CN114480977A - 一种低温2500MPa级超高强高韧钢及其制备方法 - Google Patents

一种低温2500MPa级超高强高韧钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低温2500MPa级超高强高韧钢及其制备方法,解决了现有钢种低温强度小于2000MPa的瓶颈，开发了超高强高韧一体化钢种及相应的高效率工艺。所述超高强高韧钢中化学成分重量百分比为：C为0.3％～0.6％，Ni为6.0％～10.0％，Cr为6.0％～10.0％，Mo为3.0％～6.0％，Mn为1.0％～3.0％，Cu为0.5％～3.5％，V为0.05％～0.15％，Nb为0.05％～0.15％，其余为Fe。制备方法，包括以下步骤：对均匀结构钢液氮轧制处理，得到大量马氏体；再进行室温轧制处理，得到马氏体相的超细纳米片层组织结构；最后进行退火处理，获得马氏体相和奥氏体相的双相超细纳米片层组织结构，其在液氮温度下的强度为2500MPa,均匀延伸率为25％。

Description

一种低温2500MPa级超高强高韧钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及超高强度高韧钢技术领域，具体涉及一种低温2500MPa级超高强高韧钢及其制备方法。
背景技术
随着我国工业的发展，用于低温下安全且经济地贮存和运输加压挥发性流体等产品的设备需求越来越多，这对制造以上设备的钢板提出越来越苛刻的综合力学性能要求。通常情况下，普通钢材在低温环境中抗拉强度较低，使得在低温应用场合必须针对其相对低的抗拉强度进行设计，从而使得钢材的厚度过大，不利于设计且价格昂贵；同时，当在低温环境下钢材具有很高的抗拉强度时，往往其低温韧性无法满足设计需求，两者呈“互斥”的矛盾关系。
截至目前，低温环境中超高强度钢研究的瓶颈仍在于：开发具有高强度和高韧性一体化的钢种以及相应的高效制备工艺，因此，亟需一种能通过合理的成分设计和简单有效的制备工艺，获得在低温环境下具有超高强度和优异韧性一体化的钢材。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明针对钢在工程广泛应用中的制约因素，以及现有制备工艺的复杂性，提供了一种低温2500MPa级超高强高韧钢及其制备方法，所述高强是指在液氮温度下的抗拉强度＞2000MPa，所述高韧性是指均匀拉伸伸长率＞20％，解决了上述背景技术中提到的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种低温2500MPa级超高强高韧钢，以重量百分比计,所述超高强高韧钢化学成分包括：
C为0.3％～0.6％，Ni为6.0％～10.0％，Cr为6.0％～10.0％，Mo为3.0％～6.0％，Mn为1.0％～3.0％，Cu为0.5％～3.5％，V为0.05％～0.15％，Nb为0.05％～0.15％，其余为Fe。
优选的，所述的超高强高韧钢化学成分包括：
C为0.4％～0.6％，Ni为6.0％～7.0％，Cr为6.0％～10.0％，Mo为3.0％～6.0％，Mn为2.1％～3.0％，Cu为0.5％～3.5％，V为0.05％～0.15％，Nb为0.05％～0.15％，其余为Fe。
优选的，所述的超高强高韧钢中的纳米片层厚度为10nm～300nm；所述钢板组织结构为奥氏体和马氏体组织，所述奥氏体含量为10％～60％，所述马氏体含量为40％～90％。
优选的，所述的超高强高韧钢中的纳米片层厚度为10nm～100nm；所述钢板组织结构为奥氏体和马氏体组织，所述奥氏体含量为40％～60％，所述马氏体含量为40％～60％。
另外，为实现上述目的，本发明还提供如下技术方案：一种低温2500MPa级超高强高韧钢的制备方法，包括如下步骤：
S1、对钢板进行预处理，所述预处理步骤包括固溶处理得到固溶态钢板；
S2、对步骤S1预处理的固溶态钢板进行液氮多道次轧制处理；
S3、将液氮多道次轧制处理后的钢板进行室温多道次轧制处理；
S4、对室温多道次轧制处理后的钢板进行退火处理。
优选的，所述步骤S1中的固溶处理，固溶温度范围为900℃～1200℃，固溶时间范围为1h～6h，冷却方式为水冷。
