CN115074637B - 一种超高强高韧超细组织低碳低合金钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超高强高韧超细组织低碳低合金钢及其制备方法，该合金钢中各组分的质量百分比为：0.08～0.20％的C，0.50～1.20％的Mn，0.30～0.80％的Cr，Si≤0.50％，S≤0.01％，P≤0.015％，其余成分为Fe和不可避免的杂质，(Cr+Mn)/C的质量百分比不小于5.0。通过合金熔炼及开坯、热轧、大变形轧制、短时热处理、快冷淬火等步骤制备。与现有技术相比，本发明所制备的超细组织低碳低合金钢的屈服强度不小于1380MPa，抗拉强度不小于1500MPa，延伸率不低于8.0％。兼具超高强度和高韧性，呈现良好的综合力学性能。本发明超高强高韧性合金钢具有高性价比，采用常规的工业化生产设备简单调就能够实现规模化生产，可广泛应用于汽车工业、矿山机械、轨道交通、重载设备、航天军工等的耐磨和承力部件。

Description

一种超高强高韧超细组织低碳低合金钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料及加工技术领域，尤其涉及一种超高强高韧超细组织低碳低合金钢及其制备方法。
背景技术
低碳低合金钢一般是指合金元素总含量在5％以下，碳含量在0.20％以下的钢材。由于其合金成分少、制造成本低、制备工艺简单的特点，在工程制造和建筑领域中作为结构材料被广泛运用。通常低碳低合金钢微观组织由铁素体-珠光体双相组成，较低的合金含量使其难以淬火形成马氏体，而铁素体-珠光体双相组织虽然赋予了低碳低合金钢优良的塑韧性和加工成形性能，但较低的屈服强度和抗拉强度成为其短板，限制了低碳低合金钢的发展。以低合金高强度结构钢Q345为例，其屈服强度在345MPa左右，抗拉强度低于600MPa，断裂延伸率22％。
通常认为低合金钢随着碳含量的增加，钢的强度提升，但材料的延展性和韧性降低，冷加工和焊接性能恶化。碳含量过低材料淬透性不佳，难以生成高强度的马氏体组织。因此需要添加适量合金元素，提高材料的淬透性。锰是促奥氏体化元素，可扩大奥氏体相区，使过冷奥氏体转变曲线的位置右移，细化原奥氏体组织，同时作为置换固溶元素，锰扩散速率较慢，可抑制退火过程中马氏体板条的过分粗大；铬是强碳化物形成元素，铬的加入能够推迟珠光体的形核和长大，提高钢的淬透性。Mn和Cr这两种合金元素协同作用起到细化组织、提高性能的作用。金属材料的强度和韧性往往存在着难以调和的矛盾，材料强度的提升往往伴随着韧性的下降，而提高材料的塑性往往以牺牲材料的强度为代价。金属材料中主要的四种强化机制固溶强化、形变(位错)强化、沉淀(第二相)强化、细晶强化，其中仅有细晶强化能实现强度与塑性韧性的协同强化，是提升材料综合力学性能的最有效方法。大变形轧制是细化晶粒最简单有效的方法，其通过多道次大变形积累变形量，操作简单，对加工工件的尺寸要求低，因而被广泛应用在材料研究和生产领域，是一种高效便捷的晶粒细化方法。专利文献CN111996437A介绍了一种大厚度高韧性超高强钢板的生产方法，该钢板的碳含量在0.15％-0.20％，是一种低碳低合金钢，该专利通过轧制结合淬火回火的方法生产出屈服强度大于1100MPa的钢板。专利文献CN109112422A介绍了一种超低碳高疲劳高强钢的制造方法，该专利通过高温轧制和中温轧制结合的方式制备出了平均晶粒尺寸5-10μm的等轴全铁素体组织，生产出屈服强度大于700MPa，抗拉强度大于780MPa，延伸率和低温冲击韧性良好的高疲劳高强钢。
热处理是一种传统的材料加工工艺，能够有效地调控材料的微观组织演变，从而调整材料的强度、塑性、韧性等性质。钢的热处理工艺主要包括正火、退火、淬火、回火，采用不同的热处理工艺能够对钢的综合力学性能进行调控和优化。快速加热、短时保温、快冷淬火的短时热处理能够有效细化淬火形成的马氏体组织，其原理在于经过大变形轧制的试样保留了轧制过程中的大密度缺陷，在快速加热的过程中这些缺陷为奥氏体形核提供了大量位点，而短时保温使晶核长大受到抑制，在促进晶粒形核和抑制晶粒长大的双重作用下细化了原奥氏体晶粒，再通过快冷淬火形成细晶的马氏体组织。专利文献CN110306127B介绍了一种低碳低合金钢的热处理方法，通过采用大变形中温轧制结合循环热处理的方式细化了组织，得到晶粒尺寸在5μm左右的细晶马氏体，制得了一种超高强度高韧性合金钢。循环热处理虽能有效细化晶粒，但依然存在缺陷。随着循环次数的增加，晶粒细化的效果减弱，且多次循环的工艺操作较为复杂不适于工业化生产。
低碳低合金钢往往存在CCT曲线中奥氏体相区靠左，淬透性差的问题。经常会出现使用常见的淬火方法如油冷、盐冷、水冷等方式冷却速度达不到马氏体形成临界冷却速度，淬火无法得到马氏体组织的现象。比如被广泛应用的普通碳素结构钢Q235在常规水冷淬火的冷速下组织为魏氏铁素体，力学性能未有明显的提升。而淬火冷速过大时，易产生组织应力和内应力导致材料的变形和开裂。因此选用合适的淬火介质和冷却速度对低碳低合金钢的性能提升极其重要。理想的淬火介质通常需要具备在高温区(800～400℃)快冷、低温区(400-150℃)缓冷的冷却特性。纯水作为淬火介质，其冷却能力较强但冷却特性并不理想。在高温区，纯水会产生蒸汽膜，冷速较小大约只有200℃/s；在低温区，纯水处于沸腾阶段，冷速最快可达800℃/s，组织转变应力大，容易发生变形和开裂，综上所述纯水不利于低淬透性材料的淬火处理。为了解决这一问题，人们往往向水中加入无机盐制成水基无机淬火介质，无机盐的加入会使在形成蒸汽膜的同时析出无机盐晶体，使得蒸汽膜提前破裂进入沸腾阶段，提高高温区的冷速，使得低淬透性材料更容易淬火形成全马氏体组织。专利CN110331260A对合金元素总含量低于2％的铬锰镍系列低淬透性渗碳钢的淬火实验发现使用油和盐两种介质淬火的材料芯部性能差，未能完全淬透；采用更高冷却速度的水基介质淬火能有效保证材料芯部的性能，并提出了一种重载齿轮渗碳淬火方法。专利CN110079648A发明了一种新型水基无机淬火介质，包含氯化钙28～35wt％、氯化锌18～22wt％、氯化镁:5～8wt％，其淬火冷却特性更贴近理想淬火介质，但存在无机盐添加过多、原料不便于获得的问题。
