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马氏体+粒状贝氏体复相强化低合金超高强钢组织控制方法

阅读：298发布：2021-02-24

IPRDB可以提供马氏体+粒状贝氏体复相强化低合金超高强钢组织控制方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种马氏体+粒状贝氏体复相强化低合金超高强钢组织控制方法。本发明按照下述步骤进行：1)将完全奥氏体化的Cr-Ni-Mo系低合金超高强度钢试样以10～30℃/s的速度连续冷却到马氏体相变开始温度(Ms)之下40℃至马氏体相变终了温度(Mf)之上80℃之间的某温度T1，在该温度保温5-15s；2)之后以5～10℃/s将试样快速加热到Ms之上、贝氏体相变开始温度(Bs)之下某一温度T2，保温30s～120s；3)最后以10～30℃/s的速度连续快速冷却至室温。本发明工艺简单，仅需通过控制热处理冷却过程即可实现，无需进行回火处理，能耗低，生产成本低。，下面是马氏体+粒状贝氏体复相强化低合金超高强钢组织控制方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种马氏体+粒状贝氏体复相强化低合金超高强钢组织控制方法，其特征是，按照下述步骤进行：

1)将完全奥氏体化的Cr-Ni-Mo低合金超高强度钢试样以10～30℃/s的速度连续冷却到马氏体相变开始温度Ms之下40℃至马氏体相变终了温度Mf之上80℃之间的某温度T1，在该温度保温5-15s；

2)然后以5～10℃/s将试样快速加热到马氏体相变开始温度Ms之上、贝氏体相变开始温度Bs之下某一温度T2，保温30s～120s；

3)最后以10～30℃/s的速度快速连续冷却至室温。

2.权利要求1所述的马氏体+粒状贝氏体复相强化低合金超高强钢组织控制方法，Cr-Ni-Mo低合金超高强度钢成分范围按照以下重量百分比：0.20-0.40％C、0.10-0.50％Si、

0.15-1.00％Mn、0.25-1.50％Cr、1.00-3.50％Ni、0.15-0.90％Mo、0.01-0.20％V、P≤

0.030％、S≤0.030％，余量为Fe。

3.权利要求1所述的马氏体+粒状贝氏体复相强化低合金超高强钢组织控制方法，其特征在于：所述步骤1)中的完全奥氏体化的工艺条件为：以5-10℃/s的加热速度加热到880-

950℃，保温5min，使钢完全奥氏体化。

说明书全文

马氏体+粒状贝氏体复相强化低合金超高强钢组织控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于低合金超高强度钢生产技术领域，涉及一种在Cr-Ni-Mo低合金超高强度钢中通过获得马氏体+粒状贝氏体复相组织来显著提高综合力学性能的组织控制方法。

背景技术

[0002] 为解决国民经济对钢材需求量迅猛增加与日益苛刻的节能环保社会需求之间的矛盾，一个重要的途径就是大力发展超高强度钢，扩大超高强度钢在工业领域中的应用范围，从而降低钢材消耗、降低钢产量，促进社会的可持续发展。超高强度钢习惯是指室温抗拉强度超过1200MPa、屈服强度大于1000MPa的钢。

[0003] 低合金超高强度钢因合金含量低(合金元素总量不超过5％)、价格相对低廉而首当其冲成为最有可能实现大规模应用的超高强钢。Cr-Ni-Mo系低合金超高强度钢因其具有超高强度与韧性的良好配合而成为低合金超高强度钢的典型代表钢种。Cr-Ni-Mo低合金超高强度钢是在调质结构钢的基础上发展起来的，其含碳量通常在0.25～0.45％之间，目前，该类钢种主要还是通过传统的锻轧后淬火+回火方式进行强韧化，获得回火马氏体或回火索氏体组织，达到超高强度性能。然而，强度与塑韧性总是一对矛盾体：若淬火后的回火温度选择低温回火，获得组织为回火马氏体，这种组织虽然能达到超高强度性能要求，但塑韧性往往偏低；若淬火后的回火温度选择高温回火，获得组织为回火索氏体，虽然塑性好，伸长率能达到15％左右，但抗拉强度较低。因此，采用传统淬火+回火的热处理方法难以满足低合金超高强度钢对超高强度和良好塑韧性匹配的要求。通常为了获得足够高的伸长率，需要牺牲抗拉强度，以保证工程应用的安全性。用较高的温度进行回火，抗拉强度就会降低，当伸长率高于15％时，抗拉强度往往仅能达到约1200MPa。基于上述，寻求能同时提高Cr-Ni-Mo系低合金超高强度钢强度和塑性的方法对充分发挥其潜能、扩大超高强度钢在工程中的应用、降低国民经济对钢材产量需求促进社会可持续发展，具有重要实际意义。

