CN113322365A - 一种同时提高低碳低合金钢强度和塑性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种同时提高低碳低合金钢强度和塑性的方法，属于金属材料技术领域。所述方法通过对含有Mo且含有V、Nb和Ti中一种以上的淬火态低合金钢依次进行回火处理、动态大变形和退火处理，得到一种同时具有高强度和高塑性的低碳低合金钢。含强碳化物形成元素的回火态低碳低合金钢中析出的碳化物可以在动态大变形过程中进一步细化晶粒，而在后续退火过程中细小弥散碳化物的大量析出在提供显著的第二相强化效果的同时也有利于钢塑性的改善。

Description

一种同时提高低碳低合金钢强度和塑性的方法
技术领域
本发明涉及一种同时提高低碳低合金钢强度和塑性的方法，属于金属材料技术领域。
背景技术
低碳低合金钢(碳元素含量小于等于0.2％，合金元素总量小于5％的合金钢)通常具有较高的强度(屈服强度500-900MPa)，良好的塑性(延伸率10％-20％)以及较低的成本，被广泛应用在建筑、汽车、桥梁、船舶、压力容器、海上石油钻井平台等各种工程结构件中，具有显著的经济价值和社会效益。然而，近几十年来，工程应用的持续发展，对钢的力学性能，特别是屈服强度和塑性提出了更高的要求。
大变形工艺是一种强化钢的常用方法，按照变形的应变率来划分，大变形工艺可分为低应变率大变形(等径角挤压，高压扭转，轧制等)以及动态大变形(霍普金森压杆，高速锤，动态等静角挤压，动态高压扭转等)。大变形工艺的目的是通过变形处理细化钢中晶粒并在其中引入高密度的位错以提供显著的细晶强化和位错强化，与低应变率大变形相比，动态大变形工艺具有更好的强化效果。然而在现有研究中，动态大变形工艺在显著改善回火态高合金钢以及淬火态低合金钢强度的同时往往会导致其塑性急剧降低，通常需要后续的退火处理以改善钢的塑性，但退火会导致钢的强度明显下降，且塑性也难以恢复至原有水平，无法实现良好的强塑性匹配。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种同时提高低碳低合金钢强度和塑性的方法。所述方法通过对含强碳化物形成元素的淬火态低合金钢依次进行回火处理、动态大变形和退火处理，使低碳低合金钢强度和塑性同时得到提升，得到了具有优异的强塑性匹配，屈服强度大于1000MPa且延伸率超过16％的低碳低合金钢。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种同时提高低碳低合金钢强度和塑性的方法，所述方法步骤包括：
(1)将低碳低合金钢的钢件进行完全奥氏体化处理，处理结束后于水中淬火至室温，得到淬火态低碳低合金钢；其中，所述低碳低合金钢的低合金化学成分中包括Mo且包括V、Nb和Ti中的一种以上；
(2)将所述淬火态低碳低合金钢件进行回火处理，回火处理结束后冷却至室温，得到回火态低碳低合金钢；
(3)对所述回火态低碳低合金钢进行动态大变形处理，得到大变形后的低碳低合金钢；其中动态大变形处理时，应变量为0.2-3.0，应变率为102-103s-1；
(4)将所述大变形后的低碳低合金钢进行退火处理，随后冷却至室温，得到一种同时具有高强度和高塑性的低碳低合金钢。
优选的，步骤(1)中Mo占所述低碳低合金钢的质量分数为0.2-0.4％。
优选的，步骤(1)中V占所述低碳低合金钢的质量分数为0＜V≤0.05％，Nb占所述低碳低合金钢的质量分数为0＜Nb≤0.06％，Ti占所述低碳低合金钢的质量分数为0＜Ti≤0.50％。
