专利名称：一种具有低屈服比的超高强韧钢板及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种钢板及其制造方法，尤其涉及一种超高强韧钢板及其制造方法。
技术背景
高强韧钢板广泛应用于机械结构、建筑桥梁和工程结构。钢板的力学性能包括屈服强度、抗拉强度、延伸率和低温冲击功等。在选用机械结构和建筑桥梁等结构件用钢板时，通常以屈服强度为基准并给予一定的安全系数。屈服强度和抗拉强度之比称为屈强比， 在工程应用中屈强比主要体现为当结构件在受到超过屈服强度的极限应力时，钢板从屈服开始到完全失效过程的安全性系数。如果钢板的屈强比较低，则当钢板受到高于屈服强度的应力时，钢板在应力达到抗拉强度导致材料断裂或结构失稳之前，具有较宽的安全范围。 如果钢板的屈强比较高，则当钢板在达到屈服强度之后，钢板会迅速达到抗拉强度而发生断裂。因此，对于结构件安全性能要求较高的情况下，需要采用具有低屈服强度的钢板。例如，高层建筑的钢结构、水电压力钢管和煤矿液压支架等结构件，这样遇到类似于地震、山体滑坡和塌方等自然灾害时，低屈强比的钢板可吸收更多能量，延缓结构破坏时间或避免结构彻底破坏，防止次生灾害的发生，降低人员生命的威胁。
钢板的屈服现象明显时，屈服强度采用上屈服强度、下屈服强度表示；钢板的屈服现象不明显时，屈服强度采用O. 2%塑性变形的强度Rpa2表示。低碳钢板的上屈服强度是由于间隙原子在位错附近形成柯垂尔气团，阻碍位错开始运动；在位错开动之后，柯垂尔气团的作用消失，需要在钢板上施加的力减小，则形成下屈服。如果位错开动包括了柯垂尔气团及位错环和位错墙的交互作用等，则屈服现象不明显。屈服强度代表着大尺度范围位错增殖和运动而使滑移带变宽的应力。部分文献认为屈服强度是可运动的刃型位错全部滑出晶体对应的应力，而抗拉强度是材料在拉伸过程中可抵抗的最大应力，通常伴随着微裂纹的形核长大和扩展。
具有低屈强比钢板的设计和制造，通常采用软相和硬相结合的微观组织来获得具有较低屈服强度和较高的抗拉强度。例如
公布号为W02007/051080，
公开日为2007年5月3日，名称为“具有低屈服比、高韧性和优异可焊性的高强度双相钢”的专利文献，其提供了一种具有软和硬相复合显微组织的双相高强度钢，其复合显微组织可提供低的屈服比、高的应变能力、优异可焊性及高韧性，其化学成分包括 C 0. 03-0. 12%, Ni 0. 1-1. 0%、Nb 0. 005-0. 05%、Ti 0. 005-0. 03%、 Mo 0. 1-0. 6%、Mn 0. 5-2. 5%、Cu :彡1. 0%、Cr1. 0%、Ca :彡 O. 01%,还包括可选元素 V (O. 1%、B ·.( O. 002%,Mg ·.( O. 006%,N :彡 O. 010%,Si ·.( O. 5%、Cu ·.(1. 0%、A1 ·.( O. 06%、 P O. 015%、S O. 004%。该双相钢包括约10体积％至约60体积％的主要由细晶粒铁素体构成的第一相或组分。该第一相具有平均晶粒尺寸约5微米或更小的铁素体。该双相钢还包括约40体积％至约90体积％的第二相或组分，所述第二相或组分包括细晶粒马氏体、细晶粒下贝氏体、细晶粒粒状贝氏体、细晶粒退化上贝氏体或它们的任何混合物。
公开号为CN 101045977A，
