本发明涉及钢铁材料热处理技术领域，具体涉及一种低合金高强度和高韧性钢的热处理工艺。
背景技术：
低合金高强钢因其高强度、高低温韧性、优良的焊接性能及低成本等特性，成为船舶制造及海洋工程领域不可或缺的材料，被广泛应用于造船、海洋平台、管道和桥梁建设。随着材料科学的快速发展，船舶制造及海洋工程对钢的强度和低温韧性提出了更高的要求，其中低合金高强度和高韧性钢已成为上述领域用钢潜力最大的钢种之一。
现今低合金高强度钢板大多采用控轧控冷工艺生产，虽然降低了生产成本，但组织和力学性能稳定性不好。为此，对性能要求高的低合金高强度和高韧性钢在控轧控冷之后必须进行后续调质热处理。船舶及海洋工程用低合金钢的常规调质处理工艺为完全奥氏体化淬火(加热温度高于ac3点，一般高于880℃)+高温回火(一般高于600℃)，耗能严重，且所得钢的强度只能满足特定强度等级要求。为满足不同强度等级要求，需采用不同的合金成分方案，给组织生产带来困难。为满足高强度和高低温韧性要求，还需添加较多的ni、cr、mo等合金元素(ni+cr+mo＞0.60％)，进一步增加了钢的制造成本。
两相区淬火即亚共析钢的亚温淬火，其淬火温度(720～850℃)低于ac3点，可获得铁素体和马氏体的双相组织。在随后的回火过程中，高塑韧性的铁素体相不发生变化，而马氏体分解转变为硬质高强度的回火组织。采用该热处理工艺可使钢获得良好的强韧性能，且节能降耗。软相铁素体组织的存在，可阻滞裂纹扩展，对提高低温韧性非常有益，而降低回火温度，可有效提高硬质回火组织的强度。通过两相区淬火温度(调节铁素体相含量)和回火温度(调节回火硬质相的微观组织)的不同组合，可以得到不同体积分数的高塑韧性铁素体和高强度回火组织，这为高强度和高韧性钢的制备带来了可能，且能实现一钢多级，节能降本。
近年来，在利用两相区淬火热处理工艺提高船舶制造及海洋工程用低合金钢的性能研究方面取得了一定的成果，并公开发表了一些论文和专利，但也存在很多不足：①仅改变淬火或者回火一个工艺，而未对淬火、回火工艺组合进行研究，且不能达到分级的目的。例如，万德成等对550mpa级船板钢研究中仅讨论了两相区淬火温度对船板钢组织和性能的影响，而没有对回火温度作出调节，钢的强度均高于550mpa，并不能实现一钢多级的柔性生产(万德成，余伟，李晓林等，淬火温度对550mpa级厚钢板显微组织和力学性能的影响，金属学报，2012，48(4)：455-460)。周砚磊等对屈服强度500mpa级低合金高强钢研究中仅讨论了回火温度(300～600℃)对钢的组织性能的影响，两相区淬火温度未调节，且淬火、回火保温时间过长(均为1h)(周砚磊，狄国标，刘振宇等，回火温度对500mpa级海洋平台钢组织性能的影响，材料热处理学报，2011，32(10)：106-111)。中国专利号cn102787275a公开了“一种高强度调质钢板低成本制造方法”，通过调整回火温度，实现了一钢多级柔性制造，但是并没有改变两相区淬火温度，具有一定的局限性。②淬火、回火工艺耗能严重，不能起到降能耗的作用。李晓林等对f550船板钢的研究中两相区淬火温度为790～850℃，保温时间为60min；回火温度达到600℃，保温时间为100min，其淬火及回火温度偏高，保温时间过长，耗能严重(李晓林，余伟，万德成等，热处理工艺对f550船板钢组织和力学性能的影响，2011年全国中厚板生产技术交流会，南京：2011，114-118)。中国专利号cn103589950a公开了“钒硼微合金化高强钢及其热处理工艺”，采用两相区淬火+低温回火工艺，屈服强度达950mpa。但是在两相区淬火之前采用了预淬火工艺(淬火温度高达900～940℃，保温时间为60～100min，不能起到节约能源的目的，且没有提供该高强钢的冲击韧性。