优选的，步骤(1)中V占所述低碳低合金钢的质量分数为0＜V≤0.05％，Nb占所述低碳低合金钢的质量分数为0＜Nb≤0.06％，Ti占所述低碳低合金钢的质量分数为0＜Ti≤0.50％，Mo占所述低碳低合金钢的质量分数为0.2-0.4％。
优选的，步骤(1)中以所述低碳低合金钢的总质量为100％计，所述钢的化学成分质量百分比为C 0.1-0.2％，Si 0.20-0.60％，Mn 0.8-1.5％，Cr 0.3-0.7％，Mo 0.2-0.4％，Ni 0.05-0.25％，0＜Al＜0.05％，0＜Co＜0.10％，0＜V≤0.05％，0＜Ti≤0.50％，0＜Nb≤0.06％，B≤0.1％，余量为铁及不可避免的杂质；所述低碳低合金钢的钢件为轧制态或锻造态。
优选的，步骤(1)中进行完全奥氏体化处理时，温度为820-1050℃，保温时间为0.5-2h。
优选的，步骤(2)中进行回火处理时，温度为300-700℃，保温时间为0.5-5h。
优选的，步骤(3)中进行动态大变形处理时，所使用的装置为分离式霍普金森压杆或高速锤。
优选的，步骤(4)中进行退火处理时，温度为200-550℃，保温时间为0.5-5h。
优选的，步骤(1)中进行完全奥氏体化处理时，温度为820-1050℃，保温时间为0.5-2h；步骤(2)中进行回火处理时，温度为300-700℃，保温时间为0.5-5h；步骤(3)中进行动态大变形处理时，所使用的装置为分离式霍普金森压杆或高速锤；步骤(4)中进行退火处理时，温度为200-550℃，保温时间为0.5-5h。
有益效果
(1)本发明所述方法通过对含有Mo且含有V、Nb和Ti中一种以上强碳化物形成元素的淬火态低碳低合金钢依次进行回火处理、动态大变形及后续退火处理，使得组织中复合了细晶强化、第二相强化和位错强化，且其强化效果互相加强，使强度大大提升。首先，回火析出的细小碳化物，在变形过程中阻碍位错滑移，并导致位错堆积，密度增加，促进了动态再结晶的发生而细化了晶粒。其次，回火形成的细小碳化物在变形过程中部分回溶，并在后续退火过程中再析出，由于变形提供的位错增加析出位点，导致形成比回火态尺寸更细小、数量更多的纳米碳化物。此外，由于细小弥散碳化物的存在，有效钉扎了变形位错，延缓了位错后续退火过程中回复，保持了形变强化效果。
(2)本发明所述低合金钢中较低的碳含量以及回火过程中碳化物析出所导致的钢基体中含碳量的进一步降低使其具有较好的塑性变形能力(延伸率～15％)。而在动态大变形及后续退火处理后，大量细小弥散碳化物的析出，进一步降低了钢基体中的含碳量，并可以阻碍拉伸过程中裂纹的扩展，从而改善了钢的塑性；同时，大变形及退火处理使钢中晶粒的施密特因子增大，滑移系启动的概率增加，也有利于钢塑性变形能力的提高。
(3)本发明所述方法中动态大变形处理的应变量为0.2-3.0。如果应变量低于0.2，会造成晶粒细化不明显，并且由于引入的位错较少，对后续退火过程中细小碳化物析出的促进作用不够显著，对钢的强化效果有限；如果应变量超过3.0，则会导致钢材的塑性较差，在变形过程中易出现开裂，都会造成钢的强度和塑性匹配不理想。
附图说明
图1为实施例1所述回火态低碳低合金钢的扫描电子显微镜(SEM)图；
图2为实施例1所述同时具有高强度和高塑性的低碳低合金钢的扫描电子显微镜(SEM)图；
图3为实施例1所述同时具有高强度和高塑性的低碳低合金钢的明场透射电子显微镜(BF-TEM)图；
图4为实施例1所述同时具有高强度和高塑性的低碳低合金钢的暗场透射电子显微镜(DF-TEM)图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
以下实施例中：
(1)拉伸试验设备：采用型号为INSTRON5985的电子万能材料试验机(美国英斯特朗)；
