具有優(yōu)異低溫沖擊韌性的低屈強(qiáng)比高強(qiáng)韌厚鋼板及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種厚鋼板及其制造方法，尤其涉及一種高強(qiáng)韌厚鋼板及其制造方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 用于工程機(jī)械、煤礦機(jī)械、港口機(jī)械和橋梁的鋼板通常需要具有良好的強(qiáng)韌性，以 具備實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)受力和受沖擊載荷時(shí)保持穩(wěn)定工作狀態(tài)的能力。為了保證大型機(jī)械、潛水器、 橋梁用鋼的安全性和穩(wěn)定性，一般采用屈服強(qiáng)度為基礎(chǔ)，除以一定的安全系數(shù)來(lái)選用鋼材。 屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度之比稱(chēng)為屈強(qiáng)比。在工程應(yīng)用中，屈強(qiáng)比主要體現(xiàn)為：當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)在受到 超過(guò)屈服強(qiáng)度的極限應(yīng)力時(shí)，鋼板從屈服開(kāi)始到完全失效過(guò)程的安全性系數(shù)。鋼板的屈強(qiáng) 比較低，當(dāng)鋼板受到高于屈服強(qiáng)度的應(yīng)力時(shí)，在應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度導(dǎo)致材料斷裂或結(jié)構(gòu)失 穩(wěn)之前，有較寬的安全范圍。鋼板的屈強(qiáng)比過(guò)高，當(dāng)鋼板在達(dá)到屈服強(qiáng)度之后，迅速達(dá)到抗 拉強(qiáng)度而發(fā)生斷裂。因此，在對(duì)鋼結(jié)構(gòu)安全性要求高的場(chǎng)合，需采用具有較低屈服強(qiáng)度的鋼 板。如果鋼板用以建造在高煒度極寒地區(qū)使用的裝備和結(jié)構(gòu)，需要具有高強(qiáng)度之外，同時(shí)需 在極寒溫度下（-80°c)具有良好的低溫沖擊韌性，避免裝備在收到?jīng)_擊時(shí)發(fā)生脆斷。同時(shí)， 為了保證鋼結(jié)構(gòu)在極寒溫度下和高性能要求場(chǎng)合的安全性，需采用兼具高強(qiáng)度和低屈強(qiáng)比 的鋼材。
[0003] 鋼板的屈服現(xiàn)象明顯時(shí)，屈服強(qiáng)度采用上屈服強(qiáng)度、下屈服強(qiáng)度；鋼板的屈服現(xiàn)象 不明顯時(shí)，采用0. 2%塑性變形的強(qiáng)度Rpa2作為屈服強(qiáng)度。低碳鋼板的上屈服強(qiáng)度是由于 間隙原子在位錯(cuò)附近形成柯垂?fàn)枤鈭F(tuán)，阻礙位錯(cuò)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。位錯(cuò)開(kāi)動(dòng)之后，柯垂?fàn)枤鈭F(tuán)的作 用消失，需要在鋼板上施加的力下降，形成下屈服。如果位錯(cuò)開(kāi)動(dòng)包括了柯垂?fàn)枤鈭F(tuán)及位錯(cuò) 環(huán)和位錯(cuò)墻的交互作用，則屈服現(xiàn)象不明顯。屈服強(qiáng)度代表著大尺度范圍位錯(cuò)增殖和運(yùn)動(dòng) 而使滑移帶變寬的應(yīng)力?，F(xiàn)有技術(shù)中認(rèn)為屈服強(qiáng)度是可運(yùn)動(dòng)的刃型位錯(cuò)全部滑出晶體對(duì)應(yīng) 的應(yīng)力?？估瓘?qiáng)度是材料在拉伸過(guò)程中可抵抗的最大應(yīng)力，通常伴隨著微裂紋的形核長(zhǎng)大 和擴(kuò)展。鋼板強(qiáng)度增加時(shí)，由于組織細(xì)化，位錯(cuò)密度高，受到?jīng)_擊作用時(shí)吸收的能量較低，此 類(lèi)鋼板韌性降低。同時(shí)，由于鋼板強(qiáng)度較高，屈強(qiáng)比難以有效降低到〇. 8以下。