[0004] 众所周知，淬火处理主要是为了得到高强度高硬度的马氏体组织，由于马氏体脆性大，之后需要进行不同温度回火处理以改善塑性和韧性。近些年很多先进低合金高强度钢强化所利用的一种重要组织是粒状贝氏体，其特点是岛状马氏体/奥氏体组元分布在铁素体基体上起到强化作用，奥氏体的存在为其提供了良好的塑性组织基础，因此粒状贝氏体是具有良好塑性和韧性的组织。通过正火热处理即可得到，无需回火进行二次处理，而性能方面兼具较高的强度和良好的塑性。在Cr-Ni-Mo系低合金超高强度钢中将这两种组织的优点结合起来，有望开发出针对低合金超高强度钢的能同时提高抗拉强度和塑性的强韧化新工艺。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的技术问题是，克服上述现有技术中存在的不足，提供一种马氏体+粒状贝氏体复相强化低合金超高强钢组织控制方法。

[0006] 本发明马氏体+粒状贝氏体复相强化低合金超高强钢组织控制方法，具体按照下述步骤进行：

[0007] 在Cr-Ni-Mo系低合金超高强度钢中获得马氏体+粒状贝氏体复相组织的热处理工艺：

[0008] 1)将完全奥氏体化的Cr-Ni-Mo系低合金超高强度钢试样以10～30℃/s的速度连续冷却到马氏体相变开始温度(Ms)之下40℃至马氏体相变终了温度(Mf)之上80℃之间的某温度T1，在该温度保温5-15s；2)之后以5～10℃/s将试样快速加热到Ms之上、贝氏体相变开始温度(Bs)之下某一温度T2，保温30s～120s；3)最后以10～30℃/s的速度连续快速冷却至室温。

[0009] Cr-Ni-Mo低合金超高强度钢成分范围按照以下重量百分比：0.20-0.40％C、0.10-0.50％Si、0.15-1.00％Mn、0.25-1.50％Cr、1.00-3.50％Ni、0.15-0.90％Mo、0.01-0.20％V、P≤0.030％、S≤0.030％，余量为Fe。

[0010] 完全奥氏体化的工艺条件为：以5-10℃/s的加热速度加热到880-950℃，保温5min，使钢完全奥氏体化。

[0011] 本发明中，针对成分不同的Cr-Ni-Mo系低合金超高强度钢，Ms、Mf和Bs可以通过线膨胀试验精确测定。T1温度高于马氏体相变终了温度Mf至少80℃，目的是留有足够多的未转变奥氏体用于形成粒状贝氏体，以保证良好塑性。本发明中，将Cr-Ni-Mo系低合金超高强度钢快速冷至Ms～Mf之间某一温度T1后，将发生部分马氏体转变，预先形成的马氏体板条将原奥氏体晶粒分割成无数小领域，之后在高于Ms的温度T2进行保温过程中，剩余的奥氏体发生贝氏体转变，于预先形成的板条马氏体之间形成粒状贝氏体。于是形成了板条马氏体与粒状贝氏体相间分布的复相组织特征，这种复相组织可以使萌生于马氏体中的微裂纹当遇到相邻粒状贝氏体时形成分支，使裂纹扩展所需的能量增大。同时使裂纹尖端应力集中程度降低，需更大的应力才使裂纹失稳扩展，造成裂纹扩展钝化。由于在T2保温过程中，预先形成的板条马氏体中过饱和的碳将通过扩散进入周围残余奥氏体中，还有利于降低先期形成的马氏体脆性。