(2)拉伸强度、屈服强度和延伸率均由拉伸试验所得的拉伸应力-应变曲线按GB/T228-2002测得。
(3)施密特因子：采用Channel 5软件对电子背散射衍射(EBSD)数据进行处理得到晶粒施密特因子的平均值，其值越接近0.5，晶粒中的滑移系越容易开动，材料的塑性变形能力越强。
(4)SEM测试：扫描电子显微镜的仪器型号为Hitachi-S4800。
(5)TEM测试：透射电子显微镜的型号为Tecnai F20。
表1为实施例及对比例中所采用的低碳低合金钢的化学成分质量百分比。
表1
C Si Mn Cr Mo Ni Al Co V Ti Nb B Fe/wt％
实施例1 0.1 0.23 1.0 0.4 0.2 0.1 0.02 0.03 0.02 0.1 0.03 0.05 余量
实施例2 0.2 0.23 1.0 0.42 0.2 0.1 - - 0.03 0.3 - 0.05 余量
实施例3 0.1 0.5 1.0 0.4 0.2 0.1 0.02 0.03 0.02 - 0.06 0.05 余量
实施例4 0.2 0.5 1.0 0.38 0.2 0.13 - - 0.1 0.3 0.05 0.05 余量
实施例5 0.1 0.23 1.5 0.41 0.18 0.1 0.02 0.03 - 0.5 - 0.05 余量
对比例1 0.1 0.23 1.0 0.41 - 0.1 0.02 0.03 - - - 0.05 余量
按照化学成分质量百分比称量选取原料，将原料装入真空感应炉中进行真空熔炼并得到钢锭，再于电渣炉内进行重熔，最后得到重熔后的钢锭。将重熔后的钢锭于1300℃保温进行均匀化处理，然后于1200-900℃进行锻造，得到一种低碳低合金钢件，所述低碳低合金钢件的厚度为30mm。
实施例1
一种同时提高低碳低合金钢强度和塑性的方法，所述方法步骤如下：
(1)将表1中编号1所对应的低碳低合金钢件于820℃下均热保温0.5h进行完全奥氏体化处理，后于水中淬火至室温，得到淬火态低碳低合金钢；
(2)将所述淬火态低碳低合金钢，于550℃下回火保温0.5h，回火处理结束后于空气中冷却至室温，得到回火态低碳低合金钢；
(3)在所述回火态低碳低合金钢上取尺寸为φ12×18mm的圆柱形试样，采用分离式霍普金森压杆对所述试样进行动态大变形处理，应变量为0.4，应变率为103s-1，得到动态大变形后的低碳低合金钢；
(4)将所述动态大变形后的低碳低合金钢于450℃保温1h进行退火处理，退火处理结束后于空气中冷却至室温，得到退火后的低碳低合金钢，所述退火后的低碳低合金钢同时具有高强度和高塑性，所述钢的力学性能结果如表2。
所述回火态低碳低合金钢的SEM测试(如图1所示)和所述退火后的低合金钢的SEM测试(如图2所示)结果表明，动态大变形及后续退火后所述钢的晶粒尺寸得到细化。
所述退火后的低碳低合金钢的BF-TEM测试(如图3所示)和DF-TEM测试(如图4所示)结果表明，回火、动态大变形及后续退火处理后得到的所述钢中板条间(Inter-lath)及板条内部(Intra-lath)弥散分布有M3C(M＝Ti、Nb、V、Mo)，其中M3C(Inter-lath)的平均尺寸为90nm，M3C(Inra-lath)的平均尺寸为40nm，同时其晶粒施密特因子的平均值为0.49。
实施例2
一种同时提高低碳低合金钢强度和塑性的方法，所述方法步骤如下：
(1)将表1中编号2所对应的低碳低合金钢件于880℃进行均热保温1h的完全奥氏体化处理，后于水中淬火至室温，得到淬火态低碳低合金钢；
(2)将所述淬火态低碳低合金钢，于450℃下回火保温5h，回火处理结束后于空气中冷却至室温，得到回火态低碳低合金钢；
