CN114369769A - 一种超高强高韧贝氏体时效钢及其热处理工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明属于材料技术领域，具体涉及一种超高强高韧贝氏体时效钢及其热处理工艺。贝氏体时效钢基体组织为贝氏体，贝氏体时效钢的化学成分如下：Ni:15～20，Co:10～14，Mo:4～7，Ti:0.5～1.5，余量为Fe。热处理工艺如下：(1)等温淬火处理，以5～15℃/min的升温速率升温至800～900℃保温0.5～2小时后，在220℃～330℃盐浴中保温5～8小时，保温结束空冷至室温；(2)时效处理，在450～550℃下保温2～4小时，以获得目标强度和韧性。时效处理后，贝氏体时效钢室温性能指标如下：屈服强度≥2.1GPa，抗拉强度≥2.2GPa，冲击功≥13J。

Description

一种超高强高韧贝氏体时效钢及其热处理工艺
技术领域
本发明属于材料技术领域，具体涉及一种超高强高韧贝氏体时效钢及其热处理工艺。
背景技术
随着材料的服役环境逐渐的恶化，对钢铁结构材料的“轻量化”和“安全性”提出了更高的要求。这意味着，材料制备时，既要充分考虑到强度，又要注重强韧度的相互匹配以达到不降低材料的屈服强度的同时韧性显著提高韧性的目的。贝氏体钢因其具有良好的强韧性、耐磨性以及耐疲劳被广泛的应用于高铁、大飞机制造、核电、汽车以及航空航天等关键技术领域。近年来，根据贝氏体相变理论，多种新型的贝氏体钢被开发出来。然而，强度超过2.0GPa并匹配良好冲击功的贝氏体钢却鲜有报道。
通常，提高材料强度的方法有：细晶强化、固溶强化、析出强化以及加工硬化。研究表明，当贝氏体板条的尺寸细化至20～40nm时，贝氏体钢的强度可达2.5GPa。但是，考虑到实际工程应用对韧性的要求日益严苛，因而无碳化物贝氏体钢、无碳化物贝氏体/马氏体双相钢等相继被开发出来。与传统的贝氏体钢相比，组织中不存在影响材料的韧性碳化物，提高了材料的抗断裂能力。此外，研究表明，含有适当贝氏体或者无碳化物贝氏体的贝氏体/马氏体双相钢即改善钢的韧性又提高强度。然而，析出强化作为高强钢最主要的强化方式广泛的应用于马氏体时效/时效不锈钢、铁素体时效钢。为了进一步提高贝氏体钢的强度并获得良好的韧性，通过低温时效的方式使贝氏体基体中析出大量弥散分布的金属间化合物也是提高贝氏体钢强度的一个重要思路。鉴于以上思想，通过时效的方式制备超高强高韧的贝氏体时效钢是一种新颖和创造性的理念。
事实上，贝氏体相变是由切变和扩散共同主导的，结合马氏体时效/时效不锈钢的热处理方法，探索通过等温淬火结合时效处理来提高钢铁结构材料的强韧性是一种十分具有创新型的研究。
根据以上背景，在实际工程实践中，为确保构件的安全性和可靠性，开发超高屈服强度、同时具有良好的韧性的超高强贝氏体时效钢尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种超高强高韧贝氏体时效钢及其热处理工艺，通过时效的方法可促使纳米级的金属间化合物析出，这些弥散分布的纳米级金属间化合物可以有效的钉扎位错，从而提高贝氏体钢的强度。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种超高强高韧贝氏体时效钢，贝氏体时效钢基体组织为贝氏体，贝氏体时效钢的化学成分如下：Ni:15～20，Co:10～14，Mo:4～7，Ti:0.5～1.5，余量为Fe。
所述的超高强高韧贝氏体时效钢，在贝氏体基体中具有弥散分布的Ni3Ti纳米级析出相。
所述的超高强高韧贝氏体时效钢的热处理工艺，具体步骤如下：
(1)等温淬火处理
