CN115558759A - 基于Mn配分的低碳钢残余应力调控方法 - Google Patents

基于Mn配分的低碳钢残余应力调控方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于Mn配分的低碳钢残余应力调控方法，对于碳含量低、碳化物析出所产生的塑性行为弱的低碳微合金钢，在回火过程的冷却阶段前设置Mn配分去应力阶段，利用Mn配分过程所产生的塑性应变松弛组织中的残余应力。本方法可以使低碳微合金钢残余应力充分降低，同时还进一步改善材料的力学性能。

Description

基于Mn配分的低碳钢残余应力调控方法
技术领域
本发明属于金属材料热处理领域，具体涉及一种基于Mn配分的低碳钢残余应力调控方法。
背景技术
高强及超高强钢板是大型工程装备制造的关键基础材料，直接决定着装备的精度和寿命，在工程装备的大型化和轻量化需求带动下，钢板的强度已从传统的345-700MPa提高至1000-2000MPa。淬火是提高材料强度和硬度最为重要的技术手段，淬火过程温度应力与组织转变交互作用，在材料中引入高幅残余应力，导致材料畸变、疲劳损伤、应力腐蚀及延迟开裂，严重制约了先进基础材料及高端制造业的发展。回火是改善淬火残余应力最为关键的技术手段，但是不少材料回火后，其残余应力水平仍然很高，材料在下游制备过程中仍然容易产生畸变，残余应力对材料服役性能的影响难以从根本上得以改善。
碳含量低于0.08wt％的低碳、微合金高强钢，凭借其材料成本低廉、焊接性能优异，逐渐成为高强结构钢中应用最为广泛的一类基础材料。但是，也正是由于C以及合金元素Ti、Nb等的含量相对较低，造成上述低碳微合金钢回火过程碳化物析出量低，由碳化物析出所产生的塑性应变相应较小，导致这类高强结构钢难以借助碳化物析出所产生的塑性应变松弛残余应力，不少低碳钢经过回火处理后，其残余应力仍然高达初始残余应力的60％。经过回火处理后的低碳钢仍然存在在下游分条、焊接、折弯过程中出现畸变的风险，回火处理对低碳钢服役性能的改善程度有限。因此，如何改善低碳微合金钢的残余应力是理论研究以及实际生产都亟待突破的关键技术瓶颈。
发明内容
本发明针对低碳微合金钢中C及合金元素含量低，回火过程碳化物析出所产生的析出塑性应变小，无法充分松弛淬火残余应力的问题，提出一种基于Mn配分的低碳钢残余应力调控方法，本方法可以使低碳微合金钢残余应力充分降低，同时还进一步改善材料的力学性能。
本发明所采用的技术方案是：
一种基于Mn配分的低碳钢残余应力调控方法，对于碳含量低、碳化物析出所产生的塑性行为弱的低碳微合金钢，在回火过程的冷却阶段前设置Mn配分去应力阶段，利用Mn配分过程所产生的塑性应变松弛组织中的残余应力。
进一步地，在Mn配分去应力阶段，将被加热至600-650℃的热轧带钢或钢板保温2-30min，诱导材料表面以及芯部的Mn同步在α与θ相界面聚集，并逐渐完成Mn在α与θ相间的配分，强化Mn配分过程材料内部所产生的塑性应变，增强回火过程残余应力的松弛能力。
进一步地，整个回火过程依次分为快速升温阶段、表面芯部均热阶段、慢速升温阶段、Mn配分去应力阶段和冷却阶段；在快速升温阶段，以最高升温速率将热轧带钢或钢板快速加热，从而诱导组织中形成足够多的合金碳化物析出位点；在表面芯部均热阶段，将快速加热后的热轧带钢或钢板保温一定时间，从而使得材料表面和芯部均热；在慢速升温阶段，以低升温速率将热轧带钢或钢板加热至600-650℃，从而保证材料表面与芯部的温差在一定程度以下。
进一步地，在快速升温阶段，以最高升温速率将热轧带钢或钢板快速加热至500℃-550℃，在表面芯部均热阶段，将500℃-550℃的热轧带钢或钢板保温2-15min。