公开日为2007年10月3日，名称为“800MPA级高韧性低屈服比厚钢板及其制造方法”的中国专利文献，公开了一种高强韧低屈服比厚钢板及其制造方法，其化学成分包括 C 0. 05-0. 09%、Si 0. 35-0. 45%、Mn 1. 5-1. 90%、Ni 0. 30-0. 70%、 Nb :0. 04-0. 08%、Al :0. 02-0. 04%、T1:0. 01-0. 04%,该钢板具有低屈强比且抗拉强度大于 800MPa。
公开号为CN1924065A,
公开日为2007年3月7曰，名称为“700MPA级高韧性低屈服比厚钢板及其制造方法”的中国专利文献也公开了一种钢板，其化学成分质量百分比为C0. 03 O. 06，SiO. 35 O. 55，Mnl. 00 1. 55，NiO. 50 O. 70，NbO. 02 O. 06， A10. 02 O. 04，TiO. 01 O. 04，V0. 04 O. 07，CuO. 50 O. 70，余量为 Fe 和不可避免杂质。其制造方法包括A.冶炼并浇铸成坯；B.加热至1180 1220°C;C.轧制，开轧温度为 1050 1100°C，轧件厚度到达成品钢板厚度的2 3倍时，在辊道上待温至920 960°C， 随后进行第二阶段轧制，道次变形量5 15丽，道次变形率10 25% ;终轧温度820 8800C ；D.轧制结束，空冷60 120秒钟，然后加速冷却，以10 20°C /秒速度冷却至460 600°C，钢板出水后空冷。
由此可见，随着机械钢结构向着大型化及复杂化发展，为了达到钢结构增强减重及节能降耗的目的，需要钢板的强度不断增加并具有较低的屈服比。发明内容
本发明的目的在于提供一种具有低屈服比的超高强韧钢板及其制造方法，该钢板抗拉强度级别高，且具备较低屈服比，从而能够满足机械结构、建筑桥梁和工程结构等领域对于钢板低屈强韧及增强减重的双向要求。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种具有低屈服比的超高强韧钢板，其化学元素质量百分含量为
C :0. 18-0. 34%,
Si 0. 10-0. 40%,
Mn 0. 50-1. 40%,
Cr 0. 20-0. 70%,
Mo 0. 30-0. 90%,
Nb 0-0. 06%,
Ni 0. 50-2. 40%,
V 0-0. 06%,
Ti 0. 002-0. 04%,
Al 0. 01-0. 08%,
B 0. 0006-0. 0020%,
N 彡 O. 0060%,`
O 彡 O. 0040%,
Ca 0-0. 0045%,
余量为Fe和其他不可避免的杂质。
进一步地，本发明所述的具有低屈服比的超高强韧钢板的碳当量满足 CEV 彡 O. 75%，其中碳当量 CEV = C+Mn/6+ (Cr+Mo+V) /5+ (Ni+Cu) /15。
在成分设计方面，本发明所述的具有低屈服比的超高强韧钢板中的各化学元素的设计原理为
C C能扩大钢板的奥氏体相区，控制C元素在钢中的含量可获得不同微观组织和力学性能的钢板。C元素在钢中的添加量不同，钢板发生相变的类型也会随之不同。如C元素和合金元素合量较低，则发生铁素体、珠光体等扩散型相变。如C元素和合金元素含量较高，则发生马氏体转变。当马氏体转变时，C原子固溶在Fe原子的晶格中，使晶体的c轴延长，发生Fcc (面心立方晶格)_Hcp (密排六方晶格)的转变。C原子通过改变晶体结构，大幅度地提高了钢板的强度。奥氏体稳定性随着C原子增加而提高，钢板在快速冷却后可获得马氏体和残余奥氏体组织，降低钢板的屈强比。但是，C元素含量过高，则会使得钢板的塑性和韧性下降。综合考虑C元素对于钢板对强韧性和强塑性的影响，本发明中的C含量控制为 O. 18-0. 34%。