低碳低合金钢成本低、制备工艺简单是其最大的优点，因此被大量生产制造和广泛应用。但是低碳低合金钢力学性能较差，限制了其在高端制造领域的发展。本发明旨在通过适当调节合金成分，在不显著增加成本的情况下，调整C、Mn、Cr的关系配合开发一种具备相对较好淬透性和提升强韧性潜力的低合金钢，并利用大变形轧制和短时热处理结合充分细化组织，快冷淬火等工艺开发制备一种兼具超高强和良好塑性的超高强高韧超细组织低碳低合金钢。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种超高强高韧超细组织低碳低合金钢及其制备方法，通过合金成分调节，特别是Mn、Cr、C元素之间的协调与配合在不显著提高合金含量和增加成本的前提下提高低碳低合金钢的淬透性与综合力学性能，通过调控轧制工艺参数得到具有不同碳浓度的铁素体-马氏体双相原始组织为后续短时热处理中的相变和碳配分建立基础，通过大变形轧制工艺细化原始组织引入高密度缺陷，同时结合短时热处理和快冷淬火的方法，细化板条马氏体或铁素体-马氏体双相组织，提供一种超高强高韧超细组织低碳低合金钢及其制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：本发明提供了一种超高强高韧超细组织低碳低合金钢，所述合金钢中各组分的质量百分比为：0.08～0.20％的C，0.50～1.20％的Mn，0.30～0.80％的Cr，Si≤0.50％，S≤0.01％，P≤0.015％，其余成分为Fe和不可避免的杂质，(Cr+Mn)/C的质量百分比不小于5.0。
进一步地，一种超高强高韧超细组织低碳低合金钢中各组分优选的质量百分比为：0.10～0.20％的C，0.80～1.20％的Mn，0.50～0.80％的Cr，Si≤0.50％，S≤0.01％，P≤0.015％，其余成分为Fe和不可避免的杂质，(Cr+Mn)/C的质量百分比不小于5.0，Mn/Cr的质量百分比不小于1.5。其中Cr和Mn的配合能够提高材料的淬透性，保证在超细晶晶粒尺度下采用合适的淬火介质能够将材料淬成马氏体组织。
本发明所述的超高强高韧超细组织低碳低合金钢，其组织由微量超细晶铁素体和大量板条马氏体组成，其中超细晶铁素体的晶粒尺寸不大于1.0μm，板条马氏体的体积分数不小于90％，且原始奥氏体晶粒平均尺寸不大于5.0μm。
进一步地，所述合金钢还可以为单相马氏体组织，且单相马氏体组织由不同碳浓度的板条马氏体构成。
本发明还提供了一种超高强高韧超细组织低碳低合金钢的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、熔炼及开坯：根据所述合金钢中各组分的质量百分含量配料，采用真空感应熔炼，浇铸成铸锭。开坯的加热温度为1200～1250℃，保温2.0h～4.0h，然后热轧或者热锻，终轧或者终锻温度不低于1150℃；
步骤二、热轧：将步骤一的坯料重新加热至1100～1200℃，保温1.0h～2.0h后出炉连续热轧，热轧开轧温度在1050～1180℃，终轧温度不低于850℃，优选终轧温度在850～880℃，终轧厚度不低于20.0mm，轧制后水冷至室温，水冷淬火后组织为铁素体-马氏体双相，铁素体含量不大于50％；
步骤三、大变形轧制：将所述热轧后的材料进行大变形轧制，轧制累积变形量不小于85％，板厚不大于10.0mm；所述的大变形轧制方式为大变形温轧、大变形冷轧或者大变形温轧+大变形冷轧中的任意一种，通过大变形轧制细化双相组织；
步骤四、短时热处理：将大变形轧制后的钢板进行短时热处理，采用感应加热的方式进行快速加热，加热升温速率不小于80℃/s，加热温度880～930℃，优选880～920℃，保温时间不大于10.0min，具体地保温时间t满足：t＝t0+(0.5～1.0)*D，其中D为材料的板厚，取值范围为0.5～10mm，优选1～10mm，t为保温时间，单位为分钟(min)，t0的取值范围为0～0.5min。步骤五、快冷淬火：将经过短时热处理后的材料进行淬火处理，冷却速率≥80℃/s，淬火介质采用冰盐水混合溶液或低于零度的淬火介质，其中低于零度的淬火介质为低于零度的无机盐溶液。
进一步地，步骤三所述的大变形轧制方式为大变形温轧，轧制温度在400～750℃，单道次变形量不低于30％，总变形量不低于90％；
步骤五所述的快速淬火介质采用的干冰和盐类混合溶液。
更进一步地，步骤三所述的大变形轧制方式为大变形温轧+大变形冷轧，总压下量不低于90％，其中大变形温轧的轧制温度在600～750℃，大变形温轧总变形量不低于60％，终轧板材厚度不高于4.0mm；
步骤四所述的短时热处理过程中，加热升温速率≥80℃/s，保温温度在900～920℃之间，保温时间不大于3.0min。
步骤五所述的快速淬火介质采用的干冰和盐类或者液氮和盐类的混合溶液之一。
所制备的材料是具有超细组织结构且具有不同碳和锰元素浓度分布的板条马氏体组织，马氏体晶粒以及原始奥氏体晶粒平均尺寸不大于3.0μm。
进一步地，步骤三所述的大变形轧制方式为大变形冷轧，终轧板材厚度不高于2.0mm；
步骤四所述的短时热处理过程中，加热升温速率≥80℃/s，保温温度在880～900℃之间，保温时间不大于1.0min。
所制备的材料是具有微量铁素体和大量板条马氏体的组织，其中超细晶铁素体的晶粒尺寸不大于1.0μm，马氏体晶粒以及原始奥氏体晶粒平均尺寸不大于3.0μm，板条马氏体的体积分数不小于90％。
步骤五所述的快冷淬火介质采用冰盐水混合溶液，其中NaCl浓度为5.0％～15.0％。
进一步地，步骤五所述的快冷淬火后将材料进行低温回火处理，加热至150～250℃保温0.5～3.0h后空冷至室温。
进一步地，此种超高强高韧超细组织低碳低合金钢，板条马氏体的原始奥氏体晶粒平均尺寸不大于3.0μm，屈服强度不小于1380MPa，抗拉强度不小于1500MPa，延伸率不低于8.0％。