进一步地，在慢速升温阶段，保证材料表面与芯部的温差低于50℃。
进一步地，在慢速升温阶段，低升温速率根据傅立叶定律计算。
本发明的有益效果是：
本方法可以使低碳微合金钢残余应力降低60％左右，使低碳微合金钢回火过程残余应力的松弛度由40％提高至≥60％，同时还进一步改善材料的力学性能。
附图说明
图1是本发明中基于Mn配分的低碳钢残余应力调控方法的回火过程图，图中A、B、C、D、E分别为快速升温阶段、表面芯部均热阶段、慢速升温阶段、Mn配分去应力阶段、冷却阶段。
图2是本发明实施例一中Mn配分后的TEM图。
图3是本发明实施例一中不同回火方式对残余应力的改善比较图，图中(a)、(b)、(c)分别为采用传统回火方式后的残余应力、采用本方法后的残余应力、初始残余应力。
图4是本发明实施例二中不同回火方式对残余应力的改善比较图，图中(a)、(b)、(c)分别为采用传统回火方式后的残余应力、采用本方法后的残余应力、初始残余应力。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
一种基于Mn配分的低碳钢残余应力调控方法，对于碳含量低、碳化物析出所产生的塑性行为弱的低碳微合金钢，在回火过程的冷却阶段前设置Mn配分去应力阶段，利用Mn配分过程所产生的塑性应变松弛组织中的残余应力。具体而言，在Mn配分去应力阶段，将被加热至600-650℃的热轧带钢或钢板保温2-30min，诱导材料表面以及芯部的Mn同步在α与θ相界面聚集，并逐渐完成Mn在α与θ相间的配分，强化Mn配分过程材料内部所产生的塑性应变，增强回火过程残余应力的松弛能力。本方法可以使低碳微合金钢残余应力降低60％左右，使低碳微合金钢回火过程残余应力的松弛度由40％提高至≥60％，同时还进一步改善材料的力学性能。
如图1所示，在本实施例中，整个回火过程依次分为快速升温阶段、表面芯部均热阶段、慢速升温阶段、Mn配分去应力阶段和冷却阶段；在快速升温阶段，以最高升温速率将热轧带钢或钢板快速加热，从而诱导组织中形成足够多的合金碳化物析出位点；在表面芯部均热阶段，将快速加热后的热轧带钢或钢板保温一定时间，从而使得材料表面和芯部均热；在慢速升温阶段，以低升温速率将热轧带钢或钢板加热至600-650℃，从而保证材料表面与芯部的温差在一定程度以下。
在快速升温阶段，以最高升温速率将热轧带钢或钢板快速加热至500℃-550℃，在表面芯部均热阶段，将500℃-550℃的热轧带钢或钢板保温2-15min，在慢速升温阶段，保证材料表面与芯部的温差低于50℃，低升温速率根据傅立叶定律计算。
实施例一
厚度为4mm，C含量为0.07wt％，Mn含量为1.88wt％的低碳微合金钢，如图3中(c)所示，其热轧钢板沿厚度方向残余应力的最大值为360MPa，屈服强度为618MPa，抗拉强度为728MPa，断后延伸率为13.75％。
采用传统回火方式回火15min后，如图3中(a)所示，沿热轧钢板厚度方向上残余应力的最大值为244MPa，为回火前的67.8％，残余应力改善程度有限。
采用本方法进行回火：快速升温阶段和表面芯部均热阶段——将回火炉加热至550℃，将热轧钢板直接放入回火炉并保温2min，从而诱导组织中形成足够多的合金碳化物析出位点、使得材料表面和芯部均热；慢速升温阶段——以1℃/s的升温速率将热轧钢板由550℃加热至650℃，升温过程保证材料表面与芯部温差低于50℃；Mn配分去应力阶段——将650℃的热轧钢板保温2min，诱导材料表面以及芯部的Mn同步在α与θ相界面聚集，并逐渐完成Mn在α与θ相间的配分，强化Mn配分过程材料内部所产生的塑性应变，增强回火过程残余应力的松弛能力，如图2所示；冷却阶段——将热轧钢板从回火炉中取出，空冷至室温。