S1:当Si添加到钢中时，其可以通过置换原子固溶强化提高钢板的强度，但Si含量过高，会增加钢板焊接时的热裂纹倾向。所以，本发明中的Si含量设计为O. 10-0. 40%。
Mn C和Mn元素通常联合应用以获得具有良好力学性能的钢板。Mn元素添加到本发明的钢板中，通过固溶强化来提高钢板的强韧性。由于本发明的钢板中所添加的C含量相对较高，为了保证钢板的碳当量和焊接性能，故本发明中所加入的Mn为O. 50-1. 40%，用以调节该钢板的屈强比和强韧性。
Cr :Cr可以提高钢板的淬透性，使钢板在冷却时形成马氏体组织。可Cr含量过高会增加钢板的碳当量，恶化钢板焊接性能。因此，本发明中的Cr含量控制为O. 20-0. 70%。
Mo :Mo可以有效抑制扩散性相变，使钢板在冷却时形成强度较高的低温相变组织。Mo含量较低时，对钢板扩散性相变抑制的效果未充分发挥，使得钢板在冷却时不能得到更多的马氏体组织，从而降低钢板的强度。Mo含量过高时，导致碳当量增加，恶化钢板的焊接性能。因而，本发明将Mo含量控制为O. 30- 0. 90%。
Nb :添加到钢中的Nb可抑制奥氏体晶界运动，使钢板在较高温度下发生再结晶。 在较高温度奥氏体化时，固溶到奥氏体中的Nb会在轧制时由于应变诱导析出效应，在位错和晶界处形成NbC颗粒，抑制晶界运动，提高钢板的强韧性。当Nb含量过高时，则可能形成粗大的NbC，恶化钢板的低温冲击性能。因此，本发明中加入不大于O. 06%的Nb以控制钢板的力学性能。
N1:Ni在钢中能与Fe形成固溶体，通过降低晶格的层错而提高钢板韧性。为了获得具有良好低温韧性的高强度钢板，需在钢板中加入一定的Ni，Ni会增加奥氏体的稳定性，使得钢板在冷却过程中形成马氏体和残余奥氏体组织，降低钢板的屈强比。如果Ni含量过高，一方面会使板坯在加热时形成难以去除的氧化膜，影响钢板表面质量；另一方面会增加钢板的生产成本。因此，本发明中的Ni含量应设定在O. 50-2. 40%范围之间。
V:V作为合金元素加入钢中，其通过固溶强化和MC型碳化物的析出强化效果来提高钢板的强韧性。但V元素含量过高时，MC型碳化物会在热处理过程中发生粗化，从而影响钢板的低温韧性。因此，在本发明中加入不大于O. 06%的V元素用来保证钢板的力学性倉泛。
T1:Ti在钢液中形成氮化物，随后在较低的温度范围形成氧化物和碳化物。不过，Ti含量过高会导致钢液中形成粗大的TiN。TiN颗粒为立方形，颗粒的角部容易导致应力集中，即为裂纹的形成源。综合考虑Ti在钢中的作用，本发明中的Ti含量控制为 O. 002-0. 04%O
Al :A1加入钢中，通过形成氧化物和氮化物细化晶粒。为了达到细化晶粒及提高钢板的韧性并保证其焊接性能的目的，在本发明中需要加入Al的含量为O. 01-0. 08%ο
B B在钢板中的晶界富集从而降低晶界能量，使钢板在冷却过程中形成低温相变组织。B加入钢中，并结合C和合金元素含量，可以形成具有高强度的马氏体组织，进而获得具备良好的强度性能的钢板。但是，B含量过高，则会在马氏体晶界富集，降低钢板的低温冲击性能和疲劳性能。因此，本发明中B的加入量为O. 0006-0. 0020%。
N :N可与钢中的T1、Nb和V形成氮化物。钢板在奥氏体化过程中，未溶解的氮化物会阻碍奥氏体的晶界运动，实现细化奥氏体晶粒的效果。如N元素含量过高，则N与Ti 会形成粗大的TiN，恶化钢板的力学性能。同时，N原子还会在钢中的缺陷处富集，形成气孔和疏松，进一步恶化钢板的力学性能。因此，在本发明中的N含量控制为不大于O. 0060%。