技术实现要素：
技术问题：本发明目的在于解决目前不同强度等级高强钢需要不同合金成分方案、组织生产困难、制造成本高等问题，提供一种低合金高强度和高韧性钢的组织和性能控制的热处理工艺。通过宽范围调整淬火、回火工艺，得到不同体积分数的铁素体和回火屈氏体/索氏体，制备出q460～q690不同强度等级的低合金高强度和高韧性钢，能显著降低能耗，方便组织生产，降低制备成本。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：
本发明的一种低合金高强度和高韧性钢，其化学成分按质量百分数为：c0.10～0.12％，si0.35～0.40％，mn0.90～1.20％，ni+cr+mo≤0.50％，nb+ti+v≤0.060％，p≤0.01％，s≤0.002％，b≤0.002％以及余量的fe和不可避免的杂质。
优选地，该钢板的化学成分按质量百分数为：c0.11％，si0.36％，mn1.20％，ni0.15％，cr0.12％，mo0.17％，nb0.025％，ti+v0.030％，p0.008％，s0.002％，b0.002％以及余量的fe和不可避免的杂质。
按照上述的低合金高强度和高韧性钢的化学成分按质量百分数制成钢坯，将钢坯加热到1050～1150℃，轧制成设定厚度，轧后空冷至室温，然后进行两相区淬火+回火热处理，包括以下步骤：
(1)淬火：将试验钢加热至760～850℃，经保温后取出水冷至室温。
(2)回火：将已水冷至室温的试验钢重新加热至420～580℃，经保温后取出空冷至室温。
所述淬火工艺，淬火加热速度＞50℃/min，保温时间为20～40min，水冷速度＞100℃/s。
所述回火工艺，回火加热速度＞50℃/min，保温时间为30～60min，空冷速度＜5℃/s。
有益效果：本发明基于以下思路制备低合金高强度和高韧性钢：①两相区淬火可获得铁素体和马氏体组织。随淬火温度降低，高塑韧性铁素体相的比例不断提高(图1)。②回火时铁素体不发生变化，而马氏体分解转变为硬质回火组织：420～460℃回火时，马氏体转变为回火屈氏体，约120nm尺寸的fe3c呈薄片状弥散析出(图2(a)和(b))，回火组织具有高硬度和高强度；在500～580℃回火时，马氏体转变为回火索氏体，约160nm尺寸的fe3c呈球状弥散分布(图2(c)和(d)，图4(b))，回火组织的硬度和强度有所降低，塑性改善。③通过淬火和回火温度的不同组合，可以改变高塑韧性铁素体的体积分数，调节回火屈氏体/索氏体的强度和硬度，能满足钢的不同强度等级要求，实现强韧性的优良配合。④淬火加热速度和回火加热速度均＞50℃/min，可提高生产效率，节约能源消耗。
1.两相区淬火和中温回火工艺在宽温度范围的不同组合，在不改变钢的化学成分基础上，可实现q460～q690宽范围的强度分级，解决了目前不同强度等级低合金高强钢需要不同合金成分方案和组织生产困难的问题。
2.通过降低淬火温度，可使该低合金高强钢的高塑韧性铁素体体积分数从850℃淬火时的11.5％提高到760℃淬火时的42.5％，在宽温度范围回火后保证了钢材具有优良的延伸率和低温冲击韧性，-40℃冲击吸收功均值大于140j。
3.与常规调质热处理工艺相比，本发明的淬火温度和回火温度均显著降低，且加热速度快、保温时间短，可大幅度降低能源消耗，并缩短生产周期。
4.由于通过高塑韧性铁素体和高强度回火屈氏体/索氏体的双相组织来获得高强韧性，因而可降低ni、cr、mo合金元素含量(ni+cr+mo≤0.50％)，使钢的制造成本进一步降低。
附图说明
