本發(fā)明屬于鋼鐵材料制備，特別涉及一種抗包申格效應(yīng)優(yōu)良的1000mpa海工用鋼板及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、自21世紀(jì)伊始，船舶及海洋工程領(lǐng)域迎來了迅猛的發(fā)展。特別是隨著北極航線的開放和寒帶海洋資源的勘探開發(fā)，對相關(guān)技術(shù)和設(shè)備的挑戰(zhàn)日益嚴(yán)峻。北極地區(qū)蘊藏著豐富的石油、天然氣等能源，其開發(fā)利用為全球能源結(jié)構(gòu)帶來了新的變革機(jī)遇。然而，這一區(qū)域極端的氣候條件，如低溫、強(qiáng)腐蝕性環(huán)境，對船舶和海洋工程裝備提出了更為苛刻的性能要求，包括必須具備更強(qiáng)的抗包申格效應(yīng)、抗低溫、抗腐蝕、抗疲勞等特性。在這一背景下，海工用鋼材料的研究和開發(fā)變得尤為關(guān)鍵。新型海工用鋼不僅要能夠承受極端環(huán)境下的力學(xué)載荷影響，還需具備良好的抗形變性能、焊接性能、抗腐蝕能力以及足夠的低溫韌性。目前，研究集中在微合金化技術(shù)、控制軋制冷卻及熱處理工藝等方面，旨在通過這些先進(jìn)技術(shù)提升材料的抗形變性、抗腐蝕性和其他綜合性能。

2、海洋工程平臺在服役過程中，面臨著復(fù)雜的海洋環(huán)境挑戰(zhàn)。除了常規(guī)的力學(xué)負(fù)荷外，還需抵御風(fēng)浪、潮汐、冰沖擊、地震等自然因素的考驗。這些因素對材料的選擇提出了特殊要求，尤其是在高鹽、潮濕的海洋氣候中，鋼板容易受到腐蝕和生物附著，導(dǎo)致性能下降和壽命縮短。因此，開發(fā)出能夠在極端海洋環(huán)境中穩(wěn)定工作的高品質(zhì)海洋工程用超高強(qiáng)鋼顯得尤為迫切。這種鋼材需要具備高強(qiáng)度、超低溫韌性、抗包申格效應(yīng)、優(yōu)異的抗疲勞性能、易焊接性、良好的耐蝕性和抗海洋生物附著能力，以確保海洋工程平臺的長期穩(wěn)定運行。

3、目前，現(xiàn)有海洋工程用鋼已能滿足海工領(lǐng)域市場的大部分需求，但更低韌脆轉(zhuǎn)變溫度、優(yōu)良抗形變性能的特殊鋼材仍是世界各國的發(fā)展的目標(biāo)，高服役安全性的高強(qiáng)鋼板的研發(fā)難度高，生產(chǎn)工藝嚴(yán)格，對設(shè)備要求高，開發(fā)難度大。

4、公開號為cn1922337b的發(fā)明專利《包申格效應(yīng)的體現(xiàn)小的鋼板或鋼管及其制造方法》提出了一種僅含c、si、mn、p、s元素的低包申格效應(yīng)鋼管，在化學(xué)成分和生產(chǎn)工藝方面，都無法解決大厚度超高強(qiáng)度級別鋼板的低包申格效應(yīng)問題。公開號為cn102560254b的發(fā)明專利《一種低包申格效應(yīng)及低應(yīng)變時效效應(yīng)鋼管的制造方法》提出了一種屈服強(qiáng)度480-700mpa的抗包申格效應(yīng)鋼管，采用cr+cu+nb+v合金成分，無法生產(chǎn)大厚度超高強(qiáng)度級別低包申格效應(yīng)鋼板。因此，研究開發(fā)一種適用于嚴(yán)苛環(huán)境海洋工程領(lǐng)域的抗包申格效應(yīng)大厚度1000mpa級超高強(qiáng)度海工鋼板成為當(dāng)前亟待研究的重要課題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、鑒于此，本發(fā)明的目的是提供了一種抗包申格效應(yīng)優(yōu)良的1000mpa海工用鋼板及其制備方法，本發(fā)明制備的海工用鋼板的最大厚度可達(dá)50mm，有效晶粒尺寸2～7μm，屈服強(qiáng)度≥1000mpa，抗拉強(qiáng)度1030～1250mpa，延伸率≥16％，均勻變形延伸率≥6％，-60℃夏比沖擊功≥120j，2％殘余應(yīng)變時，包申格效應(yīng)比≥0.9，其力學(xué)性能、高服役安全性能完全可以滿足海洋工程設(shè)備服役要求。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明提供一種抗包申格效應(yīng)優(yōu)良的1000mpa海工用鋼板，按重量百分比計，包括以下組分c：0.06％～0.14％，si：0.15％～0.4％，mn：0.9％～1.3％，p≤0.02％，s≤0.01％,als：0.02％～0.06％，ni：7.0％～12.0％，cr：0.3％～0.45％，mo：0.3％～0.65％，cu：0.3％～1.2％，nb：0.03％～0.08％，v：0.08％～0.18％，ti：0.01％～0.025％，其余為fe和不可避免的雜質(zhì)，ceq為1.0～1.4。