[0012] 本发明采用的方法不同于Cr-Ni-Mo钢目前普遍采用的传统热处理方法(淬火+回火)。传统热处理方法由于需要进行二次热处理，不但增加能源消耗，而且生产成本高。本发明采用的强化方法中，热处理冷却之后无需回火过程，只需要精确控制冷却过程即可实现强度和韧性同时提高。Cr-Ni-Mo钢采用传统淬火+回火方法获得的组织为回火索氏体(如图2)，获得的抗拉强度约1250MPa，伸长率约为15％。本发明中的热处理方法获得的组织状态为：细的马氏体板条之间夹有粒状贝氏体(如图3)，性能方面在伸长率达到16％的同时至少能保证超过1300MPa抗拉强度。图4所示为利用本发明中的组织控制方法获得的试样经拉断后的扫描断口形貌。可见，本发明中组织控制方法得到的拉伸断口呈现典型的韧窝状，且韧窝尺寸较大，为典型的韧性断裂。而采用传统淬火+回火方法得到的试样拉断后得到的断口为尺寸较小的韧窝状，说明塑性明显低于本发明方法得到的。

[0013] 本发明针对Cr-Ni-Mo低合金超高强钢通过获得马氏体+粒状贝氏体复相组织进行强韧化的组织控制方法还不同于近些年在许多钢中实施的淬火-配分处理(Q-P)。Q-P处理的关键是通过淬火到Ms和Mf温度之间并进行保温使未转变奥氏体稳定化，从而在板条马氏体条间夹杂大量残余奥氏体，获得的性能往往是塑性得到大幅提高，而抗拉强度都不同程度有所下降。而本发明中的组织控制方法所获得组织与Q-P处理完全不同，性能方面既能保证超高强度，又具有高的伸长率。

[0014] 本发明的优点：

[0015] 1)本发明通过精确控制Cr-Ni-Mo系低合金超高强度钢热处理冷却过程而获得马氏体+粒状贝氏体的复相组织，从而在低合金超高强钢中获得较传统淬火+回火处理显著提高的强韧性，能同时提高抗拉强度和塑性，保证综合力学性能。

[0016] 2)工艺简单，无需进行回火处理，能耗低，生产成本低。

[0017] 3)可通过调整T1和T2温度调整马氏体和粒状贝氏体组成比例，从而实现对强度和塑性的调整。

附图说明

[0018] 图1热处理控制冷却工艺示意图；

[0019] 图2Cr-Ni-Mo低合金超高强钢淬火+高温回火组织；

[0020] 图3本发明实施例1中获得的组织：马氏体+粒状贝氏体；

[0021] 图4本发明实施例1中得到试样的拉伸断口扫描电镜形貌；

[0022] 图5传统淬火+高温回火处理得到试样的拉伸断口扫描电镜形貌；

[0023] 图6本发明实施例2中获得的组织：马氏体+粒状贝氏体。

具体实施方式

[0024] 下面结合具体实施方式对本发明做进一步详细描述。

[0025] 本发明涉及的试验用Cr-Ni-Mo低合金超高强度钢的化学成分见表1。

[0026] 表1试验用Cr-Ni-Mo低合金超高强度钢的化学成分(wt％)

[0027]C Si Mn Cr Ni Mo V Fe
0.20-0.40 0.10-0.50 0.15-1.00 0.25-1.50 1.00-3.50 0.15-0.90 0.01-0.20 base[0028] 获得马氏体+粒状贝氏体复相组织的具体热处理工艺方法为：将热轧得到厚度为
60mm的Cr-Ni-Mo低合金超高强度钢板线切割加工成尺寸为150mm×25mm×2mm的薄板状试样，目的是为了能进行均匀的加热和冷却。取样方向为钢板轧制方向。如图1所示，首先将试样完全均匀奥氏体化(以5-10℃/s的加热速度加热到880-950℃，保温5min，使钢完全奥氏体化)；之后以10-30℃/s的速度连续冷却至Ms-40℃与Mf+80℃之间某一温度T1，并短时保温
5-15s(T1低于Ms之下40℃，高于Mf之上80℃，如260～280℃)；再将试样快速升温至Ms之上的贝氏体转变温区某一温度T2(如350～400℃)，并保温30～120s，之后再以10-30℃/s的速度连续冷却至室温。