图1为不同淬火温度下的金相组织，白色组织为铁素体，黑色组织为淬火马氏体。图1(a)为760℃淬火(铁素体含量42.5％)；图1(b)为790℃淬火(铁素体含量32％)；图1(c)为820℃淬火(铁素体含量18.8％)；图1(d)为850℃淬火(铁素体含量11.5％)；
图2为不同回火温度下碳化物形貌(760℃淬火)，白色弥散分布相为渗碳体，其余为基体组织。图2(a)为420℃回火；图2(b)为460℃回火；图2(c)为500℃回火；图2(d)为540℃回火。
图3为不同回火温度下碳化物形貌(790℃淬火)，白色弥散分布相为渗碳体，其余为基体组织。图3(a)为460℃回火；图3(b)为540℃回火。
图4为不同回火温度下碳化物形貌(820℃淬火)，白色弥散分布相为渗碳体，其余为基体组织。图4(a)为460℃回火；图4(b)为580℃回火。
图5为不同回火温度下碳化物形貌(850℃淬火)，白色弥散分布相为渗碳体，其余为基体组织。图5(a)为500℃回火；图5(b)为540℃回火；图5(c)为580℃回火。
具体实施方式
本实施涉及一种低合金高强度和高韧性钢的热处理工艺，该钢的化学成分按质量百分数为：c0.10～0.12％，si0.35～0.40％，mn0.90～1.20％，ni+cr+mo≤0.50％，nb+ti+v≤0.060％，p≤0.01％，s≤0.002％，b≤0.002％以及余量的fe和不可避免的杂质。
优选地，该钢板的化学成分按质量百分数为：c0.11％，si0.36％，mn1.20％，ni0.15％，cr0.12％，mo0.17％，nb0.025％，ti+v0.030％，p0.008％，s0.002％，b0.002％以及余量的fe和不可避免的杂质。
按照上述的低合金高强度和高韧性钢的化学成分按质量百分数制成钢坯，将钢坯加热到1050～1150℃，轧制成设定厚度，轧后空冷至室温，在钢板上取样进行两相区淬火+回火热处理，然后进行拉伸、低温冲击试验。
下面结合实施例对本发明及其使用效果作详细说明：
实施例1
(1)两相区淬火：将试验钢放入温度为760℃的电阻炉中，保温35min，然后淬火。
(2)回火：将已淬火冷却至室温的试验钢加热到420℃，保温45min，然后取出空冷。
经上述处理后，试验钢的铁素体含量达到42.5％，回火碳化物为片状。屈服强度为533mpa，抗拉强度为701mpa，延伸率为21.32％，-40℃冲击吸收功为：140/142/137j，可满足q500强度等级要求。
实施例2
(1)两相区淬火：将试验钢放入温度为760℃的电阻炉中，保温25min，然后淬火。
(2)回火：将已淬火冷却至室温的试验钢加热到460℃，保温40min，然后取出空冷。
经上述处理后，试验钢的铁素体含量达到42.5％，回火碳化物为片状。屈服强度为525mpa，抗拉强度为676mpa，延伸率为21.48％，-40℃冲击吸收功为：178/170/154j，可满足q500强度等级要求。
实施例3
(1)两相区淬火：将试验钢放入温度为760℃的电阻炉中，保温20min，然后淬火。
(2)回火：将已淬火冷却至室温的试验钢加热到500℃，保温30min，然后取出空冷。
经上述处理后，试验钢的铁素体含量达到42.5％，回火碳化物为片状和球状共存。屈服强度为528mpa，抗拉强度为649mpa，延伸率为22.28％，-40℃冲击吸收功为：161/166/170j，可满足q500强度等级要求。
实施例4
(1)两相区淬火：将试验钢放入温度为760℃的电阻炉中，保温35min，然后淬火。
(2)回火：将已淬火冷却至室温的试验钢加热到540℃，保温50min，然后取出空冷。