4、鋼中各化學(xué)元素的作用機(jī)理如下：

5、c作為鋼中提高鋼板強(qiáng)度和硬度的重要元素，c含量過低是會導(dǎo)致c固溶含量和碳化物含量降低，鋼板強(qiáng)度和剛度不足，抗包申格效應(yīng)能力較差。c含量過高將產(chǎn)生過量淬硬組織，鋼板韌性降低，所以精確控制c元素含量在0.06％～0.14％。

6、si可提高鋼板的強(qiáng)度、耐磨性，適當(dāng)加入si元素可以提高鋼材的剛度，同時si可減少o含量，si含量低于0.15％時脫氧效果不明顯，si含量大于0.4％時會導(dǎo)致低溫韌性較差，本發(fā)明si含量為0.15％～0.4％。

7、mn元素可大量固溶于fe基體中，提高鋼板強(qiáng)度，mn含量低于0.9％時對大厚度鋼板強(qiáng)度貢獻(xiàn)較小，同時mn是擴(kuò)大奧氏體相區(qū)元素，提高奧氏體穩(wěn)定性，本專利采用潔凈化冶煉可以適當(dāng)增加mn元素含量，起到提高鋼板均勻變形延伸率的作用，當(dāng)mn元素質(zhì)量百分含量大于1.3％時，偏析又會使得厚板芯部的低溫韌性較差，本發(fā)明mn含量為0.9％～1.3％。

8、p、s元素對鋼板的力學(xué)性能特別是抗疲勞性能沒有益處，應(yīng)控制p≤0.02％，s≤0.01％。

9、al是鋼中主要的脫氧元素，當(dāng)al含量過低時v、ti等微合金元素因被氧化無法起到細(xì)化晶粒的目的；相反al元素過高則形成大型夾雜物，本發(fā)明als含量為0.02％～0.06％。

10、ni的作用是改善鋼板韌性和熱加工性，大量加入可以獲得較低的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，提高鋼板韌塑性，同時ni元素的加入可以改善cu元素在鋼中的熱裂傾向，ni元素具有一定的抗點蝕作用，本發(fā)明ni含量為7.0％～12.0％。

11、cr元素在鋼中可以有效的提高鋼板強(qiáng)度和剛度；適當(dāng)提高cr含量，可以提高鋼板均勻變形能力，但是cr含量過高會降低鋼板沖擊韌性，本發(fā)明cr含量為0.3％～0.45％。

12、mo元素可以提高鋼板的淬透性，同時mo元素在鋼中可以形成細(xì)小碳化物，能有效提高鋼板屈服強(qiáng)度，同時，熱處理鋼板中添加適量mo元素可以提升鋼板韌性，本發(fā)明mo含量為0.3％～0.65％。

13、cu元素是本發(fā)明添加的重要元素，在鋼中可以提高鋼板的強(qiáng)度，cu元素可以在鋼中與ni元素共同作用，降低鋼板韌脆轉(zhuǎn)變溫度，單獨加入過量的cu元素會造成熱脆性，鋼板表面質(zhì)量下降，且鋼板低溫韌性下降，但是本發(fā)明中添加了大量ni元素，結(jié)合本發(fā)明中的加熱軋制工藝，可以有效避免cu脆問題，發(fā)揮cu元素的作用。本發(fā)明cu元素含量為0.3％～1.2％。

14、nb是本發(fā)明主要添加元素，提高鋼板強(qiáng)韌性的同時改善鋼板彈性變形范圍內(nèi)均勻變形能力。加熱時未溶解的nb的c、n化物顆粒分布在奧氏體晶界上，可阻礙鋼在加熱時奧氏體晶粒長大，細(xì)化晶粒，同時改善耐疲勞性能和韌性，進(jìn)而提高鋼板的抗包申格效應(yīng)；在鋼板冷卻過程中，nb(cn)大量析出，進(jìn)一步促進(jìn)位錯纏結(jié)、細(xì)化晶粒。在本發(fā)明中nb含量為0.03％～0.08％。