本发明的合金成分控制在低碳低合金领域，碳含量控制在0.08～0.2wt.％范围内。碳含量过低，无法实现超高强度的目的，过高则显著降低合金钢的塑韧性，尤其是淬火过程无法获得良好韧性的超细或者纳米尺度板条马氏体，并且出现一定量的孪晶马氏体显著降低材料的韧性。本发明中发现，通过调控Mn、Cr、C三种元素的相对含量达到Mn/Cr的质量百分比不小于1.5，(Cr+Mn)/C的质量百分比不小于5.0时，元素间能够相互协调配合使得本发明的合金体系，相对于普通的低碳低合金的淬透性得到显著提升。同时该合金成分体系与制备工艺相互匹配。一方面，该低碳低合金钢具有较好的可轧性，不论热轧、温轧和冷轧，相对于中高碳、中高合金钢其变形抗力较低，具有良好的变形能力，可轧性优异，适合大变形轧制的工艺需求，能够实现初始组织的显著细化。另外一方面，该合金体系的设计，与短时热处理+快冷淬火工艺具有良好适配，在淬火后形成超细的马氏体板条组织或铁素体-马氏体双相组织，此外通过该工艺过程，能够实现具有不同碳浓度的铁素体-马氏体双相原始组织，通过大变形轧制和短时热处理实现晶粒的细化，同时能够进一步实现快速加热短时处理过程中的碳在奥氏体中具有一定的碳浓度和锰合金元素的配分，最终通过快冷淬火成功实现以板条马氏体基体主为的组织。
本发明利用对热轧以及大变形轧制过程中工艺参数的调控，调节原始组织中铁素体、马氏体双相的相对含量、形态，调控碳原子在两相之间的分配，在经过短时热处理及快冷淬火后得到具有一定碳浓度梯度的低碳马氏体和高碳马氏体，或夹杂有微量超细晶铁素体的铁素体-马氏体双相组织，通过软相与硬相间的应力应变分配，调控材料的变形行为，提升材料的综合力学性能。
利用大变形轧制中的机械外应力使得原始组织中的等轴状大晶粒破碎细化，形成扁平的轧制条带状组织，同时引入大量位错结构和大角度晶界等高密度缺陷，为后续短时热处理中奥氏体晶粒提供了大量形核位点，大大提高了形核率，为短时热处理进一步细化晶粒提供了前置条件。在完成大变形轧制后，通过调控短时热处理中加热速率、保温温度、保温时间等参数，促进晶粒形核、抑制晶粒长大，将轧制条带状组织的铁素体、马氏体双相组织转变为具有一定碳浓度梯度的细小奥氏体晶粒。再通过采用合适的淬火介质，调控冷却速度，将淬透性较差的低碳低合金钢转变为超细晶的，具有一定浓度梯度的板条状马氏体组织。最后通过低温回火进一步消除内应力，得到具有优良综合力学性能的超高强高韧超细组织低碳低合金钢。
与现有技术相比，本发明。
(1)相对于现有工艺技术所制备的低碳低合金钢，本发明所制备的超细组织低碳低合金钢的屈服强度不小于1380MPa，抗拉强度不小于1500MPa，延伸率不低于8.0％，兼具超高强度和良好的韧塑性，呈现良好的综合力学性能。在低碳低合金普碳钢的成分下，其强度可以达到优质合金钢的级别，最大抗拉强度达到1500MPa以上，并保持良好的塑韧性，具有优异的综合力学性能。该材料可以取代一些高成本中高合金钢广泛应用于耐磨材料和重载机械装备的承力构件用材。
(2)相对于现有技术，本发明中应用的超细化技术原理，采用大变形轧制和快速加热短时热处理相变调控相组织相结合，就能够实现组织的超细化，同时创新性的利用材料大变形过程中的引入缺陷和随后的快速热处理相结合，通过缺陷+相变的方式获得组织细化，这种方法采用常规的轧制和热处理的技术手段就实现了组织的显著细化，相对传统的强烈塑性变形的SPD方式，突破了模具和产品尺寸的限制，技术原理具有显著的进步。此外，本发明的技术原理和采用的制备技术方法具有广泛的适用和拓展推广性，尤其是制备方法，具有广泛推广性，应用于显著提升诸如常规低合金普碳钢的力学性能。
(3)本发明的合金钢及制备工艺方法所获得的产品具有高的性价比。首先，合金成分廉价的低碳低合金钢，合金成本低。其次，采用的制备技术工艺简单，易于操作。大变形热轧、温轧、冷轧工艺和随后短时热处理等都可以采用常规的工业化生产设备简单调整就能够实现规模生产。最后，本发明中变形为大变形冷轧或者相对的低温的温变形轧制，热处理采用短时保温的快速热处理，相对传统的热轧和长时间的热处理过程，有且是超高强度中高合金钢的制备过程，本发明制备过程显著节约能源。
(4)节能环保、节约资源。本发明的材料为普通碳素钢基础上成分微调，通过控制Mn、Cr、C三种元素的配比度并与工艺相结合，实现组织的超细化和碳浓度梯度分布，组织以板条马氏体为主，且马氏体原始奥氏体晶粒尺寸不大于5.0μm。由于合金成分设计简单，结合本发明工艺调整可以实现生产不同强度级别的产品，节约了资源并且后期材料回收利用率高。以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是轧制和热处理工艺路线图。
图2是实施例4经大变形轧制和短时热处理后合金钢组织金相显微镜图。
具体实施方式
下面结合图表和具体实施例对本发明做进一步的说明。需要指出的是，本发明设计出的合金钢，其成分可在一定范围内浮动，在可选范围内每种成分的作用机理基本相同，除碳外每种成分的浮动对合金钢的组织结构及力学性能没有显著的影响。对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和调整，这些都属于本发明的保护范围。
按照表1所示的实施例化学成分备料，制备超高强高韧超细组织低碳低合金钢的工艺，如图1所示，包括熔炼及开坯、热轧、大变形轧制、短时热处理、快冷淬火，具体步骤如下：
(1)熔炼及开坯：根据合金钢成分配比称取纯度大于99％的Mn、Cr等合金元素和碳钢，将原料放入真空电弧炉中，抽真空至1×10-3MPa以下，每个铸锭块反复熔炼5至7遍，结合腔内的电磁搅拌，保证铸锭块内各组分均匀分布，熔炼完成后浇筑成长方体铸锭。开坯的加热温度为1200～1250℃，保温2.0h～4.0h，然后热轧或者热锻，终轧或者终锻温度不低于1150℃。各实施例的具体化学成分见表1。
(2)热轧：将开坯后的铸锭在高温箱式电阻炉中重新加热至1100～1200℃，保温1.0h～2.0h，消除铸造过程中产生的成分偏析，使铸态的柱状晶组织转化为等轴晶组织。将铸锭从炉中取出后立即开始轧制，开轧温度在1050～1180℃之间，终轧温度在850～880℃之间，经过多道次轧制，细化奥氏体晶粒。随后水冷至室温，轧制后组织为铁素体-马氏体双相，铁素体含量不大于50％。
(3)大变形轧制：将热轧后的铸锭采用大变形温轧、大变形冷轧或者大变形温轧+大变形冷轧中的任意一种方式进行大变形轧制，轧制累积变形量不小于85％，板厚不大于10.0mm，随后水冷，进一步细化铁素体-马氏体双相组织。各实施例的大变形轧制工艺参数见表2。
(4)短时热处理及快冷淬火：将大变形轧制后的合金钢快速加热至880～930℃之间，升温速率不小于80℃/s，保温时间t不大于10.0min，且满足：t＝t0+(0.5～1.0)*D,其中D为材料的板厚，取值范围为0.5～10mm，t为保温时间，单位为分钟(min)，t0的取值范围为0～0.5mm。随后快速淬火冷却，淬火介质采用冰盐水混合溶液或低于零度的淬火介质，冷却速率≥80℃/s。各实施例的短时热处理及快冷淬火工艺参数见表3。