优选的，所述步骤S2中，轧制温度为-196℃，单一道次的应变量＜0.1；所述步骤中的多道次轧制量为5％～20％，每道次下轧量＜5％。
优选的，所述步骤S3中的轧制温度为室温，单一道次的应变量＜0.1；所述步骤中的多道次轧制量为80％～90％，每道次下轧量＜5％。
优选的，所述步骤S4中的轧制温度为室温，退火处理温度范围为550℃-700℃，退火时间范围为1min-20min，冷却方式为空冷。
本发明的有益效果是：
1)本发明制备的低温2500MPa级超高强高韧钢，力学特征在于，液氮温度下其拉伸屈服强度范围为1700MPa～2500MPa，极限拉伸强度范围为2000MPa～3000MPa，拉伸均匀伸长率范围为20％～30％；有效解决了现有高强钢的强度＜2000MPa的瓶颈，通过简单有效的制备方法获得低温2500MPa级超高强高韧钢。
2)通过液氮轧制制备了独特的马氏体纳米片层组织结构，进一步室温轧制保证了超细纳米片层组织结构进一步变小，进一步提升了材料的强度，再进行退火处理，使得部分马氏体回复成奥氏体，成功构造马氏体奥氏体双相纳米片层结构，有效的保证材料塑性；在液氮温度下进行测试，促进马氏体相变，提升材料强度的同时，还保证了材料的塑性。
附图说明
图1为本发明实施例1所制备的低温超高强高韧钢的拉伸工程应力-应变曲线图；
图2为本发明实施例2所制备的低温超高强高韧钢的拉伸工程应力-应变曲线图；
图3为本发明实施例2所制备的低温超高强高韧钢的透射电子显微镜(TEM)明场和衍射图；
图4为本发明实施例2制备的低温超高强高韧钢的断口扫描电镜(SEM)图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例的化学元素成分及重量占比为：C为0.4％，Ni为6％，Cr为8％，Mo为4％，Mn为1％，Cu为2％，V为0.15％，Nb为0.15％和余量Fe。超高强高韧钢中的纳米片层厚度为30nm，钢板组织结构为奥氏体和马氏体组织，所述奥氏体含量为40％，所述马氏体含量为60％。
实施例1
低温2500MPa级超高强高韧钢的制备方法，具体制备步骤流程如下：
步骤1：对初始钢进行液氮下多道次轧制加工，得到冷变形的高强度奥氏体/马氏体双相片层钢；
选用厚度10mm的均匀结构钢板，经液氮多道次轧制处理得到厚度9mm的钢板，每道次冷轧的下轧量＜5％，总累积下轧量为10％；
步骤2：对步骤1所制备的钢板进行室温多道次轧制加工，得到冷变形的高强度奥氏体/马氏体双相纳米片层钢；
室温多道次轧制处理后得到厚度1mm的钢板，每道次冷轧的下轧量＜5％，总累积下轧量为89％；
步骤3：对步骤2所制备的钢板进行退火处理，得到高强度奥氏体/马氏体双相纳米片层钢；
选用退火温度为650℃，退火时间为5min，冷却方式为空冷。
步骤4：对步骤3所制备的超高强高韧钢在低温下进行静态单轴拉伸试验，拉伸温度为-196℃，拉伸速率为5×10-4s-1；
如图1所示，图1中的虚线为该超高强高韧钢轧制方向上的室温温度工程应力应变曲线，其力学特征为：屈服强度为1531MPa，抗拉强度为1585MPa，均匀伸长率为25.2％。
如图1所示，图1中的实线为该超高强高韧钢轧制方向上的液氮温度工程应力应变曲线，其力学特征为：屈服强度为1746MPa，抗拉强度为2424MPa，均匀伸长率为24.4％。
实施例2
本实施例与实施例1的步骤1和步骤2完全相同，本实施例的后续步骤为：
步骤3：将步骤2所得的钢板进行退火处理，得到高强度奥氏体/马氏体双相纳米片层钢；
选用退火温度为600℃，退火时间为5min，冷却方式为空冷。
步骤4：对步骤2所制备的超高强高韧钢在低温下进行静态单轴拉伸试验，拉伸温度为-196℃，拉伸速率为5×10-4s-1。
如图2所示，图2中的虚线为本实施例所制备的超高强高韧钢在轧制方向上的室温温度工程应力应变曲线，其力学特征为：屈服强度为1878MPa，抗拉强度为1878MPa，均匀伸长率为10％。
如图2所示，图2中的实线为本实施例所制备的超高强高韧钢在轧制方向上的液氮温度工程应力应变曲线，其力学特征为：屈服强度为1921MPa，抗拉强度为2510MPa，均匀伸长率为25％。
图3是本实施例完成退火处理之后所得板材侧面的TEM明场像和衍射图片，通过图3能观察到明显的奥氏体和马氏体组织，且都呈片层结构，片层厚度多数为20-200nm。