15、v元素可以在基體中形成v(c,n)粒子，可以起到細(xì)化晶粒的作用，v元素的加入可以提升鋼板抗包申格效應(yīng)。本發(fā)明v含量為0.08％～0.18％。

16、ti元素的加入是為了使ti、n形成tin，阻止鋼坯在加熱、軋制過程中晶粒的長大，可以提升鋼板強(qiáng)度和均勻彈性變形能力，超過0.025％時，將會使鋼的韌性惡化。故在本發(fā)明中ti含量為0.01％～0.025％。

17、基于上述技術(shù)方案，進(jìn)一步地，所述的海工用鋼板的厚度為10～50mm，有效晶粒尺寸2～7μm，金相組織為回火馬氏體和殘余奧氏體，殘余奧氏體的比例為2～5％，屈服強(qiáng)度≥1000mpa，抗拉強(qiáng)度1030～1250mpa，延伸率≥16％，均勻變形延伸率≥6％，-60℃夏比沖擊功≥120j，2％殘余應(yīng)變時，包申格效應(yīng)比≥0.9。

18、本發(fā)明還提供上述的抗包申格效應(yīng)優(yōu)良的1000mpa海工用鋼板的制備方法，包括如下步驟：

19、(1)加熱：將鑄坯在爐溫600～700℃下裝入加熱爐，保溫60～90min，目的是使鋼坯在低溫階段保持特厚坯料厚度方向溫度一致，避免cr、cu元素受熱不均造成坯料內(nèi)部缺陷產(chǎn)生；升溫至加熱段溫度，加熱段溫度1190～1260℃，加熱段保溫時間2～10h，均熱保溫的目的是在保證微合金的c/n化物充分溶解的同時，避免鑄態(tài)組織異常長大、避免坯料中高cu高mn含量造成表面缺陷；

20、(2)軋制：采用兩階段控軋工藝，一階段開軋溫度為1150～1250℃，一階段單道次軋制平均壓下量為10～15mm，一階段總壓下率≥40％，高溫一階段的軋制目的在于利用材料在高溫時的良好塑性，此時坯料芯部溫度較高而表面溫度較低，硬化程度不明顯，因此可以進(jìn)行大壓下量軋制，這種軋制方式有助于破壞坯料芯部的柱狀組織，增加芯部組織的形變，從而改善材料的微觀結(jié)構(gòu)；軋制得到的中間坯的冷卻工藝同樣重要，控制在5-8℃/s的冷卻速率進(jìn)行水冷，可以有效提高鋼板的軋制生產(chǎn)效率；此外，適當(dāng)縮短中間坯的冷卻時間，可以防止坯料芯部的組織晶粒在冷卻過程中重新長大；重新長大的晶粒會削弱第一階段軋制中坯料芯部晶粒形變積累的效果，進(jìn)而影響鋼板的低溫沖擊韌性和抗疲勞性能；因此，中間坯冷卻工藝的優(yōu)化對于保證最終產(chǎn)品的性能至關(guān)重要；

21、二階段開軋溫度890～1000℃，二階段單道次軋制平均壓下量為6～15mm，二階段累計壓下率≥45％，終軋溫度為≥850℃；第二階段低溫軋制目的是利用表面溫度下降較多，增加鋼板芯部變形量，改善鋼板芯部晶粒尺寸，促進(jìn)奧氏體晶粒扁平化、細(xì)小化；利用ni、cu、nb、v等合金元素共同作用，起到細(xì)晶強(qiáng)化改善位錯密度，提高鋼板屈服強(qiáng)度和彈性變形均勻性，而單道次壓下率和軋制溫度對晶粒細(xì)化和c/n化物均勻析出最為重要；