经上述处理后，试验钢的铁素体含量达到42.5％，回火碳化物为片状和球状共存。屈服强度为503mpa，抗拉强度为593mpa，延伸率为23.24％，-40℃冲击吸收功为：175/189/183j，可满足q460强度等级要求。
实施例5
(1)两相区淬火：将试验钢放入温度为790℃的电阻炉中，保温30min，然后淬火。
(2)回火：将已淬火冷却至室温的试验钢加热到460℃，保温30min，然后取出空冷。
经上述处理后，试验钢的铁素体含量达到32％，回火碳化物为片状。屈服强度为593mpa，抗拉强度为719mpa，延伸率为19.8％，-40℃冲击吸收功为：199/207/188j，可满足q550强度等级要求。
实施例6
(1)两相区淬火：将试验钢放入温度为790℃的电阻炉中，保温35min，然后淬火。
(2)回火：将已淬火冷却至室温的试验钢加热到540℃，保温50min，然后取出空冷。
经上述处理后，试验钢的铁素体含量达到32％，回火碳化物为片状和球状共存。屈服强度为580mpa，抗拉强度为662mpa，延伸率为21.28％，-40℃冲击吸收功为：202/204/211j，可满足q550强度等级要求。
实施例7
(1)两相区淬火：将试验钢放入温度为820℃的电阻炉中，保温40min，然后淬火。
(2)回火：将已淬火冷却至室温的试验钢加热到460℃，保温35min，然后取出空冷。
经上述处理后，试验钢的铁素体含量达到18.8％，回火碳化物为片状。屈服强度为715mpa，抗拉强度为784mpa，延伸率为18.56％，-40℃冲击吸收功为：207/209/230j，可满足q690强度等级要求。
实施例8
(1)两相区淬火：将试验钢放入温度为820℃的电阻炉中，保温30min，然后淬火。
(2)回火：将已淬火冷却至室温的试验钢加热到580℃，保温60min，然后取出空冷。
经上述处理后，试验钢的铁素体含量达到18.8％，回火碳化物为片状和球状共存。屈服强度为604mpa，抗拉强度为686mpa，延伸率为20.20％，-40℃冲击吸收功为：228/202/242j，可满足q550强度等级要求。
实施例9
(1)两相区淬火：将试验钢放入温度为850℃的电阻炉中，保温25min，然后淬火。
(2)回火：将已淬火冷却至室温的试验钢加热到500℃，保温40min，然后取出空冷。
经上述处理后，试验钢的铁素体含量达到11.5％，回火碳化物为片状和球状共存。屈服强度为794mpa，抗拉强度为828mpa，延伸率为17.52％，-40℃冲击吸收功为：232/177/164j，可满足q690强度等级要求。
实施例10
(1)两相区淬火：将试验钢放入温度为850℃的电阻炉中，保温40min，然后淬火。
(2)回火：将已淬火冷却至室温的试验钢加热到540℃，保温60min，然后取出空冷。
经上述处理后，试验钢的铁素体含量达到11.5％，回火碳化物为片状和球状共存。屈服强度为757mpa，抗拉强度为808mpa，延伸率为17.72％，-40℃冲击吸收功为：208/216/216j，可满足q690强度等级要求。
实施例11
(1)两相区淬火：将试验钢放入温度为850℃的电阻炉中，保温35min，然后淬火。
(2)回火：将已淬火冷却至室温的试验钢加热到580℃，保温55min，然后取出空冷。
经上述处理后，试验钢的铁素体含量达到11.5％，回火碳化物为片状和球状共存。屈服强度为746mpa，抗拉强度为786mpa，延伸率为19.68％，-40℃冲击吸收功为：216/220/208j，可满足q690强度等级要求。
表1本发明实施例的力学性能
备注：“热处理工艺”数值顺序为：淬火温度-淬火保温时间-回火温度-回火保温时间。
本具体实施方式仅为最佳例举，并非对本发明技术方案的限制性实施。