图4是本实施例完成拉伸之后断口截面扫描电镜(SEM)图片，可以看到断口存在大量韧窝和层间断裂，表明内部为片状结构。
通过观察图3和图4的微观组织结构发现，本发明通过冷变形后退火处理，材料内部马氏体与奥氏体并存且塞积大量位错，同时整体呈现明显的纳米片层组织结构。纳米片层以及高密度的位错保证了高强度，残余奥氏体通过拉伸时的相变效应保证材料具有一定的塑性。
本发明所述的低温2500MPa级超高强高韧钢的超高强度和极优均匀延伸率的原因在于：(1)与初始原材料钢相比，液氮轧制后的钢板形成片层马氏体组织结构；(2)进一步室温轧制处理保证了马氏体片层结构纳米化，同时引入大量位错，有效的提高其强度，实现超高强度；(3)退火处理使得部分马氏体纳米片层逆相变为奥氏体纳米片层结构，有效的保证后期马氏体相变，提高其塑性；(4)低温下拉伸进一步促进马氏体相变，在获得超高强度时仍保证一定塑性。
其力学特征在于：液氮温度下其拉伸屈服强度范围为1700MPa～2500MPa，极限拉伸强度范围为2000MPa～3000MPa，拉伸均匀伸长率范围为20％～30％。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种低温2500MPa级超高强高韧钢，其特征在于，以重量百分比计,所述超高强高韧钢化学成分包括：
C为0.3％～0.6％，Ni为6.0％～10.0％，Cr为6.0％～10.0％，Mo为3.0％～6.0％，Mn为1.0％～3.0％，Cu为0.5％～3.5％，V为0.05％～0.15％，Nb为0.05％～0.15％，其余为Fe。
2.根据权利要求1所述的低温2500MPa级超高强高韧钢，其特征在于：所述的超高强高韧钢化学成分包括：
C为0.4％～0.6％，Ni为6.0％～7.0％，Cr为6.0％～10.0％，Mo为3.0％～6.0％，Mn为2.1％～3.0％，Cu为0.5％～3.5％，V为0.05％～0.15％，Nb为0.05％～0.15％，其余为Fe。
3.根据权利要求1或2所述的低温2500MPa级超高强高韧钢，其特征在于：所述的超高强高韧钢中的纳米片层厚度为10nm～300nm；所述钢板组织结构为奥氏体和马氏体组织，所述奥氏体含量为10％～60％，所述马氏体含量为40％～90％。
4.根据权利要求3所述的低温2500MPa级超高强高韧钢，其特征在于：所述的超高强高韧钢中的纳米片层厚度为10nm～100nm；所述钢板组织结构为奥氏体和马氏体组织，所述奥氏体含量为40％～60％，所述马氏体含量为40％～60％。
5.一种根据权利要求1～4中任一项所述的低温2500MPa级超高强高韧钢的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、对钢板进行预处理，所述预处理步骤包括固溶处理得到固溶态钢板；
S2、对步骤S1预处理的固溶态钢板进行液氮多道次轧制处理；
S3、将液氮多道次轧制处理后的钢板进行室温多道次轧制处理；
S4、对室温多道次轧制处理后的钢板进行退火处理。
6.根据权利要求5所述的低温2500MPa级超高强高韧钢的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中的固溶处理，固溶温度范围为900℃～1200℃，固溶时间范围为1h～6h，冷却方式为水冷。
7.根据权利要求5所述的低温2500MPa级超高强高韧钢的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中，轧制温度为-196℃，单一道次的应变量＜0.1；所述步骤中的多道次轧制量为5％～20％，每道次下轧量＜5％。
8.根据权利要求5所述的低温2500MPa级超高强高韧钢的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中的轧制温度为室温，单一道次的应变量＜0.1；所述步骤中的多道次轧制量为80％～90％，每道次下轧量＜5％。
9.根据权利要求5所述的低温2500MPa级超高强高韧钢的制备方法，其特征在于：所述步骤S4中的退火处理温度范围为550℃-700℃，退火时间范围为1min-20min，冷却方式为空冷。
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