(5)低温回火：将短时热处理后的合金钢进行低温回火处理，加热至150～250℃保温0.5～3.0h后空冷至室温。回火的目的是降低淬火残留应力，提高材料的拉伸性能。
(6)力学性能测量与组织表征：对超高强高韧超细组织低碳低合金钢进行显微维氏硬度测量、室温拉伸实验测量其力学性能。OM光镜观察显微组织，对典型的实施例进行SEM观察，表征微观组织。各实施例的力学性能见表4。
为体现本发明中超高强高韧超细组织低碳低合金钢成分设计和制备工艺的优越性，采用对比例对发明内容进行补充说明。
其中对比例1为市售低合金高强度结构钢Q345，其采用的轧制工艺为热轧；
对比例2合金钢成分符合本发明中关于各合金元素绝对含量的要求，但是Mn/Cr比例小于1.5，具体见表1，进行热轧态(无大变形轧制及短时热处理)即采用实施例5所述轧制工艺中步骤1-2，无步骤3-5；
对比例3合金钢成分符合本发明中关于各合金元素绝对含量的要求，但是Mn/Cr比例小于1.5，具体见表1，进行大变形轧制态(有大变形轧制，无短时热处理)，即采用实施例9所述轧制工艺中步骤1-3，无步骤4-5；
对比例4合金钢成分符合本发明中关于各合金元素绝对含量的要求，但是Mn/Cr比例小于1.5，具体见表1，只进行热轧及短时热处理的状态(无大变形轧制，有短时热处理)，即采用实施例5所述轧制工艺中步骤1-2，无步骤3，有步骤4-5；
对比例5合金钢成分符合本发明中关于各合金元素绝对含量的要求，但是Mn/Cr比例小于1.5，具体见表1，进行本发明所述制备方法但淬火介质为纯水。下面结合附图1的工艺总体工艺图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
本实施例提供的超高强高韧超细组织低碳低合金钢，合金钢中各组分的质量百分比为：0.13％的C，1.15％的Mn，0.70％的Cr，Si≤0.50％，S≤0.01％，P≤0.015％，其余成分为Fe和不可避免的杂质，且Mn/Cr的质量百分比为1.64，(Cr+Mn)/C的质量百分比为14.2。
按照此成分制备超高强高韧超细组织低碳低合金钢。其制备工艺包括熔炼及开坯、热轧、大变形轧制、短时热处理、快冷淬火，具体步骤如下：
(1)熔炼及开坯：根据合金钢成分配比称取纯度大于99％的Mn、Cr等合金元素和碳钢，将原料放入真空电弧炉中，抽真空至1×10-3MPa以下，每个铸锭块反复熔炼5至7遍，结合腔内的电磁搅拌，保证铸锭块内各组分均匀分布，熔炼完成后浇筑成长方体铸锭。开坯的加热温度为1200℃，保温2.0h，然后热轧或者热锻，终轧或者终锻温度不低于1150℃。
(2)热轧：将开坯后的铸锭在高温箱式电阻炉中重新加热至1200℃，保温1.0h，消除铸造过程中产生的成分偏析，使铸态的柱状晶组织转化为等轴晶组织。将铸锭从炉中取出后立即开始轧制，开轧温度在1180℃左右，终轧温度在880℃左右，经过多道次轧制，细化铁素体与奥氏体晶粒。随后水冷，轧制后组织为铁素体-马氏体双相。
(3)大变形轧制：将热轧后的铸锭采用大变形冷轧的方式进行大变形轧制，原始板厚为20mm，终轧板厚为1.0mm，轧制累积变形量为95％，随后水冷，进一步细化铁素体-马氏体双相组织。
(4)短时热处理及快冷淬火：将大变形轧制后的合金钢快速加热至880℃，升温速率≥80℃/s，保温时间t为0.5min。随后快速淬火冷却，淬火介质采用冰盐水混合溶液，为5wt％NaCl水溶液，冷却速率≥80℃/s。
(5)低温回火：将短时热处理后的合金钢进行低温回火处理，加热至250℃保温1.0h后空冷至室温。回火的目的是降低淬火残留应力，提高材料的拉伸性能。
(6)力学性能测量与组织表征：对高强度超细组织低碳低合金钢进行显微维氏硬度测量、室温拉伸实验测量其力学性能。OM光镜观察显微组织，对典型的实施例进行SEM观察，表征微观组织。
实施例2
本实施例提供的超高强高韧超细组织低碳低合金钢，合金钢中各组分的质量百分比为：0.20％的C，1.20％的Mn，0.80％的Cr，Si≤0.50％，S≤0.01％，P≤0.015％，其余成分为Fe和不可避免的杂质，且Mn/Cr的质量百分比为1.50，(Cr+Mn)/C的质量百分比为10.0。
按照此成分制备超高强高韧超细组织低碳低合金钢。其制备工艺包括熔炼及开坯、热轧、大变形轧制、短时热处理、快冷淬火，具体步骤如下：
(1)熔炼及开坯：根据合金钢成分配比称取纯度大于99％的Mn、Cr等合金元素和碳钢，将原料放入真空电弧炉中，抽真空至1×10-3MPa以下，每个铸锭块反复熔炼5至7遍，结合腔内的电磁搅拌，保证铸锭块内各组分均匀分布，熔炼完成后浇筑成长方体铸锭。开坯的加热温度为1200℃，保温3.0h，然后热轧或者热锻，终轧或者终锻温度不低于1150℃。
(2)热轧：将开坯后的铸锭在高温箱式电阻炉中重新加热至1200℃，保温1.0h，消除铸造过程中产生的成分偏析，使铸态的柱状晶组织转化为等轴晶组织。将铸锭从炉中取出后立即开始轧制，开轧温度在1180℃左右，终轧温度在880℃左右，经过多道次轧制，细化铁素体与奥氏体晶粒。随后水冷，轧制后组织为铁素体-马氏体双相。
(3)大变形轧制：将热轧后的铸锭采用大变形冷轧的方式进行大变形轧制，原始板厚为20mm，终轧板厚为1.0mm，轧制累积变形量为95％，随后水冷，进一步细化铁素体-马氏体双相组织。
(4)短时热处理及快冷淬火：将大变形轧制后的合金钢快速加热至900℃，升温速率≥80℃/s，保温时间t为0.5min。随后快速淬火冷却，淬火介质采用冰盐水混合溶液，为15wt％NaCl水溶液，冷却速率≥80℃/s。
(5)低温回火：将短时热处理后的合金钢进行低温回火处理，加热至200℃保温2.0h后空冷至室温。回火的目的是降低淬火残留应力，提高材料的拉伸性能。
(6)力学性能测量与组织表征：对高强度超细组织低碳低合金钢进行显微维氏硬度测量、室温拉伸实验测量其力学性能。OM光镜观察显微组织，对典型的实施例进行SEM观察，表征微观组织。
实施例3
本实施例提供的超高强高韧超细组织低碳低合金钢，合金钢中各组分的质量百分比为：0.15％的C，0.80％的Mn，0.50％的Cr，Si≤0.50％，S≤0.01％，P≤0.015％，其余成分为Fe和不可避免的杂质，且Mn/Cr的质量百分比为1.60，(Cr+Mn)/C的质量百分比为8.67。
