓及其制备方法，所述铁素体‑马氏体非调质钢中马氏体‑奥氏体组元的数量百分比γ₁为85％～95％，所述马氏体‑奥氏体组元的体积百分数γ₂为15％～25％，能够保证所述马氏体‑奥氏体组元在铁素体基体中呈现弥散状分布，提高了铁素体‑马氏体非调质钢的稳定性，从而降低了铁素体‑马氏体非调质钢的永久伸长量。

Description

铁素体-马氏体非调质钢、高强螺栓及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种铁素体-马氏体非调质钢、高强螺栓及其制备方法，属于控轧控冷技术领域。

背景技术

深加工行业逐渐向高效率、低成本和加工流程减量化的方向快速发展，开发适应新流程的新材料是发展趋势。经调制处理后制得的调质钢虽然具有较高的强度、塑性和韧性，但是非调质钢可省去调质处理中淬火和高温回火两道周期长、能耗大的工序，简化工序的同时，还避免了因热处理而造成的表面氧化、脱碳和工件变形等问题，因此，非调质钢成为了新工艺路线下替代传统调质钢的新材料。

高强度紧固件(比如螺栓)在服役过程中对永久伸长量具有严格的要求，不允许发生过量变形，冷作强化非调质钢制作高强螺栓是在冷拉拔、冷镦和搓丝等冷作强化操作下直接制作，冷作强化后的变形组织状态决定着高强螺栓紧固后的永久伸长性能，非调质钢由于未经过回火过程的稳定化处理，易发生塑性变形，永久伸长量较大，通过非调质钢制成的各种紧固件的永久伸长性能也无法达到要求。

因此，现有技术中存在着难以降低非调质钢的永久伸长量的技术问题。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种铁素体-马氏体非调质钢、高强螺栓及其制备方法，以解决现有技术中难以降低非调质钢的永久伸长量的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种铁素体-马氏体非调质钢，所述铁素体-马氏体非调质钢中马氏体-奥氏体组元的数量百分比γ₁为85％～95％，所述马氏体-奥氏体组元的体积百分数γ₂为15％～25％。

优选地，所述马氏体-奥氏体组元的数量百分数和所述马氏体-奥氏体组元的体积百分数满足：4.0≤γ₁/γ₂≤6.0。

优选地，所述马氏体-奥氏体组元的数量百分数和所述马氏体-奥氏体组元的体积百分数满足：0.15≤(γ₁×γ₂)/D^1/2≤0.25，其中，D为所述马氏体-奥氏体组元的平均粒度。

优选地，所述马氏体-奥氏体组元的数量百分比γ1为90％。

优选地，所述马氏体-奥氏体组元的体积百分数γ2为20％。

为实现上述目的，本发明还提供一种铁素体-马氏体非调质钢的制备方法，所述铁素体-马氏体非调质钢的制备方法包括：斯太尔摩冷却线上，通过F+γ两相区分段控制相变过程，控制马氏体-奥氏体组元的数量百分比γ₁为85％～95％，所述马氏体-奥氏体组元的体积百分数γ₂为15％～25％。

为实现上述目的，本发明还提供一种铁素体-马氏体非调质钢高强螺栓，所述铁素体- 马氏体非调质钢高强螺栓由上文所述的铁素体-马氏体非调质钢制得。

为实现上述目的，本发明还提供一种铁素体-马氏体非调质钢高强螺栓的制备方法，所述铁素体-马氏体非调质钢高强螺栓的制备方法包括：

将所述铁素体-马氏体非调质钢轧制成热轧盘卷；

对所述铁素体-马氏体非调质钢热轧盘卷依次进行拉拔、冷镦和螺纹加工，得到所述的铁素体-马氏体非调质钢高强螺栓。

相比于现有技术，本发明所述方法具有以下优点：

本发明在斯太尔摩线上，通过F+γ两相区分段控制相变过程，控制所述马氏体-奥氏体组元的数量百分数γ₁为85％～95％，所述马氏体-奥氏体组元的体积百分数γ2为15％～25％，保证所述马氏体-奥氏体组元在铁素体基体中呈现弥散状分布，提高了铁素体-马氏体非调质钢的稳定性，从而降低了铁素体-马氏体非调质钢的永久伸长量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明铁素体-马氏体非调质钢高强螺栓、铁素体-珠光体非调质钢高强螺栓以及调质钢高强螺栓在建筑钢结构实际服役12个月时效后的永久伸长量对比图；