O 0在钢中与Al、Si和Ti形成氧化物。钢板在加热奥氏体化过程中，Al的氧化物会起到抑制奥氏体长大，细化晶粒的作用。不过，O含量较多的钢板在焊接时具有热裂纹倾向。因而，本发明中的O含量应控制为不大于O. 0040%O
Ca :Ca加入钢中，与S元素形成CaS，起到球化硫化物的作用，提高钢板的低温冲击刃性。本发明中的Ca含量需控制为不大于O. 0045%。
相应地，本发明还提供了该具有低屈服比的超高强韧钢板的制造方法，其包括冶炼、浇铸、加热、轧制、冷却、淬火和回火步骤，获得钢板的微观组织为细化马氏体和残余奥氏体，其中加热步骤中将板坯加热至1080 1250°C;淬火步骤的淬火温度为860 940°C ； 回火步骤的回火温度为150 350°C。
在制造工艺方面，本发明所述具有低屈服比的超高强韧钢板的制造方法，对加热、 淬火及回火等工艺步骤中的温度进行相应控制，并结合元素成分设计，使得化学元素的成分设计和制造工艺之间产生关联影响。在加热过程中，将温度控制在1080-1250°C之间实现奥氏体化。在加热过程主要是碳氮化物溶解和奥氏体晶粒长大过程。如Nb、V、T1、Cr和 Mo等碳化物形成元素的所形成的碳化物或碳氮化物部分溶解于钢中，合金元素原子通过扩散而固溶在奥氏体中。在轧制过程中，部分碳氮化物通过应变诱导析出效应在缺陷处形核长大，细化最终晶粒，从而提高钢板力学性能。在淬火过程中，温度设定在860-940°C之间， 因为在此温度区间加热保温，可有效控制碳化物形成元素(如Nb、V、T1、Cr和Mo等元素) 的碳氮化物的部分溶解及奥氏体晶粒长大的尺寸。在回火过程中，将加热炉内温度控制为 150-350°C进行回火处理。钢板的回火一般可分为四个阶段1)在100°C回火时，正方点阵的马氏体中析出ε碳化物，马氏体的正方度降低，含碳O. 3%以下的钢中不形成ε碳化物， 仅在位错等缺陷附近形成细微的碳化物；2)在235°C附近时，残余奥氏体转变为下贝氏体和马氏体；3)在300°C左右时，ε碳化物转变为渗碳体；4)在400 450°C温度时，碳和铁的扩散系数升高，渗碳体颗粒粗化。本发明采用在温度150-350°C左右进行回火，在细化的马氏体板条边缘形成细化的碳化物析出，钢板中位错密度很高的地方发生异号位错湮灭， 降低钢板的内应力，提高钢板的塑性。此时，回火温度的控制可使部分残余奥氏体保留在钢板中，降低了钢板最终屈服比，同时使钢板具有较高的抗拉强度。
在上述具有低屈服比的超高强韧钢板的制造方法中， 轧制后的钢板空冷或水冷。
进一步地，在上述具有低屈服比的超高强韧钢板的制造方法中，淬火后的钢板水冷。
进一步地，在上述具有低屈服比的超高强韧钢板的制造方法中，回火后的钢板空冷。
与现有技术方案相比，由于采用了合理的成分设计和优化的制造工序使得本发明所述的具有低屈服比的超高强韧钢板，所具备的优点为1)碳当量CEV较低，合金元素较少；2)屈强比小于O. 85 ;3)抗拉强度大于1500MPa ;3)屈服强度大于1200MPa ;4)延伸率大于10% ;5)优良的各项力学性能。
本发明所述的具有低屈服比的超高强韧钢板的制造方法，通过优化温度控制，不增加任何工序难度和步骤的情况下，就可以获得细化马氏体组织和残余奥氏体的软硬结合的微观组织，以获得力学性能理想的具有低屈服比的超高强韧钢板，工艺制度比较宽松，可广泛应用于结构安全性要求较高的工程构件制造领域的稳定生产。
图1显示了实施例4所涉及的具有低屈服比的超高强韧钢板在光学显微镜下的微观组织。
具体实施方式
下面将根据具体实施例和说明书附图对本发明的技术方案作进一步解释，但该解释并不构成对本发明的不当限定。
实施例1-6