按照此成分制备超高强高韧超细组织低碳低合金钢。其制备工艺包括熔炼及开坯、热轧、大变形轧制、短时热处理、快冷淬火，具体步骤如下：
(1)熔炼及开坯：根据合金钢成分配比称取纯度大于99％的Mn、Cr等合金元素和碳钢，将原料放入真空电弧炉中，抽真空至1×10-3MPa以下，每个铸锭块反复熔炼5至7遍，结合腔内的电磁搅拌，保证铸锭块内各组分均匀分布，熔炼完成后浇筑成长方体铸锭。开坯的加热温度为1200℃，保温3.0h，然后热轧或者热锻，终轧或者终锻温度不低于1150℃。
(2)热轧：将开坯后的铸锭在高温箱式电阻炉中重新加热至1200℃，保温1.0h，消除铸造过程中产生的成分偏析，使铸态的柱状晶组织转化为等轴晶组织。将铸锭从炉中取出后立即开始轧制，开轧温度在1180℃左右，终轧温度在880℃左右，经过多道次轧制，细化铁素体与奥氏体晶粒。随后水冷，轧制后组织为铁素体-马氏体双相。
(3)大变形轧制：将热轧后的铸锭采用大变形冷轧的方式进行大变形轧制，原始板厚为20mm，终轧板厚为2.0mm，轧制累积变形量为90％，随后水冷，进一步细化铁素体-马氏体双相组织。
(4)短时热处理及快冷淬火：将大变形轧制后的合金钢快速加热至920℃，升温速率≥80℃/s，保温时间t为1.0min。随后快速淬火冷却，淬火介质采用冰盐水混合溶液，为15wt％NaCl水溶液，冷却速率≥80℃/s。
(5)低温回火：将短时热处理后的合金钢进行低温回火处理，加热至200℃保温2.0h后空冷至室温。回火的目的是降低淬火残留应力，提高材料的拉伸性能。
(6)力学性能测量与组织表征：对高强度超细组织低碳低合金钢进行显微维氏硬度测量、室温拉伸实验测量其力学性能。OM光镜观察显微组织，对典型的实施例进行SEM观察，表征微观组织。
实施例4
本实施例提供的超高强高韧超细组织低碳低合金钢，合金钢中各组分的质量百分比为：0.08％的C，0.50％的Mn，0.30％的Cr，Si≤0.50％，S≤0.01％，P≤0.015％，其余成分为Fe和不可避免的杂质，且Mn/Cr的质量百分比为1.67，(Cr+Mn)/C的质量百分比为10.0。
按照此成分制备超高强高韧超细组织低碳低合金钢。其制备工艺包括熔炼及开坯、热轧、大变形轧制、短时热处理、快冷淬火，具体步骤如下：
(1)熔炼及开坯：根据合金钢成分配比称取纯度大于99％的Mn、Cr等合金元素和碳钢，将原料放入真空电弧炉中，抽真空至1×10-3MPa以下，每个铸锭块反复熔炼5至7遍，结合腔内的电磁搅拌，保证铸锭块内各组分均匀分布，熔炼完成后浇筑成长方体铸锭。开坯的加热温度为1250℃，保温4.0h，然后热轧或者热锻，终轧或者终锻温度不低于1150℃。
(2)热轧：将开坯后的铸锭在高温箱式电阻炉中重新加热至1100℃，保温2.0h，消除铸造过程中产生的成分偏析，使铸态的柱状晶组织转化为等轴晶组织。将铸锭从炉中取出后立即开始轧制，开轧温度在1050℃左右，终轧温度在850℃左右，经过多道次轧制，细化铁素体和奥氏体晶粒。随后水冷，轧制后组织为铁素体-马氏体双相。
(3)大变形轧制：将热轧后的铸锭采用大变形冷轧的方式进行大变形轧制，原始板厚为80mm，终轧板厚为10.0mm，轧制累积变形量为87.5％，随后水冷，进一步细化铁素体-马氏体双相组织。
(4)短时热处理及快冷淬火：将大变形轧制后的合金钢快速加热至930℃，升温速率≥80℃/s，保温时间t为10.0min。随后快速淬火冷却，淬火介质采用酒精-干冰混合物，冷却速率≥80℃/s。
(5)低温回火：将短时热处理后的合金钢进行低温回火处理，加热至250℃保温1.0h后空冷至室温。回火的目的是降低淬火残留应力，提高材料的拉伸性能。
(6)力学性能测量与组织表征：对高强度超细组织低碳低合金钢进行显微维氏硬度测量、室温拉伸实验测量其力学性能。OM光镜观察显微组织如附图2，对典型的实施例进行SEM观察，表征微观组织。从图2中可以看出，经过短时热处理和快冷淬火后组织为超细的板条马氏体。
实施例5
本实施例提供的超高强高韧超细组织低碳低合金钢，合金钢中各组分的质量百分比为：0.17％的C，1.00％的Mn，0.65％的Cr，Si≤0.50％，S≤0.01％，P≤0.015％，其余成分为Fe和不可避免的杂质，且Mn/Cr的质量百分比为1.54，(Cr+Mn)/C的质量百分比为9.71。
按照此成分制备超高强高韧超细组织低碳低合金钢。其制备工艺包括熔炼及开坯、热轧、大变形轧制、短时热处理、快冷淬火，具体步骤如下：
(1)熔炼及开坯：根据合金钢成分配比称取纯度大于99％的Mn、Cr等合金元素和碳钢，将原料放入真空电弧炉中，抽真空至1×10-3MPa以下，每个铸锭块反复熔炼5至7遍，结合腔内的电磁搅拌，保证铸锭块内各组分均匀分布，熔炼完成后浇筑成长方体铸锭。开坯的加热温度为1250℃，保温3.0h，然后热轧或者热锻，终轧或者终锻温度不低于1150℃。
(2)热轧：将开坯后的铸锭在高温箱式电阻炉中重新加热至1200℃，保温1h，消除铸造过程中产生的成分偏析，使铸态的柱状晶组织转化为等轴晶组织。将铸锭从炉中取出后立即开始轧制，开轧温度在1180℃左右，终轧温度在880℃左右，经过多道次轧制，细化铁素体和奥氏体晶粒。随后水冷，轧制后组织为铁素体-马氏体双相。
(3)大变形轧制：将热轧后的铸锭采用大变形温轧的方式进行大变形轧制，轧制温度在400～750℃，原始板厚为20mm，终轧板厚为1.0mm，轧制累积变形量为95％，随后水冷，进一步细化铁素体-马氏体双相组织。
(4)短时热处理及快冷淬火：将大变形轧制后的合金钢快速加热至880℃，升温速率≥80℃/s，保温时间t为0.5min。随后快速淬火冷却，淬火介质采用酒精-干冰混合物，冷却速率≥80℃/s。
(5)低温回火：将短时热处理后的合金钢进行低温回火处理，加热至150℃保温3.0h后空冷至室温。回火的目的是降低淬火残留应力，提高材料的拉伸性能。
(6)力学性能测量与组织表征：对高强度超细组织低碳低合金钢进行显微维氏硬度测量、室温拉伸实验测量其力学性能。OM光镜观察显微组织，对典型的实施例进行SEM观察，表征微观组织。
实施例6
本实施例提供的超高强高韧超细组织低碳低合金钢，合金钢中各组分的质量百分比为：0.10％的C，0.92％的Mn，0.58％的Cr，Si≤0.50％，S≤0.01％，P≤0.015％，其余成分为Fe和不可避免的杂质，且Mn/Cr的质量百分比为1.59，(Cr+Mn)/C的质量百分比为15.0。