(3)在所述回火态低碳低合金钢上取尺寸为φ12×18mm的圆柱形试样，采用霍普金森压杆对所述试样进行动态大变形处理，应变量为0.8，应变率为103s-1，得到动态大变形后的低碳低合金钢；
(4)将所述动态大变形后的低碳低合金钢于400℃保温4h进行退火处理，退火处理结束后于空气中冷却至室温，得到退火后的低碳低合金钢，所述退火后的低碳低合金钢同时具有高强度和高塑性，所述钢的力学性能结果如表2。
所述回火态低碳低合金钢的SEM测试和所述退火后的低碳低合金钢的SEM测试结果表明，动态大变形及后续退火后所述钢的晶粒尺寸得到细化。
所述退火后的低碳低合金钢的TEM测试结果表明，回火、动态大变形及后续退火处理后得到的所述钢中板条间(Inter-lath)及板条内部(Intra-lath)弥散分布有M3C(M＝Ti、V、Mo)，其中M3C(Inter-lath)的平均尺寸为80nm，M3C(Inra-lath)的平均尺寸为28nm，同时其晶粒施密特因子的平均值为0.47。
实施例3
一种同时提高低碳低合金钢强度和塑性的方法，所述方法步骤如下：
(1)将表1中编号3所对应的低碳低合金钢件于920℃进行均热保温2h的完全奥氏体化处理，后于水中淬火至室温，得到淬火态低碳低合金钢；
(2)将所述淬火态低碳低合金钢，于350℃下回火保温3h，回火处理结束后于空气中冷却至室温，得到回火态低碳低合金钢；
(3)在所述回火态低碳低合金钢上取尺寸为φ12×18mm的圆柱形试样，采用霍普金森压杆对所述试样进行动态大变形处理，应变量为1.2，应变率为103s-1，得到动态大变形后的低碳低合金钢；
(4)将所述动态大变形后的低碳低合金钢于200℃保温5h进行退火处理，退火处理结束后于空气中冷却至室温，得到退火后的低碳低合金钢，所述退火后的低碳低合金钢同时具有高强度和高塑性，所述钢的力学性能结果如表2。
所述回火态低碳低合金钢的SEM测试和所述退火后的低碳低合金钢的SEM测试结果表明，动态大变形及后续退火后所述钢的晶粒尺寸得到细化。
所述退火后的低碳低合金钢的TEM测试结果表明，回火、动态大变形及后续退火处理后得到的所述钢中板条间(Inter-lath)及板条内部(Intra-lath)弥散分布有M3C(M＝Nb、V、Mo)，其中M3C(Inter-lath)的平均尺寸为70nm，M3C(Inra-lath)的平均尺寸为20nm，同时其晶粒施密特因子的平均值为0.46。
实施例4
一种同时提高低碳低合金钢强度和塑性的方法，所述方法步骤如下：
(1)将表1中编号4所对应的低碳低合金钢件于980℃进行均热保温0.5h的完全奥氏体化处理，后于水中淬火至室温，得到淬火态低碳低合金钢；
(2)将所述淬火态低碳低合金钢，于700℃下回火保温1h，回火处理结束后于空气中冷却至室温，得到回火态低碳低合金钢；
(3)在所述回火态低碳低合金钢上取尺寸为φ12×18mm的圆柱形试样，采用霍普金森压杆对所述试样进行动态大变形处理，应变量为2.8，应变率为103s-1，得到动态大变形后的低碳低合金钢；
(4)将所述动态大变形后的低碳低合金钢于500℃保温4h进行退火处理，退火处理结束后于空气中冷却至室温，得到退火后的低碳低合金钢，所述退火后的低碳低合金钢同时具有高强度和高塑性，所述钢的力学性能结果如表2。
所述回火态低碳低合金钢的SEM测试和所述退火后的低碳低合金钢的SEM测试结果表明，动态大变形及后续退火后所述钢的晶粒尺寸得到细化。
所述退火后的低碳低合金钢的TEM测试结果表明，回火、动态大变形及后续退火处理后得到的所述钢中板条间(Inter-lath)及板条内部(Intra-lath)弥散分布有M3C(M＝Ti、Nb、V、Mo)，其中M3C(Inter-lath)的平均尺寸为50nm，M3C(Inra-lath)的平均尺寸为10nm，同时其晶粒施密特因子的平均值为0.41。