[0004][0005][0006]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種具有優(yōu)異低溫沖擊韌性的低屈強(qiáng)比高強(qiáng)韌厚鋼板，其 具有較大的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率以及較小的屈強(qiáng)比，并且具備了良好的低溫韌性。 由此，本發(fā)明所述的鋼板兼具良好的高強(qiáng)韌性和低屈強(qiáng)比。
[0008] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種具有優(yōu)異低溫沖擊韌性的低屈強(qiáng)比高強(qiáng)韌 厚鋼板，其化學(xué)元素質(zhì)量百分比含量為：
[0009] C：0. 05-0. 11% ；
[0010] Si：0. 10-0. 40% ；
[0011] Mn：1. 60-2. 20% ；
[0012] S彡 0.003%;
[0013] Cr：0. 20-0. 70% ；
[0014] Mo：0. 20-0. 80% ；
[0015] Nb：0. 02-0. 06% ；
[0016] Ni：3. 60-5. 50% ；
[0017] Ti：0. 01-0. 05% ；
[0018] A1 ：0. 01-0. 08% ；
[0019] OK0.0060%;
[0020] 0 < 0 ^ 0. 0040% ；
[0021] 0 <Ca彡0? 0045%，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)；
[0022] 此外，Ni和Mn元素還滿(mǎn)足：Ni+Mn彡5. 5。
[0023] 本發(fā)明所述的具有優(yōu)異低溫沖擊韌性的低屈強(qiáng)比高強(qiáng)韌厚鋼板中的各化學(xué)元素 的設(shè)計(jì)原理為：
[0024] C:C元素在鋼中添加量的變化會(huì)導(dǎo)致鋼板發(fā)生相變的類(lèi)型不同。如果C元素和合 金元素含量較低，就發(fā)生鐵素體、珠光體等擴(kuò)散型相變。如果C元素和合金元素含量較高， 則會(huì)發(fā)生馬氏體相變。C原子的增加可使得奧氏體穩(wěn)定性增加，然而，C元素含量過(guò)高，則會(huì) 導(dǎo)致鋼板的塑性和韌性下降。在直接淬火過(guò)程中，C的含量過(guò)低會(huì)無(wú)法在鋼板中形成具有 高強(qiáng)度的組織。綜合C元素對(duì)鋼板的強(qiáng)韌性和強(qiáng)塑性的影響，本發(fā)明所述的具有優(yōu)異低溫 沖擊韌性的低屈強(qiáng)比高強(qiáng)韌厚鋼板中的C含量應(yīng)當(dāng)控制為：0. 05wt.C< 0.llwt. %。
[0025] Si:添加到鋼中的Si元素通過(guò)置換原子固溶強(qiáng)化提高鋼板的強(qiáng)度，但是，過(guò)高含 量的Si會(huì)增加鋼板焊接時(shí)的熱裂紋傾向。為此，本發(fā)明的具有優(yōu)異低溫沖擊韌性的低屈強(qiáng) 比高強(qiáng)韌厚鋼板中的Si含量控制在0. 10~0. 40wt. %的范圍之間。
[0026] Mn:Mn通過(guò)固溶強(qiáng)化來(lái)提高鋼板的強(qiáng)韌性。另外，Mn是奧氏體穩(wěn)定化元素，以有利 于擴(kuò)大奧氏體相區(qū)。本發(fā)明的技術(shù)方案中，聯(lián)合加入Ni、Mn和C，并控制回火過(guò)程中的奧氏 體相區(qū)，使得鋼板在回火時(shí)形成逆轉(zhuǎn)變奧氏體。與此同時(shí)，在馬氏體中的Mn元素還可以提 高抗拉強(qiáng)度。逆轉(zhuǎn)奧氏體和馬氏體雙相組織可有效降低鋼板的屈強(qiáng)比。由此，基于本發(fā)明 的技術(shù)方案，應(yīng)當(dāng)將鋼板中的Mn元素的質(zhì)量百分含量設(shè)定為1.60~2. 20%，從而來(lái)調(diào)節(jié)鋼 板的屈強(qiáng)比和強(qiáng)韌性。
[0027]S:S在鋼中會(huì)形成硫化物，其會(huì)降低鋼板的低溫沖擊韌性。在本發(fā)明所述的鋼板 中，S元素是需要控制的雜質(zhì)元素，可以采用Ca化處理球化硫化物，以降低S對(duì)低溫沖擊韌 性的影響。對(duì)于本發(fā)明的具有優(yōu)異低溫沖擊韌性的低屈強(qiáng)比高強(qiáng)韌厚鋼板來(lái)說(shuō)，S的含量 不超過(guò) 0. 003wt. %。