按照此成分制备超高强高韧超细组织低碳低合金钢。其制备工艺包括熔炼及开坯、热轧、大变形轧制、短时热处理、快冷淬火，具体步骤如下：
(1)熔炼及开坯：根据合金钢成分配比称取纯度大于99％的Mn、Cr等合金元素和碳钢，将原料放入真空电弧炉中，抽真空至1×10-3MPa以下，每个铸锭块反复熔炼5至7遍，结合腔内的电磁搅拌，保证铸锭块内各组分均匀分布，熔炼完成后浇筑成长方体铸锭。开坯的加热温度为1220℃，保温3.0h，然后热轧或者热锻，终轧或者终锻温度不低于1150℃。
(2)热轧：将开坯后的铸锭在高温箱式电阻炉中重新加热至1150℃，保温1.5h，消除铸造过程中产生的成分偏析，使铸态的柱状晶组织转化为等轴晶组织。将铸锭从炉中取出后立即开始轧制，开轧温度在1120℃左右，终轧温度在870℃左右，经过多道次轧制，细化铁素体和奥氏体晶粒。随后水冷，轧制后组织为铁素体-马氏体双相。
(3)大变形轧制：将热轧后的铸锭采用大变形温轧的方式进行大变形轧制，轧制温度在400～750℃，原始板厚为20mm，终轧板厚为2.0mm，轧制累积变形量为90％，随后水冷，进一步细化铁素体-马氏体双相组织。
(4)短时热处理及快冷淬火：将大变形轧制后的合金钢快速加热至900℃，升温速率≥80℃/s，保温时间t为1.0min。随后快速淬火冷却，淬火介质采用冰盐水混合溶液，为5wt％NaCl水溶液，冷却速率≥80℃/s。
(5)低温回火：将短时热处理后的合金钢进行低温回火处理，加热至150℃保温3.0h后空冷至室温。回火的目的是降低淬火残留应力，提高材料的拉伸性能。
(6)力学性能测量与组织表征：对高强度超细组织低碳低合金钢进行显微维氏硬度测量、室温拉伸实验测量其力学性能。OM光镜观察显微组织，对典型的实施例进行SEM观察，表征微观组织。
实施例7
本实施例提供的超高强高韧超细组织低碳低合金钢，合金钢中各组分的质量百分比为：0.16％的C，1.15％的Mn，0.56％的Cr，Si≤0.50％，S≤0.01％，P≤0.015％，其余成分为Fe和不可避免的杂质，且Mn/Cr的质量百分比为2.05，(Cr+Mn)/C的质量百分比为10.7。
按照此成分制备超高强高韧超细组织低碳低合金钢。其制备工艺包括熔炼及开坯、热轧、大变形轧制、短时热处理、快冷淬火，具体步骤如下：
(1)熔炼及开坯：根据合金钢成分配比称取纯度大于99％的Mn、Cr等合金元素和碳钢，将原料放入真空电弧炉中，抽真空至1×10-3MPa以下，每个铸锭块反复熔炼5至7遍，结合腔内的电磁搅拌，保证铸锭块内各组分均匀分布，熔炼完成后浇筑成长方体铸锭。开坯的加热温度为1200℃，保温3.0h，然后热轧或者热锻，终轧或者终锻温度不低于1150℃。
(2)热轧：将开坯后的铸锭在高温箱式电阻炉中重新加热至1200℃，保温1.0h，消除铸造过程中产生的成分偏析，使铸态的柱状晶组织转化为等轴晶组织。将铸锭从炉中取出后立即开始轧制，开轧温度在1180℃左右，终轧温度在880℃左右，经过多道次轧制，细化铁素体与奥氏体晶粒。随后水冷，轧制后组织为铁素体-马氏体双相。
(3)大变形轧制：将热轧后的铸锭采用大变形温轧的方式进行大变形轧制，轧制温度在400～750℃，原始板厚为20mm，终轧板厚为3.0mm，轧制累积变形量为85％，随后水冷，进一步细化铁素体-马氏体双相组织。
(4)短时热处理及快冷淬火：将大变形轧制后的合金钢快速加热至920℃，升温速率≥80℃/s，保温时间t为2.0min。随后快速淬火冷却，淬火介质采用冰盐水混合溶液，为10wt％NaCl水溶液，冷却速率≥80℃/s。
(5)低温回火：将短时热处理后的合金钢进行低温回火处理，加热至200℃保温2.0h后空冷至室温。回火的目的是降低淬火残留应力，提高材料的拉伸性能。
(6)力学性能测量与组织表征：对高强度超细组织低碳低合金钢进行显微维氏硬度测量、室温拉伸实验测量其力学性能。OM光镜观察显微组织，对典型的实施例进行SEM观察，表征微观组织。
实施例8
本实施例提供的超高强高韧超细组织低碳低合金钢，合金钢中各组分的质量百分比为：0.18％的C，0.83％的Mn，0.53％的Cr，Si≤0.50％，S≤0.01％，P≤0.015％，其余成分为Fe和不可避免的杂质，且Mn/Cr的质量百分比为1.57，(Cr+Mn)/C的质量百分比,7.55。
按照此成分制备超高强高韧超细组织低碳低合金钢。其制备工艺包括熔炼及开坯、热轧、大变形轧制、短时热处理、快冷淬火，具体步骤如下：
(1)熔炼及开坯：根据合金钢成分配比称取纯度大于99％的Mn、Cr等合金元素和碳钢，将原料放入真空电弧炉中，抽真空至1×10-3MPa以下，每个铸锭块反复熔炼5至7遍，结合腔内的电磁搅拌，保证铸锭块内各组分均匀分布，熔炼完成后浇筑成长方体铸锭。开坯的加热温度为1200℃，保温3.0h，然后热轧或者热锻，终轧或者终锻温度不低于1150℃。
(2)热轧：将开坯后的铸锭在高温箱式电阻炉中重新加热至1200℃，保温1.0h，消除铸造过程中产生的成分偏析，使铸态的柱状晶组织转化为等轴晶组织。将铸锭从炉中取出后立即开始轧制，开轧温度在1180℃左右，终轧温度在880℃左右，经过多道次轧制，细化铁素体与奥氏体晶粒。随后水冷，轧制后组织为铁素体-马氏体双相。
(3)大变形轧制：将热轧后的铸锭采用大变形温轧的方式进行大变形轧制，轧制温度在400～750℃，原始板厚为80mm，终轧板厚为8.0mm，轧制累积变形量为90％，随后水冷，进一步细化铁素体-马氏体双相组织。
(4)短时热处理及快冷淬火：将大变形轧制后的合金钢快速加热至920℃，升温速率≥80℃/s，保温时间t为8.0min。随后快速淬火冷却，淬火介质采用冰盐水混合溶液，为15wt％NaCl水溶液，冷却速率≥80℃/s。
(5)低温回火：将短时热处理后的合金钢进行低温回火处理，加热至200℃保温2.0h后空冷至室温。回火的目的是降低淬火残留应力，提高材料的拉伸性能。
(6)力学性能测量与组织表征：对高强度超细组织低碳低合金钢进行显微维氏硬度测量、室温拉伸实验测量其力学性能。OM光镜观察显微组织，对典型的实施例进行SEM观察，表征微观组织。
实施例9