采用本方法进行回火后，测量应力及材料性能得到，如图3中(b)所示，热轧钢板内的残余应力降低至142MPa，为回火前的39.4％，材料的屈服强度为701MPa，抗拉强度为807MPa，断后延伸率为16.77％，均优于回火前的力学性能。
实施例二
厚度为4mm，C含量为0.07wt％，Mn含量为1.88wt％的低碳微合金钢，如图4中(c)所示，其热轧态钢板沿厚度方向残余应力的最大值为360MPa。
采用传统回火方式回火15min后，如图4中(a)所示，沿热轧钢板厚度方向上残余应力的最大值为244MPa，为回火前的67.8％，残余应力改善程度有限。
采用本方法进行回火：快速升温阶段和表面芯部均热阶段——将回火炉加热至550℃，将热轧钢板直接放入回火炉并保温2min，从而诱导组织中形成足够多的合金碳化物析出位点、使得材料表面和芯部均热；慢速升温阶段——以1℃/s的升温速率将热轧钢板由550℃加热至600℃，升温过程保证材料表面与芯部温差低于50℃；Mn配分去应力阶段——将600℃的热轧钢板保温5min，诱导材料表面以及芯部的Mn同步在α与θ相界面聚集，并逐渐完成Mn在α与θ相间的配分，强化Mn配分过程材料内部所产生的塑性应变，增强回火过程残余应力的松弛能力；冷却阶段——将热轧钢板从回火炉中取出，空冷至室温。
采用本方法进行回火后，测量应力及材料性能得到，如图4中(b)所示，热轧钢板内的残余应力降低至145MPa，为回火前的40.3％，有效降低了低碳钢的残余应力水平。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于Mn配分的低碳钢残余应力调控方法，其特征在于：对于碳含量低、碳化物析出所产生的塑性行为弱的低碳微合金钢，在回火过程的冷却阶段前设置Mn配分去应力阶段，利用Mn配分过程所产生的塑性应变松弛组织中的残余应力。
2.如权利要求1所述的基于Mn配分的低碳钢残余应力调控方法，其特征在于：在Mn配分去应力阶段，将被加热至600-650℃的热轧带钢或钢板保温2-30min，诱导材料表面以及芯部的Mn同步在α与θ相界面聚集，并逐渐完成Mn在α与θ相间的配分，强化Mn配分过程材料内部所产生的塑性应变，增强回火过程残余应力的松弛能力。
3.如权利要求2所述的基于Mn配分的低碳钢残余应力调控方法，其特征在于：整个回火过程依次分为快速升温阶段、表面芯部均热阶段、慢速升温阶段、Mn配分去应力阶段和冷却阶段；在快速升温阶段，以最高升温速率将热轧带钢或钢板快速加热，从而诱导组织中形成足够多的合金碳化物析出位点；在表面芯部均热阶段，将快速加热后的热轧带钢或钢板保温一定时间，从而使得材料表面和芯部均热；在慢速升温阶段，以低升温速率将热轧带钢或钢板加热至600-650℃，从而保证材料表面与芯部的温差在一定程度以下。
4.如权利要求3所述的基于Mn配分的低碳钢残余应力调控方法，其特征在于：在快速升温阶段，以最高升温速率将热轧带钢或钢板快速加热至500℃-550℃，在表面芯部均热阶段，将500℃-550℃的热轧带钢或钢板保温2-15min。
5.如权利要求3所述的基于Mn配分的低碳钢残余应力调控方法，其特征在于：在慢速升温阶段，保证材料表面与芯部的温差低于50℃。
6.如权利要求3所述的基于Mn配分的低碳钢残余应力调控方法，其特征在于：在慢速升温阶段，低升温速率根据傅立叶定律计算。
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