实施例5
一种同时提高低碳低合金钢强度和塑性的方法，所述方法步骤如下：
(1)将表1中编号5所对应的低碳低合金钢件于1050℃进行均热保温1h的完全奥氏体化处理，后于水中淬火至室温，得到淬火态低碳低合金钢；
(2)将所述淬火态低碳低合金钢，于600℃下回火保温2h，回火处理结束后于空气中冷却至室温，得到回火态低碳低合金钢；
(3)在所述回火态低碳低合金钢上取尺寸为φ12×18mm的圆柱形试样，采用霍普金森压杆对所述试样进行动态大变形处理，应变量为1.6，应变率为103s-1，得到动态大变形后的低碳低合金钢；
(4)将所述动态大变形后的低碳低合金钢于550℃保温0.5h进行退火处理，退火处理结束后于空气中冷却至室温，得到退火后的低碳低合金钢，所述退火后的低碳低合金钢同时具有高强度和高塑性，所述钢的力学性能结果如表2。
所述回火态低碳低合金钢的SEM测试和所述退火后的低碳低合金钢的SEM测试结果表明，动态大变形及后续退火后所述钢的晶粒尺寸得到细化。
所述退火后的低碳低合金钢的TEM测试结果表明，回火、动态大变形及后续退火处理后得到的所述钢中板条间(Inter-lath)及板条内部(Intra-lath)弥散分布有M3C(M＝Ti、Mo)，其中M3C(Inter-lath)的平均尺寸为65nm，M3C(Inra-lath)的平均尺寸为18nm，同时其晶粒施密特因子的平均值为0.43。
对比例1
本对比例制备方法同实施例1，区别在于，本对比例中不含强碳化物形成元素Ti、Nb、V以及Mo。
将以上实施例和对比例中制得的所述钢经线切割及磨削加工成横截面尺寸为4×0.8mm，原始标距L0为5mm的拉伸试样，进行力学性能测试，结果如表2所示，Rp0.2表示屈服强度，Rm表示拉伸强度，A表示延伸率。
表2
R<sub>p0.2</sub>/MPa R<sub>m</sub>/MPa A/％
实施例1 1018 1130 25.9
实施例2 1197 1288 23.7
实施例3 1305 1429 22.5
实施例4 1601 1694 16.3
实施例5 1426 1521 20.2
对比例1 950 1045 9.4
对比例1和实施例1相比唯一的区别在于对比例1成分中不含强碳化物形成元素Ti、Nb、V以及Mo，导致其在回火过程中析出的碳化物数量较少，对大变形过程中晶粒细化的促进作用减弱，削弱了动态大变形后的细晶强化效果；并且由于不含强碳化物形成元素，在动态大变形及后续退火处理后，钢中碳化物的析出数量也相应减少，对位错的钉扎作用减弱，促进了位错回复，从而弱化了第二相强化以及位错强化效果。此外，退火处理后对比例1所述钢中碳化物数量的减少使其对拉伸过程中裂纹扩展的阻碍作用减弱，并使钢基体中的碳含量维持在较高水平，降低了钢的塑性变形能力，同时，在动态大变形及后续退火处理后，钢中晶粒施密特因子的平均值仅为0.32，这使得与实施例1相比，对比例1所述钢的强度和塑性均明显下降，无法实现良好的强塑性匹配。
实施例1-5中，含强碳化物形成元素的回火态低碳低合金钢中析出的碳化物可以在动态大变形过程中进一步细化晶粒，而在后续退火过程中细小弥散碳化物的大量析出在提供显著的第二相强化效果的同时也有利于钢塑性的改善。因此，通过对含强碳化物形成元素的回火态低合金钢进行动态大变形及退火处理，可以在进一步提高低成本的低合金钢强度的同时改善其塑性，获得更加优异的强塑性匹配，拓宽其在工程上的应用。