22、(3)調(diào)質(zhì)：包括亞溫淬火、淬火和回火，亞溫淬火溫度590～760℃，亞溫淬火保溫時間1～5min/mm，淬火溫度800～900℃，淬火保溫時間1～2min/mm，淬火冷卻速率5～20℃/s，回火溫度500～600℃，回火保溫時間150～250min；亞溫淬火的主要目的是在鋼中形成殘余奧氏體，這有助于提高鋼板在低溫條件下的韌性。通過控制加熱溫度，亞溫淬火避免了奧氏體晶粒的過度長大，從而在淬火過程中保持了材料的微觀結(jié)構(gòu)完整性，這有助于提高材料的韌性并減少脆性。高溫淬火則是為了確保鋼的微觀結(jié)構(gòu)能夠充分轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，這是淬火過程中形成馬氏體的前提。通過在適當(dāng)?shù)臏囟认逻M(jìn)行快速冷卻，可以促進(jìn)組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，從而提高鋼板的硬度和強(qiáng)度。亞溫淬火與高溫淬火工藝相結(jié)合，可以更好的起到細(xì)化晶粒的作用。通過晶界強(qiáng)化代替位錯強(qiáng)化的方法，從而避免因預(yù)先受載產(chǎn)生少量塑性變形，位錯沿某滑移面運動而形成位錯纏結(jié)或胞狀組織。這種位錯移動在卸載后施加反向力，位錯被迫作反向運動，因為在反向路徑上障礙較少，位錯可以在較低應(yīng)力下移動較大距離，就會造成明顯的包申格效應(yīng)。本發(fā)明采用特別細(xì)小的微觀晶粒組織形成的晶界強(qiáng)化代替常規(guī)的位錯強(qiáng)化機(jī)制，可以顯著的降低鋼板在受力后的包申格效應(yīng)。同時，高溫淬火需要在不引起鋼板開裂或變形的情況下進(jìn)行，以確保材料的完整性和加工性能；高溫回火是淬火后的一個關(guān)鍵步驟，它通過調(diào)整回火溫度和保溫時間，可以優(yōu)化基體組織并促進(jìn)第二相的析出。這種處理方式有助于降低鋼板的強(qiáng)度和硬度，同時提高其塑性和韌性。充分的回火處理能夠使回火轉(zhuǎn)變產(chǎn)物盡可能完成轉(zhuǎn)變，從而達(dá)到改善材料綜合性能的目的。

23、基于上述技術(shù)方案，進(jìn)一步地，步驟(1)中所述升溫過程的升溫速率控制在1.5～5℃/min，避免鋼坯受熱過快導(dǎo)致鋼坯內(nèi)外應(yīng)力過大造成裂紋缺陷。

24、基于上述技術(shù)方案，進(jìn)一步地，步驟(1)中加熱段溫度1200～1250℃，加熱段保溫時間3～7h。

25、基于上述技術(shù)方案，進(jìn)一步地，步驟(2)中一階段開軋溫度為1170～1230℃，一階段總壓下率控制在40～55％。

26、基于上述技術(shù)方案，進(jìn)一步地，步驟(2)中二階段開軋溫度900～980℃，二階段總壓下率控制在45～60％，終軋溫度為850～930℃。

27、基于上述技術(shù)方案，進(jìn)一步地，步驟(3)中亞溫淬火溫度600～750℃，亞溫淬火保溫時間1～2min/mm，淬火溫度820～880℃，淬火保溫時間1～1.5min/mm，淬火冷卻速率6～15℃/s，回火溫度500～580℃，回火保溫時間180～250min。

28、基于上述技術(shù)方案，進(jìn)一步地，步驟(1)中所述的鑄坯的制備包括如下步驟：將鋼水通過轉(zhuǎn)爐、lf爐、rh或vd爐精煉，進(jìn)一步降低p、s和非金屬夾雜物含量，連鑄成鑄坯，連鑄過程全程保護(hù)澆鑄。

29、本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有的有益效果如下：

30、針對極寒深海海洋環(huán)境對超高強(qiáng)海工鋼的成分性能要求，本發(fā)明利用c、si、mn、ni、cr、mo、cu與微合金元素v、nb、ti相配合的成分設(shè)計，通過合金元素篩選與配比、鋼質(zhì)潔凈度控制、高效軋制工藝優(yōu)化等多個方面進(jìn)行了大量系統(tǒng)的研究，通過調(diào)質(zhì)工藝中亞溫淬火與高溫淬火工藝相結(jié)合，可以更好的起到細(xì)化晶粒的作用，細(xì)小的微觀晶粒組織形成的晶界強(qiáng)化代替常規(guī)的位錯強(qiáng)化機(jī)制，可以顯著的降低鋼板在受力后的包申格效應(yīng)，制備得到的最大厚度50mm的抗包申格效應(yīng)優(yōu)良的1000mpa海工用鋼板具有優(yōu)良的強(qiáng)韌性能和抗包申格效應(yīng)性能，鋼板的屈服強(qiáng)度≥1000mpa，抗拉強(qiáng)度1030～1250mpa，延伸率≥16％，均勻變形延伸率≥6％，-60℃夏比沖擊功≥120j，2％殘余應(yīng)變時，包申格效應(yīng)比≥0.9，具有較為廣闊的應(yīng)用前景。