[0029] 以下是本发明的具体实施例，但本发明不限于下述实施例。

[0030] 实施例1：

[0031] 本实施例所用的Cr-Ni-Mo低合金超高强钢的相变临界温度如下：奥氏体转变开始温度Ac1为720℃，奥氏体转变终了温度Ac3为790℃：马氏体相变开始温度Ms为320℃，马氏体相变终了温度为166℃。将线切割获得的尺寸为150mm×25mm×2mm的薄板状试样利用gleeble3500热模拟试验机完成如下组织控制工艺过程：以10℃/s的速度将试样加热到950℃，并保温5min以进行完全奥氏体化，之后以30℃/s的速度快速冷却至260℃(T1)，并短时保温10s，再将试样以10℃/s的速度升温至Ms之上30℃，即350℃(T2)，并保温120s，之后再以30℃/s的速度连续冷却至室温。图3是经上述控制冷却处理试样的典型组织，明显可见板条状马氏体与粒状贝氏体相间存在，均匀分布。原奥氏体晶粒被马氏体板条划分成极小的区域。经上述控制冷却处理的试样利用线切割的方法加工成板状拉伸试样，测得的力学性能为：屈服强度为1250MPa，抗拉强度为1358MPa，伸长率为15.4％。利用本发明方法得到的抗拉强度大大高于传统淬火+高温回火处理的对比试样，而伸长率两者相当(传统淬火+高温回火处理试样：屈服强度为1150MPa，抗拉强度为1246MPa，伸长率为15.5％)。可见，本发明对提高Cr-Ni-Mo低合金超高强钢综合力学性能效果显著。图4为本实施例中得到试样拉伸断口扫描电镜形貌，可见均匀的韧窝，为典型的韧性断裂。图5为本实施例中传统淬火+高温回火处理试样拉伸断口扫描电镜形貌。

[0032] 实施例2：

[0033] 利用线切割的方法从6mm厚的热轧Cr-Ni-Mo低合金超高强钢板上沿轧制方向切取尺寸为150mm×25mm×2mm的板状试样，利用gleeble3500热模拟试验机对其完成如下热处理工艺：将试样以5℃/s的加热速度加热到950℃并保温5min进行奥氏体化处理，之后以30℃/s的速度冷却至280℃(T1)，并短时保温10s，再将试样以5℃/s升温至350℃(T2，Ms之上30℃)，并保温60s，之后再以30℃/s的速度冷却至室温。经上述处理的试样中可得到马氏体+粒状贝氏体复相组织如图6。利用线切割的方法加工成板状拉伸试样，测得的力学性能为：屈服强度为1210MPa，抗拉强度为1325MPa，伸长率为16.4％，抗拉强度高于淬火+高温回火处理的对比试样(屈服强度为1150MPa，抗拉强度为1246MPa，伸长率为15.5％)。

[0034] 实施例3：

[0035] 将线切割得到的尺寸为150mm×25mm×2mm的Cr-Ni-Mo低合金超高强钢板状试样，利用gleeble3500热模拟试验机进行热处理如下：以10℃/s的加热速度加热到950℃并保温5min进行完全奥氏体化，之后以30℃/s的速度冷却至260℃(T1)，并短时保温10s，再将试样以10℃/s的速度升温至Ms之上80℃，即400℃(T2)，并保温120s，之后再以30℃/s的速度连续冷却至室温。经上述处理的试样具有马氏体+粒状贝氏体复相组织，拉伸性能为：屈服强度为1270MPa，抗拉强度为1355MPa，伸长率为15.1％。

[0036] 实施例4：

[0037] 将线切割得到的尺寸为150mm×25mm×2mm的Cr-Ni-Mo低合金超高强钢板状试样，利用gleeble3500热模拟试验机进行热处理如下：以10℃/s的加热速度加热到950℃并保温5min进行完全奥氏体化，之后以30℃/s的速度冷却至280℃(T1)，并短时保温10s，再将试样以10℃/s的速度升温至Ms之上80℃，即400℃(T2)，并保温60s，之后再以30℃/s的速度连续冷却至室温。经上述处理的试样具有马氏体+粒状贝氏体复相组织，拉伸性能为：屈服强度为1228MPa，抗拉强度为1331MPa，伸长率为15.8％。

[0038] 通过以上实施例可知，本发明中涉及的通过精确控制热处理冷却过程获得马氏体+粒状贝氏体强化Cr-Ni-Mo低合金超高强钢的方法是有效的，能在获得超高强度的情况下保持良好的塑性水平。

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