图2为本发明铁素体-马氏体非调质钢高强螺栓和新日铁铁素体-珠光体非调质钢高强螺栓在不同温度时效加载45min后的永久伸长量对比图。

具体实施方式

下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。

在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

本发明实施例提供一种铁素体-马氏体非调质钢，所述铁素体-马氏体非调质钢中马氏体-奥氏体所述马氏体-奥氏体组元的数量百分比γ₁为85％～95％，所述马氏体-奥氏体组元的体积百分数γ₂为15％～25％。

斯太尔摩线是基于钢在冷却时组织的转变规律而设计出的一种控制冷却工艺，是控制线材组织性能的关键工序，本实施例在斯太尔摩线上，通过F+γ两相区分段控制相变过程，从而控制所述马氏体-奥氏体组元的数量百分数γ₁在85-95％范围内，所述马氏体-奥氏体组元的体积百分数γ₂为15％～25％，保证所述马氏体-奥氏体组元在铁素体基体中呈现弥散状分布，提高了铁素体-马氏体非调质钢的稳定性，从而降低了铁素体-马氏体非调质钢的永久伸长量。

可以理解的是，当所述马氏体-奥氏体组元的数量百分比低于85％时，所述马氏体-奥氏体组元会呈现出数量少、块状大的情形，产生的位错胞状结构量不够，所述马氏体-奥氏体组元的数量百分比低于85％的材料在带应力服役过程中，易发生塑性变形，永久伸长量无法达到要求。当所述马氏体-奥氏体组元的数量百分比高于95％时，将会出现位错胞状结构量较高，用户深加工变形形成差、加工硬化率高的问题。因此，本实施例中将控制所述马氏体- 奥氏体组元的数量百分比为85％～95％，从而保证所述马氏体-奥氏体组元在铁素体基体中呈现弥散状分布，以提高铁素体-马氏体非调质钢的永久伸长性能。进一步的所述马氏体-奥氏体组元的数量百分比为85％、87％、88％、90％、92％、93％或者94％。

应当理解的是，当所述马氏体-奥氏体组元的体积百分数低于15％时，铁素体含量较高，无法满足热轧态及深加工后的强度问题，且所述马氏体-奥氏体组元的体积百分数低于 15％的材料在带应力服役过程中，易发生塑性变形，永久伸长量无法达到要求。当所述马氏体-奥氏体组元的体积百分数高于25％时，钢种合金元素含量高，增大了成本；另外所述马氏体-奥氏体组元含量高，材料强度高和深加工变形行为变差，并且如果合金含量不足以转变得到25％体积百分数的所述马氏体-奥氏体组元，转变过程会出现中温贝氏体组织或者高温珠光体组织，就不能成为名副其实的铁素体和马氏体双相钢。因此，本实施例中将所述马氏体- 奥氏体组元的体积百分数控制在15％-25％范围内，铁素体含量在合理范围内，提高了铁素体 -马氏体非调质钢的永久伸长性能，同时降低了生产成本。进一步的所述马氏体-奥氏体组元的体积百分比为16％、17％、18％、20％、22％、23％或者24％。

进一步地，所述马氏体-奥氏体组元的数量百分数和所述马氏体-奥氏体组元的体积百分数满足：4.0≤γ₁/γ₂≤6.0。

可以理解的是，所述马氏体-奥氏体组元的数量百分数和所述马氏体-奥氏体组元的体积百分数满足：4.0≤γ₁/γ₂≤6.0时，能够保证在奥氏体向所述马氏体-奥氏体组元转变的过程中产生切变和体积膨胀，并且在紧靠马氏体岛周围的铁素体中严重位错化的“预屈服”铁素体区，产生定量的较为合适的位错胞状结构，避免了用户深加工变形形成差、加工硬化率高。进一步的所述马氏体-奥氏体组元的数量百分数和所述马氏体-奥氏体组元的体积百分数的比γ₁/γ₂为：4.1、4.3、4.5、4.7、4.9、5.0、5.1、5.2、5.4、5.6、5.8或者5.9。

进一步地，所述马氏体-奥氏体组元的数量百分数和所述马氏体-奥氏体组元的体积百分数满足：0.15≤(γ₁×γ₂)/D^1/2≤0.25，其中，D为所述马氏体-奥氏体组元的平均粒度。