本实施例提供的超高强高韧超细组织低碳低合金钢，合金钢中各组分的质量百分比为：0.18％的C，0.96％的Mn，0.63％的Cr，Si≤0.50％，S≤0.01％，P≤0.015％，其余成分为Fe和不可避免的杂质，且Mn/Cr的质量百分比为1.52，(Cr+Mn)/C的质量百分比为8.83。
按照此成分制备超高强高韧超细组织低碳低合金钢。其制备工艺包括熔炼及开坯、热轧、大变形轧制、短时热处理、快冷淬火，具体步骤如下：
(1)熔炼及开坯：根据合金钢成分配比称取纯度大于99％的Mn、Cr等合金元素和碳钢，将原料放入真空电弧炉中，抽真空至1×10-3MPa以下，每个铸锭块反复熔炼5至7遍，结合腔内的电磁搅拌，保证铸锭块内各组分均匀分布，熔炼完成后浇筑成长方体铸锭。开坯的加热温度为1200℃，保温2.0h，然后热轧或者热锻，终轧或者终锻温度不低于1150℃。
(2)热轧：将开坯后的铸锭在高温箱式电阻炉中重新加热至1120℃，保温2.0h，消除铸造过程中产生的成分偏析，使铸态的柱状晶组织转化为等轴晶组织。将铸锭从炉中取出后立即开始轧制，开轧温度在1080℃左右，终轧温度在860℃左右，经过多道次轧制，细化铁素体和奥氏体晶粒。随后水冷，轧制后组织为铁素体-马氏体双相。
(3)大变形轧制：将热轧后的铸锭采用大变形温轧+大变形冷轧的方式进行大变形轧制，温轧的轧制温度在600～750℃，温轧总变形量不低于60％。随后水冷后进行冷轧，原始板厚为80mm，终轧板厚为4.0mm，轧制累积变形量为95％，进一步细化铁素体-马氏体双相组织。
(4)短时热处理及快冷淬火：将大变形轧制后的合金钢快速加热至900℃，升温速率≥80℃/s，保温时间t为3.0min。随后快速淬火冷却，淬火介质采用冰盐水混合溶液，为5wt％NaCl水溶液，冷却速率≥80℃/s。
(5)低温回火：将短时热处理后的合金钢进行低温回火处理，加热至200℃保温2.0h后空冷至室温。回火的目的是降低淬火残留应力，提高材料的拉伸性能。
(6)力学性能测量与组织表征：对高强度超细组织低碳低合金钢进行显微维氏硬度测量、室温拉伸实验测量其力学性能。OM光镜观察显微组织，对典型的实施例进行SEM观察，表征微观组织。
实施例10
本实施例提供的超高强高韧超细组织低碳低合金钢，合金钢中各组分的质量百分比为：0.16％的C，1.08％的Mn，0.68％的Cr，Si≤0.50％，S≤0.01％，P≤0.015％，其余成分为Fe和不可避免的杂质，且Mn/Cr的质量百分比为1.59，(Cr+Mn)/C的质量百分比为11.0。
按照此成分制备超高强高韧超细组织低碳低合金钢。其制备工艺包括熔炼及开坯、热轧、大变形轧制、短时热处理、快冷淬火，具体步骤如下：
(1)熔炼及开坯：根据合金钢成分配比称取纯度大于99％的Mn、Cr等合金元素和碳钢，将原料放入真空电弧炉中，抽真空至1×10-3MPa以下，每个铸锭块反复熔炼5至7遍，结合腔内的电磁搅拌，保证铸锭块内各组分均匀分布，熔炼完成后浇筑成长方体铸锭。开坯的加热温度为1200℃，保温3.0h，然后热轧或者热锻，终轧或者终锻温度不低于1150℃。
(2)热轧：将开坯后的铸锭在高温箱式电阻炉中重新加热至1200℃，保温1.0h，消除铸造过程中产生的成分偏析，使铸态的柱状晶组织转化为等轴晶组织。将铸锭从炉中取出后立即开始轧制，开轧温度在1180℃左右，终轧温度在880℃左右，经过多道次轧制，细化铁素体与奥氏体晶粒。随后水冷，轧制后组织为铁素体-马氏体双相。
(3)大变形轧制：将热轧后的铸锭采用大变形温轧+大变形冷轧的方式进行大变形轧制，温轧的轧制温度在600～750℃，温轧总变形量不低于60％。随后水冷后进行冷轧，原始板厚为80mm，终轧板厚为8.0mm，轧制累积变形量为90％，进一步细化铁素体-马氏体双相组织。
(4)短时热处理及快冷淬火：将大变形轧制后的合金钢快速加热至920℃，升温速率≥80℃/s，保温时间t为8.0min。随后快速淬火冷却，淬火介质采用冰盐水混合溶液，为15wt％NaCl水溶液，冷却速率≥80℃/s。
(5)低温回火：将短时热处理后的合金钢进行低温回火处理，加热至200℃保温2.0h后空冷至室温。回火的目的是降低淬火残留应力，提高材料的拉伸性能。
(6)力学性能测量与组织表征：对高强度超细组织低碳低合金钢进行显微维氏硬度测量、室温拉伸实验测量其力学性能。OM光镜观察显微组织，对典型的实施例进行SEM观察，表征微观组织。
针对上述实施例，表1～表4总结列出来实施列的成分、对应工艺参数和组织及力学性能。为了比较本发明中的成分和工艺效果，表1中列举了本发明中最高碳含量为0.2wt％，但是Mn/Cr的量小于1.5的五种对比例。表2～4给出了对应的制备工艺参数和制备材料的组织和力学性能。通过对比例进一步证明了本研究的成分和工艺的所获得材料的综合力学性能的优越性。
表1：实施例合金的化学成分，wt％
序号 C Mn Cr Mn/Cr (Cr+Mn)/C
实施例1 0.13 1.15 0.70 1.64 14.2
实施例2 0.20 1.20 0.80 1.50 10.0
实施例3 0.15 0.80 0.50 1.60 8.67
实施例4 0.08 0.50 0.30 1.67 10.0
实施例5 0.17 1.00 0.65 1.54 9.71
实施例6 0.10 0.92 0.58 1.59 15.0
实施例7 0.16 1.15 0.56 2.05 10.7
实施例8 0.18 0.83 0.53 1.57 7.55
实施例9 0.18 0.96 0.63 1.52 8.83
实施例10 0.16 1.08 0.68 1.59 11.0
对比例1 0.19 1.48 - - 7.79
对比例2 0.20 1.00 0.70 1.43 4.0
对比例3 0.20 0.80 0.60 1.33 8.5
对比例4 0.20 0.55 0.45 1.22 5.0
对比例5 0.20 0.90 0.65 1.38 7.75
表2：大变形轧制工艺参数
Figure BDA0003713979720000191
Figure BDA0003713979720000201
。
表3：短时热处理及快冷淬火工艺参数
序号 加热温度(℃) 保温时间 淬火介质
实施例1 880 0.5min 5wt％NaCl水溶液
实施例2 900 0.5min 15wt％NaCl水溶液
实施例3 920 1.0min 15wt％NaCl水溶液