以5～15℃/min的升温速率升温至800～900℃保温0.5～2小时后，在220℃～330℃盐浴中保温5～8小时，保温结束空冷至室温；
(2)时效处理
在450～550℃下保温2～4小时，水冷至室温，以获得目标强度和韧性。
所述的超高强高韧贝氏体时效钢的热处理工艺，时效处理后，贝氏体时效钢室温性能指标如下：屈服强度≥2.1GPa，抗拉强度≥2.2GPa，冲击功≥13J。
所述的超高强高韧贝氏体时效钢的热处理工艺，在等温淬火处理之前进行固溶处理和深冷处理：在温度800～900℃保温进行2～4h，固溶处理后水冷至室温，随后在液氮温度下深冷处理6～10h。
本发明的设计思想是：通过等温淬火结合时效处理的工艺，可获的更细小的贝氏体组织并在基体中获得弥散析出纳米析出相，以达到同时提升韧性和强度的目的。
本发明的优点及有益效果是：
(1)与现有技术相比，可明显的规避大尺寸钢铁材料由于尺寸效应所引起的材料性能极不稳定的缺点。
(2)本发明贝氏体时效钢的热处理在等温淬火处理后，进行时效处理，可在不降低屈服强度和抗拉强度的条件下，将V型缺口的冲击功由9J提升至13J以上。
附图说明
图1是本发明实施例1中试样拉伸应力应变曲线图。
图2是本发明实施例1中金相组织图。
图3是本发明实施例2中试样拉伸应力应变曲线图。
图4是本发明实施例2中金相组织图。
图5是本发明实施例3中试样拉伸应力应变曲线图。
图6是本发明实施例3中金相组织图。
图7是对比例中试样拉伸应力应变曲线图。
图8是对比例中金相组织图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本申请进一步详细说明。
实施例1
按照表1所示的成分进行配料、熔炼。熔炼后的铸锭按下述工艺条件进行热加工和热处理：
(1)熔炼结束后，经自耗电极棒锻造，真空自耗熔炼等工序得到
Figure BDA0003384520510000031
圆柱棒料；
(2)均匀化处理：温度1150℃，时间12h；
(3)锻造：初锻造温度1150℃，锻造比大于5，锻后空冷至室温；
(4)热处理：850℃进行3h的固溶处理，固溶处理后水冷至室温，随后在液氮温度下深冷处理8h，固溶处理后进行深冷的作用是：获得全马氏体组织。深冷处理后的试样以5℃/min的升温速率升至850℃，保温60min后浸入330℃的盐浴中进行等温淬火处理6h。之后，在500℃下进行保温3h的时效处理，水冷至室温。
(5)材料经热处理后加工成试样，分别测试其室温拉伸性能和室温冲击性能，并对测试试样进行EBSD分析。
表1
Ni Co Mo Ti Fe
17.1 7.2 4.9 0.8 Bal.
如图1所示，从试样拉伸应力应变曲线可以看出，材料的抗拉强度为2296MPa,屈服强度为2201MPa；其冲击功为13J。
如图2所示，从金相组织图可以看出，经过等温淬火处理的钢的组织为贝氏体组织。
实施例2
按照表2所示的成分进行配料、熔炼。熔炼后的铸锭按下述工艺条件进行热加工和热处理：
(1)熔炼结束后，经自耗电极棒锻造，真空自耗熔炼等工序得到
Figure BDA0003384520510000032
圆柱棒料；
(2)均匀化处理：温度1150℃，时间12h；
(3)锻造：初锻造温度1150℃，锻造比大于5，锻后空冷至室温；
(4)热处理：850℃进行3h的固溶处理，固溶处理后水冷至室温，随后在液氮温度下深冷处理7h。深冷处理后的试样以5℃/min的升温速率升至850℃，保温60min后浸入220℃的盐浴中进行等温淬火处理7h。之后，在500℃下进行保温4h的时效处理，水冷至室温；
(5)材料经热处理后加工成试样，分别测试其室温拉伸性能和室温冲击性。
表2
Ni Co Mo Ti Fe
17.4 7.0 5.1 0.9 Bal.