采用下述步骤制造本发明所述的具有低屈服比的超高强韧钢板
I)冶炼，控制各化学元素的质量百分含量的配比，具体如表I所示；
2)浇铸；
3)加热将板坯加热至1080 1250°C ；
4)轧制轧制后的钢板空冷或水冷；
5)冷却冷却至室温；
6)淬火淬火温度为860 940°C，淬火后水冷；
7)回火回火温度为150 350°C，回火后空冷。
图1显示了本案实施例4的具有低屈服比的超高强韧钢板在光学显微镜下的微观组织。
表I 实施例1 -6中的具有低屈服比的超高强韧钢板的各组分的质量百分配比 (wt. %，余量为Fe和其他不可避免的杂质)
权利要求
1.一种具有低屈服比的超高强韧钢板，其特征在于，其化学元素质量百分含量为C 0. 18-0. 34%,Si 0. 10-0. 40%,Mn :0. 50-1. 40%,Cr :0. 20-0. 70%,Mo :0. 30-0. 90%,Nb 0-0. 06%,N1:0. 50-2. 40%,V :0-0. 06%,Ti 0. 002-0. 04%,Al 0. 01-0. 08%,B 0. 0006-0. 0020%,N^O. 0060%,O 彡 O. 0040%,Ca 0-0. 0045%,余量为Fe和其他不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的具有低屈服比的超高强韧钢板，其特征在于，其碳当量满足 CEV ( O. 75%，其中碳当量 CEV = C+Mn/6+ (Cr+Mo+V) /5+ (Ni+Cu) /15。
3.如权利要求1或2所述的具有低屈服比的超高强韧钢板，其特征在于，其微观组织为细化马氏体和残余奥氏体。
4.如权利要求1或2所述的具有低屈服比的超高强韧钢板的制造方法，其特征在于，包括冶炼、浇铸、加热、轧制、冷却、淬火和回火步骤，获得钢板的微观组织为细化马氏体和残余奥氏体，其中加热步骤中将板坯加热至1080 1250°C ;淬火步骤的淬火温度为860 9400C ;回火步骤的回火温度为150 350°C。
5.如权利要求4所述的具有低屈服比的超高强韧钢板的制造方法，其特征在于，轧制后的钢板空冷或水冷。
6.如权利要求4所述的具有低屈服比的超高强韧钢板的制造方法，其特征在于，淬火后的钢板水冷。
7.如权利要求4所述的具有低屈服比的超高强韧钢板的制造方法，其特征在于，回火后的钢板空冷。
8.如权利要求4所述的具有低屈服比的超高强韧钢板的制造方法，其特征在于，其碳当量满足 CEV 彡 O. 75%，其中碳当量 CEV = C+Mn/6+ (Cr+Mo+V) /5+ (Ni+Cu) /15。
全文摘要
本发明公开了一种具有低屈服比的超高强韧钢板，其化学元素质量百分含量为C0.18-0.34%，Si0.10-0.40%，Mn0.50-1.40%，Cr0.20-0.70%，Mo0.30-0.90%，Nb0-0.06%，Ni0.50-2.40%，V0-0.06%，Ti0.002-0.04%，Al0.01-0.08%，B0.0006-0.0020%，N≤0.0060%，O≤0.0040%，Ca0-0.0045%，余量为Fe和其他不可避免的杂质。相应地，本发明还公开了该钢板的制造方法加热温度为1080～1250℃；淬火温度为860～940℃；回火温度为150～350℃。
文档编号C21D1/18GK103060715SQ201310022288
公开日2013年4月24日 申请日期2013年1月22日 优先权日2013年1月22日
发明者赵四新, 姜洪生, 姚连登 申请人:宝山钢铁股份有限公司