如果关系式(γ₁×γ₂)/D^1/2＜0.15，会出现所述马氏体-奥氏体组元的粒度尺寸及弥散分布量不足、所述马氏体-奥氏体组元周围的铁素体严重位错化的胞状亚结构量不足的问题，在材料预应力服役过程中，难以抵抗长期持久应力条件下的塑性变形，导致螺栓产品永久伸长失效，钢结构失效，发生严重的事故。如果关系式(γ₁×γ₂)/D^1/2＞0.25，会出现下述问题：1、钢种合金含量高，成分富裕性能过剩，同时面临着高合金生产风险，连铸中心偏析、高温塑性差以及微观枝晶偏析等问题；2、热轧材料在用户深加工变形过程中，变形加工硬化率高、回弹大以及模具损耗大，在实际的应用过程中难以推广。因此，本实施例通过控制所述关系式满足0.15≤(γ₁×γ₂)/D^1/2≤0.25，进一步精准控制所述马氏体-奥氏体组元的数量百分数、体积百分数和粒度，以使所述马氏体-奥氏体组元在铁素体基体中呈现弥散状分布，所述马氏体-奥氏体组元周围的铁素体严重位错化的胞状亚结构量适量，制得的铁素体-马氏体非调质钢高强螺栓不易发生塑性变形，降低了铁素体-马氏体非调质钢高强螺栓的永久伸长量。进一步的所述关系式的数值为：0.16、0.17、0.19、0.20、0.22、0.23或者0.24。

本发明实施例还提出一种铁素体-马氏体非调质钢的制备方法，所述铁素体-马氏体非调质钢的制备方法包括：斯太尔摩冷却线上，通过F+γ两相区分段控制相变过程，控制马氏体-奥氏体组元的数量百分比γ₁为85％～95％，所述马氏体-奥氏体组元的体积百分数γ₂为 15％～25％。进一步地，所述马氏体-奥氏体组元的数量百分数和所述马氏体-奥氏体组元的体积百分数满足：4.0≤γ₁×γ₂≤6.0；所述马氏体-奥氏体组元的数量百分数和所述马氏体-奥氏体组元的体积百分数满足：0.15≤(γ₁×γ₂)/D^1/2≤0.25，其中，D为所述马氏体-奥氏体组元的平均粒度。

本实施例在斯太尔摩冷却线上，控制所述马氏体-奥氏体组元的数量百分数、体积百分比和平均粒度满足上述条件，保证所述马氏体-奥氏体组元在铁素体基体中呈现弥散状分布，提高了铁素体-马氏体非调质钢的稳定性，从而降低了铁素体-马氏体非调质钢的永久伸长量。

本发明实施例还提出一种铁素体-马氏体非调质钢高强螺栓，所述铁素体-马氏体非调质钢高强螺栓由所述铁素体-马氏体非调质钢制得。

本实施例通过所述铁素体-马氏体非调质钢制备铁素体-马氏体非调质钢高强螺栓，保证所述马氏体-奥氏体组元在铁素体基体中呈现弥散状分布，从而降低了铁素体-马氏体非调质钢高强螺栓的永久伸长量。

表1铁素体-马氏体非调质钢高强螺栓的永久伸长量

采集编号为DP-1、DP-2、……、DP-7的本实施例铁素体-马氏体非调质钢高强螺栓以及编号为PT-8、PT-9、PT-10的现有技术中的普通双相钢种高强螺栓，螺栓尺寸为 M16×50mm，每个螺栓中的马氏体-奥氏体组元含量不同、平均粒度不同。对螺栓施加静态载荷91000N，加载时夹头移动速度≤3mm/min，对铁素体-马氏体非调质钢高强螺栓加载45min，对普通双相钢种高强螺栓加载15s，采用带尖爪千分尺(精度0.001mm、测头角度15°)测量螺栓加载前、后永久伸长量变化。另外，按照现场施工要求，安装螺栓到建筑钢结构厂房并标注每个螺栓的原始尺寸，然后分别隔3、6和12个月定期测试螺栓在实际服役过程中的永久伸长量的变形行为，获得如表1所示的永久伸长量。如表1可知，加载和实际服役后，本实施例的铁素体-马氏体非调质钢高强螺栓的永久伸长量明显小于普通双相钢种高强螺栓的永久伸长量。