[0028] Cr:Cr可以提高鋼板的淬透性，使得鋼板在冷卻時(shí)形成馬氏體組織。Cr含量過(guò) 高就會(huì)增加鋼板的碳當(dāng)量，惡化焊接性?？紤]到鋼板厚度因素，需要添加適量的Cr，為此， 本發(fā)明的具有優(yōu)異低溫沖擊韌性的低屈強(qiáng)比高強(qiáng)韌厚鋼板中的Cr含量控制為0. 20~ 0. 70wt. %。
[0029] Mo:Mo可以有效地抑制擴(kuò)散性相變，使得鋼板在冷卻時(shí)形成強(qiáng)度較高的低溫相變 組織。若Mo含量過(guò)低時(shí)，對(duì)鋼板擴(kuò)散性相變抑制的效果未能充分發(fā)揮，使得鋼板在冷卻時(shí) 不能得到更多的馬氏體組織，從而會(huì)降低鋼板的強(qiáng)度。若Mo含量過(guò)高時(shí)，導(dǎo)致碳當(dāng)量增加， 惡化焊接性能。考慮到鋼板的厚度因素，需要控制鋼板中的Mo含量為0. 20~0. 80wt. %。
[0030] Nb:添加到鋼中的Nb可以抑制奧氏體晶界運(yùn)動(dòng)，使鋼板在較高溫度發(fā)生再結(jié)晶。 在較高溫度奧氏體化時(shí)固溶到奧氏體中的Nb會(huì)在軋制時(shí)因應(yīng)變誘導(dǎo)析出效應(yīng)，在位錯(cuò)和 晶界處形成NbC顆粒，抑制晶界運(yùn)動(dòng)，提尚鋼板強(qiáng)初性。然而，一旦Nb含量過(guò)尚，則有可能 形成粗大的NbC，惡化鋼板的低溫沖擊性能。因此，在本發(fā)明的高強(qiáng)韌厚鋼板中加入的Nb的 含量應(yīng)當(dāng)控制為0. 02~0. 06wt. %，以有效地控制鋼板的力學(xué)性能。
[0031] Ni:Ni在鋼中可以與Fe形成固溶體，通過(guò)降低晶格的層錯(cuò)能提尚鋼板初性。為了 獲得具有良好低溫韌性的高強(qiáng)韌厚鋼板，需要在鋼板中添加一定的Ni。Ni會(huì)增加奧氏體的 穩(wěn)定性，使得鋼板在冷卻過(guò)程中形成馬氏體和殘余奧氏體組織，降低屈強(qiáng)比。不過(guò)，Ni含量 增加，會(huì)使鋼板在回火過(guò)程中形成逆轉(zhuǎn)奧氏體組織，逆轉(zhuǎn)奧氏體和馬氏體會(huì)降低鋼板的屈 強(qiáng)比。為此，本發(fā)明所述的具有優(yōu)異低溫沖擊韌性的低屈強(qiáng)比高強(qiáng)韌厚鋼板中的Ni含量應(yīng) 控制為 3. 60 ~5. 50wt. %。
[0032] Ti:Ti會(huì)在鋼液中與N形成鈦氮化物，隨后在較低的溫度范圍成氧化物和碳化物。 但是，Ti含量過(guò)高則會(huì)導(dǎo)致鋼液中形成粗大的TiN。TiN顆粒為立方形，顆粒的角部容易導(dǎo) 致應(yīng)力集中，稱(chēng)為裂紋的形成源。綜合考慮Ti在鋼板中的添加作用，將本發(fā)明的具有優(yōu)異 低溫沖擊韌性的低屈強(qiáng)比高強(qiáng)韌厚鋼板中的Ti含量控制在0. 01~0. 05wt. %范圍之間。
[0033] A1 :加入鋼中的A1，通過(guò)形成氧化物和氮化物來(lái)細(xì)化晶粒。為了提高鋼板的韌性 并保證其焊接性能，將本發(fā)明的具有優(yōu)異低溫沖擊韌性的低屈強(qiáng)比高強(qiáng)韌厚鋼板中的A1 含量需要控制為〇? 01~〇? 〇8wt. %。
[0034] N:在本發(fā)明的技術(shù)方案中，N是需要控制的添加元素。N能夠與Ti和Nb形成氮 化物。在奧氏體化過(guò)程中，鋼板中未溶解的氮化物會(huì)阻礙奧氏體晶界運(yùn)動(dòng)，達(dá)到細(xì)化奧氏 體晶粒的效果。如果N元素含量過(guò)高，N與Ti則會(huì)形成粗大的TiN，惡化鋼板的力學(xué)性能。 與此同時(shí)，N原子還會(huì)在鋼中的缺陷處富集，形成氣孔和疏松。因而，N含量應(yīng)當(dāng)控制為0 < N彡 0. 0060wt. %。
[0035] 0 :0在鋼中與Al、Si和Ti形成氧化物。鋼板在加熱奧氏體化過(guò)程中，A1的氧化 物會(huì)起到抑制奧氏體長(zhǎng)大，細(xì)化晶粒的作用。不過(guò)，〇含量較多的鋼板在焊接時(shí)具有熱裂 紋傾向，所以需要將具有優(yōu)異低溫沖擊韌性的低屈強(qiáng)比高強(qiáng)韌厚鋼板中的0含量控制為0 < 0 彡 0. 0040wt. %。
[0036] Ca:Ca加入鋼中會(huì)形成CaS，起到球化硫化物的作用，提高鋼板的低溫沖擊韌性。 因此，本發(fā)明的高