如图3所示，从试样拉伸应力应变曲线可以看出，材料的抗拉强度为2291MPa,屈服强度为2232MPa；其冲击功为13J。
如图4所示，从金相组织图可以看出，钢的组织为典型的贝氏体组织，且贝氏体的尺寸为1μm左右。
实施例3
按照表3所示的成分进行配料、熔炼。熔炼后的铸锭按下述工艺条件进行热加工和热处理：
(1)熔炼结束后，经自耗电极棒锻造，真空自耗熔炼等工序得到
Figure BDA0003384520510000041
圆柱棒料；
(2)均匀化处理：温度1150℃，时间12h；
(3)锻造：初锻造温度1150℃，锻造比大于5，锻后空冷至室温；
(4)热处理：850℃进行3h的固溶处理，固溶处理后水冷至室温，随后在液氮温度下深冷处理9h。深冷处理后的试样以5℃/min的升温速率升至850℃，保温90min后浸入330℃的盐浴中进行等温淬火处理8h。之后，在500℃下进行保温2.5h的时效处理，水冷至室温；
(5)材料经热处理后加工成试样，分别测试其室温拉伸性能和室温冲击性。
表3
Ni Co Mo Ti Fe
17.8 7.1 5.0 1.1 Bal.
如图5所示，从试样拉伸应力应变曲线可以看出，材料的抗拉强度为2291MPa,屈服强度为2134MPa；其冲击功为14J。
如图6所示，从金相组织图可以看出，组织为分布均匀的粒状贝氏体组织。
对比例
按照表4所示的成分进行配料、熔炼。熔炼后的铸锭按下述工艺条件进行热加工和热处理：
(1)熔炼结束后，经自耗电极棒锻造，真空自耗熔炼等工序得到
Figure BDA0003384520510000051
圆柱棒料；
(2)均匀化处理：温度1150℃，时间12h；
(3)锻造：初锻造温度1150℃，锻造比大于5，锻后空冷至室温；
(4)热处理：850℃进行3h的固溶处理，固溶处理后水冷至室温，随后在液氮温度下深冷处理8h。深冷处理后的试样，在500℃下进行保温3h的时效处理，水冷至室温；
(5)材料经热处理后加工成试样，分别测试其室温拉伸性能和室温冲击性。
表4
Ni Co Mo Ti Fe
17.6 7.7 5.2 1.2 Bal.
如图7所示，从试样拉伸应力应变曲线可以看出，材料的抗拉强度为2320MPa,屈服强度为2230MPa；另外，其冲击功为9J。
如图8所示，从金相组织图可以看出，未经过等温淬火热处理的组织为典型的全马氏体组织，且马氏体亚结构粗大，可见明显的马氏体晶区和板条束。

Claims (5)

1.一种超高强高韧贝氏体时效钢，其特征在于，贝氏体时效钢基体组织为贝氏体，贝氏体时效钢的化学成分如下：Ni:15～20，Co:10～14，Mo:4～7，Ti:0.5～1.5，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的超高强高韧贝氏体时效钢，其特征在于，在贝氏体基体中具有弥散分布的Ni3Ti纳米级析出相。
3.一种权利要求1至2之一所述的超高强高韧贝氏体时效钢的热处理工艺，其特征在于，具体步骤如下：
(1)等温淬火处理
以5～15℃/min的升温速率升温至800～900℃保温0.5～2小时后，在220℃～330℃盐浴中保温5～8小时，保温结束空冷至室温；
(2)时效处理
在450～550℃下保温2～4小时，水冷至室温，以获得目标强度和韧性。
4.根据权利要求1所述的超高强高韧贝氏体时效钢的热处理工艺，其特征在于，时效处理后，贝氏体时效钢室温性能指标如下：屈服强度≥2.1GPa，抗拉强度≥2.2GPa，冲击功≥13J。
5.根据权利要求1所述的超高强高韧贝氏体时效钢的热处理工艺，其特征在于，在等温淬火处理之前进行固溶处理和深冷处理：在温度800～900℃保温进行2～4h，固溶处理后水冷至室温，随后在液氮温度下深冷处理6～10h。
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