参照图1，图1为本发明铁素体-马氏体非调质钢高强螺栓、铁素体-珠光体非调质钢高强螺栓以及调质钢高强螺栓在建筑钢结构实际服役12个月的时效后的永久伸长量对比图，其中，MC8(F+P)为铁素体-珠光体非调质钢高强螺栓，PT-8为普通双相钢种高强螺栓，DP-6 为所述铁素体-马氏体非调质钢高强螺栓，S45C为调质钢高强螺栓。根据图1 可知，MC8(F+P) 未时效之前的永久伸长量大于其在200℃时效后的永久伸长量，且均大于DP-6加载12个月后的永久伸长量。PT-8加载15秒后的永久伸长量大于DP-6加载12个月后的永久伸长量， PT-8加载12个月后的永久伸长量远远大于DP-6加载12个月后的永久伸长量。S45C加载12 个月后的永久伸长量明显大于DP-6加载12个月后的永久伸长量。因此，本实施例的铁素体- 马氏体非调质钢高强螺栓的永久伸长性能较好，优于调质钢。

参照图2，图2为本发明铁素体-马氏体非调质钢高强螺栓和新日铁铁素体-珠光体非调质钢高强螺栓在不同温度时效加载45min后的永久伸长量对比图，其中，三角形点构成的曲线为新日铁铁素体-珠光体非调质钢高强螺栓NHF60的永久伸长量变化，圆形点构成的曲线为新日铁铁素体-珠光体非调质钢高强螺栓NHF90的永久伸长量变化，菱形点构成的曲线为本实施例铁素体-马氏体非调质钢高强螺栓的永久伸长量变化，由图2 可知，本实施例铁素体-马氏体非调质钢高强螺栓的永久伸长量明显小于NHF60和NHF90的永久伸长量，所述铁素体-马氏体非调质钢高强螺栓具有较好的永久伸长性能。

本发明实施例还提出一种铁素体-马氏体非调质钢高强螺栓的制备方法，所述铁素体- 马氏体非调质钢高强螺栓的制备方法包括：

将所述铁素体-马氏体非调质钢轧制成热轧盘卷；

对所述铁素体-马氏体非调质钢热轧盘卷依次进行拉拔、冷镦和螺纹加工，得到所述的铁素体-马氏体非调质钢高强螺栓。

本实施例在斯太尔摩冷却线上，控制所述马氏体-奥氏体组元的数量百分数、体积百分比和平均粒度满足一定条件，保证所述马氏体-奥氏体组元在铁素体基体中呈现弥散状分布，提高了铁素体-马氏体非调质钢的稳定性，并通过所述铁素体-马氏体非调质钢制备铁素体-马氏体非调质钢高强螺栓，从而降低了铁素体-马氏体非调质钢高强螺栓的永久伸长量。

最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种铁素体-马氏体非调质钢，其特征在于，所述铁素体-马氏体非调质钢中马氏体-奥氏体组元的数量百分比γ₁为85%～95%，所述马氏体-奥氏体组元的体积百分数γ₂为15%～25%，所述马氏体-奥氏体组元的数量百分数和所述马氏体-奥氏体组元的体积百分数满足：

，所述马氏体-奥氏体组元的数量百分数和所述马氏体-奥氏体组元的体积百分数满足：

，其中，D为所述马氏体-奥氏体组元的平均粒度。

2.如权利要求1所述的铁素体-马氏体非调质钢，其特征在于，所述马氏体-奥氏体组元的数量百分比γ₁为90%。

3.如权利要求1所述的铁素体-马氏体非调质钢，其特征在于，所述马氏体-奥氏体组元的体积百分数γ₂为20%。

4.一种铁素体-马氏体非调质钢高强螺栓，其特征在于，所述铁素体-马氏体非调质钢高强螺栓由权利要求1-3中任一项所述的铁素体-马氏体非调质钢制得。

5.一种如权利要求4所述的铁素体-马氏体非调质钢高强螺栓的制备方法，其特征在于，所述铁素体-马氏体非调质钢高强螺栓的制备方法包括：

将所述铁素体-马氏体非调质钢轧制成热轧盘卷；

对所述铁素体-马氏体非调质钢热轧盘卷依次进行拉拔、冷镦和螺纹加工，得到所述的铁素体-马氏体非调质钢高强螺栓。

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