综上所述，发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明的精神和原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种同时提高低碳低合金钢强度和塑性的方法，其特征在于：所述方法步骤包括：
(1)将低碳低合金钢的钢件进行完全奥氏体化处理，处理结束后于水中淬火至室温，得到淬火态低碳低合金钢；其中，所述低碳低合金钢的低合金化学成分中包括Mo且包括V、Nb和Ti中的一种以上；
(2)将所述淬火态低碳低合金钢件进行回火处理，回火处理结束后冷却至室温，得到回火态低碳低合金钢；
(3)对所述回火态低碳低合金钢进行动态大变形处理，得到大变形后的低碳低合金钢；其中动态大变形处理时，应变量为0.2-3.0，应变率为102-103s-1；
(4)将所述大变形后的低碳低合金钢进行退火处理，随后冷却至室温，得到一种同时具有高强度和高塑性的低碳低合金钢。
2.如权利要求1所述的一种同时提高低碳低合金钢强度和塑性的方法，其特征在于：步骤(1)中Mo占所述低碳低合金钢的质量分数为0.2-0.4％。
3.如权利要求1所述的一种同时提高低碳低合金钢强度和塑性的方法，其特征在于：步骤(1)中V占所述低碳低合金钢的质量分数为0＜V≤0.05％，Nb占所述低碳低合金钢的质量分数为0＜Nb≤0.06％，Ti占所述低碳低合金钢的质量分数为0＜Ti≤0.50％。
4.如权利要求1所述的一种同时提高低碳低合金钢强度和塑性的方法，其特征在于：步骤(1)中V占所述低碳低合金钢的质量分数为0＜V≤0.05％，Nb占所述低碳低合金钢的质量分数为0＜Nb≤0.06％，Ti占所述低碳低合金钢的质量分数为0＜Ti≤0.50％，Mo占所述低碳低合金钢的质量分数为0.2-0.4％。
5.如权利要求1所述的一种同时提高低碳低合金钢强度和塑性的方法，其特征在于：步骤(1)中以所述低碳低合金钢的总质量为100％计，所述钢的化学成分质量百分数为C 0.1-0.2％，Si 0.20-0.60％，Mn 0.8-1.5％，Cr 0.3-0.7％，Mo 0.2-0.4％，Ni 0.05-0.25％，0＜Al＜0.05％，0＜Co＜0.10％，0＜V≤0.05％，0＜Ti≤0.50％，0＜Nb≤0.06％，B≤0.1％，余量为铁及不可避免的杂质；所述低碳低合金钢的钢件为轧制态或锻造态。
6.如权利要求1-5任意一项所述的一种同时提高低碳低合金钢强度和塑性的方法，其特征在于：步骤(1)中进行完全奥氏体化处理时，温度为820-1050℃，保温时间为0.5-2h。
7.如权利要求1-5任意一项所述的一种同时提高低碳低合金钢强度和塑性的方法，其特征在于：步骤(2)中进行回火处理时，温度为300-700℃，保温时间为0.5-5h。
8.如权利要求1-5任意一项所述的一种同时提高低碳低合金钢强度和塑性的方法，其特征在于：步骤(3)中进行动态大变形处理时，所使用的装置为分离式霍普金森压杆或高速锤。
9.如权利要求1-5任意一项所述的一种同时提高低碳低合金钢强度和塑性的方法，其特征在于：步骤(4)中进行退火处理时，温度为200-550℃，保温时间为0.5-5h。
10.如权利要求1-5任意一项所述的一种同时提高低碳低合金钢强度和塑性的方法，其特征在于：步骤(1)中进行完全奥氏体化处理时，温度为820-1050℃，保温时间为0.5-2h；步骤(2)中进行回火处理时，温度为300-700℃，保温时间为0.5-5h；步骤(3)中进行动态大变形处理时，所使用的装置为分离式霍普金森压杆或高速锤；步骤(4)中进行退火处理时，温度为200-550℃，保温时间为0.5-5h。
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