一种超细组织贝氏体钢及其制备方法

本发明涉及金属材料及加工，具体涉及一种超细组织贝氏体钢及其制备方法。

背景技术：

0、技术背景

1、2003年，caballero和bhadeshia等人利用高碳高硅合金钢在低温长时保温，得到了兼具超高强度和良好韧性的纳米贝氏体钢，其极限抗拉强度超过2.2gpa，同时具有一定的延伸率(5～30％)。研究表面，这种纳米贝氏体钢主要由超细的纳米尺度贝氏体铁素体和两种不同形貌的残余奥氏体组成，一种是介于贝氏体铁素体之间的薄膜状残余奥氏体，由于其高碳的特性，在应变过程中不易发生相变，可以有效提高材料塑型；另一种分布于贝氏体束之间的块状残余奥氏体，在应变过程中将发生形变诱导马氏体相变，对材料塑型有害。

2、细化组织晶粒尺寸，制备细晶以及超细晶材料是一种能使材料在保持一定塑性的前提下提高其强度的有效途径，从而克服材料的强度-塑性“倒置”问题，即材料强度的提高往往需要牺牲一定的塑性。通过各种变形工艺可以在钢中制备获得细晶以及超细晶组织，实现了优异的力学性能。在各种方法中，大变形温轧是一种最适合应用于实际工业生产的晶粒细化途径，通过大变形温轧，可以获得具有高密度位错的超细晶组织，从而实现材料的高强高韧。

3、由于大变形温轧时奥氏体处于ac1温度以下，属于亚稳状态，需要通过合理的合金成分调控，实现奥氏体的相对稳定性。cr、ni、mn是典型的奥氏体稳定元素，通过添加一定量的cr、ni、mn可以使材料在加工时不发生相变，有效扩大温轧的加工区间，从而实现加工后材料组织和性能的均匀稳定。通过添加cr、mo等强碳化物形成元素，结合形变热处理工艺即可在材料中引入细小弥散的纳米级析出，从而显著提高材料的力学性能。

4、“一种超高强度中碳纳米贝氏体钢的制备方法”(cn112981277a)采用对获得的贝氏体钢进行室温轧制的方法，使部分块状残余奥氏体发生形变诱导相变，从而减少了稳定性较差残余奥氏体体积分数，避免了应变早期阶段材料中的残余奥氏体受形变诱导相变效应作用而转变为硬脆的马氏体而导致失效，提高了材料的力学性能。但该方法涉及室温轧制，由于中高碳钢硬度脆性较大，故不适用于该制备方法。

5、“一种热稳定性良好含铌纳米贝氏体钢的制备方法”(cn112981215a)通过添加少量铌元素，不仅加速了贝氏体相变，而且也显著提高了纳米贝氏体在高温区的力学稳定性。但该方法采用了工业生产中价格昂贵的铌元素，提高了生产成本。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述方法中存在的缺陷而提供的一种超细组织贝氏体钢的制备方法，本发明采用高碳低合金钢，避开使用工业生产中价格昂贵的co，nb等金属元素，生产成本低廉，工艺路径可控，通过适配的多道次温轧-配分工艺获得了含有纳米析出的纳米贝氏体钢，其贝氏体铁素体体积分数大于60％，针状贝氏体厚度≤200nm，超细残余奥氏体等效尺寸≤1.0μm，并且组织中分布有等效尺寸≤100nm的纳米级析出相，实现了较高的强度和优异的均匀延伸率，其屈服强度不低于1000mpa，抗拉强度不低于1900mpa，均匀延伸率不低于10.0％。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案是：

3、一种超细组织贝氏体钢包含以下质量百分含量的元素：c:0.72～0.98％,si:1.40～1.67％,mn:1.75～2.10％,p≤0.005％,s≤0.005％,cr:0.90～1.34％,ni:1.30～1.60％,mo:0.20～0.30％，其余为fe和不可避免的杂质。

4、进一步地，一种超细组织贝氏体钢包含以下质量百分含量的元素：c:0.78～0.80％,si:1.49～1.57％,mn:1.89～1.90％,p≤0.005％,s≤0.005％,cr:0.97～1.06％,ni:1.35～1.37％,mo:0.24～0.30％,其余为fe和不可避免的杂质,其中，为控制生产成本，本发明优化后的合金总质量百分含量不高于7％，为引入纳米析出作为强化相，本发明优化后的合金加入一定量的cr、mo作为强碳化物形成元素，cr+mo质量百分含量不小于1.3％，为扩大强烈温变形的加工区域，并保证贝氏体相变时间不会过长，本发明优化后的合金成分控制奥氏体稳定元素mn+cr+ni质量百分含量不小于4.0％，不大于4.4％。

5、本发明提供了一种超细组织贝氏体钢的制备方法，包括以下步骤：合金熔炼、均匀化处理及开坯、高温轧制、奥氏体化及强烈温变形处理、低温长时等温淬火、配分处理，具体步骤如下：

6、步骤(1)合金熔炼：按照所述成分进行配料，利用真空感应炉均匀搅动熔炼，浇铸成铸锭；

7、步骤(2)均匀化处理及开坯：步骤(1)得到的铸锭在1150～1300℃进行均匀化处理，保温时间不少于4.0h，然后炉冷至室温，得到组织和性能均匀的铸坯。对得到的铸坯进行锻造，开锻温度不低于1200℃，进行多次墩拔，最终获得板坯。

8、步骤(3)高温轧制：将步骤(2)获得的板坯在真空或氩气保护热炉中加热至1000～1200℃，保温2.0～5.0h后热轧，终轧温度不低于900℃，累积变形量大于50％，轧制后空冷至室温，最终获得厚度20～30mm的板材。

9、步骤(4)奥氏体化及强烈温变形处理：将步骤(3)得到的板材在950～1150℃保温30～60min，空冷待温至600～700℃进行3～4道次大变形轧制，累积变形量在70％以上。

10、步骤(5)等温贝氏体转变热处理：将步骤(4)得到的板材冷却至200～350℃进行恒温保温，保温时间为8.0～10.0h，空冷至室温。

11、步骤(6)配分处理：将步骤(5)得到的板材在200～350℃进行碳配分处理，配分时间为4.0～16.0h，空冷至室温。

12、进一步地，步骤(1)中所述的合金熔炼采用的熔炼方法是真空感应加电渣重熔两者结合。

13、进一步地，步骤(4)中所述的强烈温变形处理的轧制方法为2道次连续同步轧制加2道次连续异步轧制。

14、更进一步地，步骤(4)中所述的强烈温变形处理是同步轧制和异步轧制交替进行，每道次变形量不小于15％，累积变形量不小于80％。

15、进一步地，步骤(5)中等温贝氏体转变热处理中淬火所采用的冷却方式为硝酸铵盐淬，冷却速度≥100℃/s。

16、更进一步地，步骤(5)等温贝氏体转变热处理所选择的保温温度为200～250℃。

17、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

18、1、本发明制备获得的材料具有非常优异的综合力学性能，屈服强度超过1000mpa，极限抗拉强度超过1900mpa，均匀延伸率达10.0％。该材料可以取代一些高成本高合金钢广泛应用于耐磨材料和承力结构件。

19、2、本发明所采用的加工制备工艺相对简单，与其他大变形技术中使用的低温动态变形、等径角挤压、异步轧制等特殊加工工艺相比，本发明所采用的的中温轧制手段更易在工业生产中实施。

20、3、本发明所述的一种超细组织贝氏体钢，其奥氏体在温变形温度区间内相对稳定，便于进行强烈温变形加工。