实施例4 930 10.0min 酒精-干冰混合物
实施例5 880 0.5min 酒精-干冰混合物
实施例6 900 1.0min 5wt％NaCl水溶液
实施例7 920 2.0min 10wt％NaCl水溶液
实施例8 920 8.0min 15wt％NaCl水溶液
实施例9 900 3.0min 5wt％NaCl水溶液
实施例10 920 8.0min 15wt％NaCl水溶液
对比例1 930 2.0min 水冷
对比例2 930 2.0min 水冷
对比例3 920 1.0min 水冷
对比例4 900 0.5min 15wt％NaCl水溶液
对比例5 900 0.5min 15wt％NaCl水溶液
表4：基本力学性能和微观组织
Figure BDA0003713979720000202
Figure BDA0003713979720000211
从上表可以看出，本发明所述成分和配比下的低碳低合金钢在本发明提出的大变形轧制结合短时热处理的制备方法下，能够得到以板条马氏体为主，晶粒尺寸在5μm以下的超细组织，且力学性能优异，屈服强度高于1200MPa，抗拉强度高于1500MPa，延伸率高于8％。其中优选工艺方法制备的样品，马氏体组织晶粒尺寸在1μm以下，屈服强度高于1380MPa，抗拉强度高于1800MPa。实施例与对比例之间的性能差异证明了本发明提出的一种超高强高韧超细组织低碳低合金钢及其制备方法的价值与意义，也体现了本发明的原创性和独特性。

Claims (8)

1.一种超高强高韧超细组织低碳低合金钢，其特征在于，该合金钢中各组分的质量百分比为：0.08～0.20％的C，0.50～1.20％的Mn，0.30～0.80％的Cr，Si≤0.50％，S≤0.01％，P≤0.015％，其余成分为Fe和不可避免的杂质，(Cr+Mn)/C的质量百分比不小于5.0；
所述合金钢的组织由微量超细晶铁素体和大量板条马氏体组成，其中超细晶铁素体的晶粒尺寸不大于1.0μm，板条马氏体的体积分数不小于90％且原始奥氏体晶粒平均尺寸不大于5.0μm；
所述合金钢为单相马氏体组织，且单相马氏体组织由不同碳浓度的板条马氏体构成。
2.根据权利要求1所述的一种超高强高韧超细组织低碳低合金钢，其特征在于，所述合金钢中各组分的质量百分比为：0.10～0.20％的C，0.80～1.20％的Mn，0.50～0.80％的Cr，Si≤0.50％，S≤0.01％，P≤0.015％，其余成分为Fe和不可避免的杂质，(Cr+Mn)/C的质量百分比不小于5.0，Mn/Cr的质量百分比不小于1.5。
3.一种如权利要求1所述的超高强高韧超细组织低碳低合金钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、熔炼及开坯：根据合金钢中各组分的质量百分含量配料，采用真空感应熔炼，浇铸成铸锭，开坯的加热温度为1200～1250℃，保温2.0h～4.0h，然后热轧或者热锻，终轧或者终锻温度不低于1150℃；
步骤二、热轧：将步骤一的坯料重新加热至1100～1200℃，保温1.0h～2.0h后出炉连续热轧，终轧温度不低于850℃，终轧厚度不低于20.0mm，轧制后水冷至室温；
步骤三、大变形轧制：将热轧后的材料进行大变形轧制，轧制累积变形量不小于85％，板厚不大于10.0mm；
步骤四、短时热处理：将大变形轧制后的钢板进行短时热处理，加热升温速率不小于80℃/s，加热至880～930℃，进行保温，保温时间不大于10.0min；
步骤五、快冷淬火：将经过短时热处理后的材料进行淬火处理，冷却速率≥80℃/s，淬火介质采用冰盐水混合溶液或低于零度的淬火介质。
4.根据权利要求3所述的超高强高韧超细组织低碳低合金钢的制备方法，其特征在于，
步骤二所述的热轧开轧温度在1050～1180℃，终轧温度在850～880℃，水冷淬火后组织为铁素体-马氏体双相，铁素体含量不大于50％；
步骤三所述的大变形轧制方式为大变形温轧、大变形冷轧或者大变形温轧+大变形冷轧中的任意一种，通过大变形轧制细化双相组织；
步骤四所述的短时热处理中的快速加热采用感应加热的方式进行，加热温度880～930℃，保温时间t满足：t＝t0+(0.5～1.0)*D，其中D为材料的板厚，取值范围为0.5～10mm，t为保温时间，单位为分钟(min)，t0的取值范围为0～0.5min；
步骤五所述的低于零度的淬火介质为无机盐溶液。
5.根据权利要求4所述的超高强高韧超细组织低碳低合金钢的制备方法，其特征在于，
步骤三所述的大变形轧制方式为大变形温轧，轧制温度在400～750℃，单道次变形量不低于30％，总变形量不低于90％；
步骤四所述的短时热处理过程中，加热升温至880～920℃，进行保温，材料的板厚D的取值范围为1～10mm；
步骤五所述的快冷淬火中淬火介质选用的是干冰和盐混合溶液。
6.根据权利要求3所述的超高强高韧超细组织低碳低合金钢的制备方法，其特征在于，
步骤三所述的大变形轧制方式为大变形温轧+大变形冷轧，总压下量不低于90％，其中大变形温轧的轧制温度在600～750℃，大变形温轧总变形量不低于60％，终轧板材厚度不高于4.0mm；
步骤四所述的短时热处理过程中，保温温度在900～920℃之间，保温时间不大于3.0min。
7.根据权利要求3所述的超高强高韧超细组织低碳低合金钢的制备方法，其特征在于，
步骤三所述的大变形轧制方式为大变形冷轧，终轧板材厚度不高于2.0mm；
步骤四所述的短时热处理过程中，保温温度在880～900℃之间，保温时间不大于1.0min；
步骤五所述的快冷淬火中淬火介质采用冰盐水混合溶液，其中NaCl浓度为5.0％～15.0％；快冷淬火后将材料进行低温回火处理，加热至150～250℃保温0.5～3.0h后空冷至室温。
8.根据权利要求3所述的超高强高韧超细组织低碳低合金钢的制备方法，其特征在于，
经步骤四后所制备的材料是超细晶铁素体和板条马氏体双相组织，其中超细晶铁素体的晶粒尺寸不大于1.0μm，马氏体的原始奥氏体晶粒平均尺寸不大于3.0μm，板条马氏体的体积分数不小于90％；
步骤五后所制备的材料是具有超细组织结构且具有不同碳和锰元素的浓度分布的板条马氏体组织，马氏体晶粒以及原始奥氏体晶粒平均尺寸不大于3.0μm。
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