一种具有纳米析出相的耐疲劳高强钢及其制备方法技术

一种具有纳米析出相的耐疲劳高强钢及其制备方法，属于金属材料加工技术领域。本发明专利技术钢种具有贝氏体、铁素体、残余奥氏体多相组织，通过合理的工艺将材料的晶粒尺寸控制在5μm以下，是一种超细晶粒钢，组织中存在大量弥散分布的纳米级球状V(C，N)、Ti(C，N)析出相，析出相的平均尺寸低于50nm。所述材料具有良好的强塑性能和优异的抗疲劳性能，其抗拉强度超过1100MPa，强塑积超过30GPa·％，疲劳极限超过850MPa，能够广泛适用于汽车结构零部件、工程机械部件、建筑结构材料等领域。

【技术实现步骤摘要】
一种具有纳米析出相的耐疲劳高强钢及其制备方法
本专利技术属于金属材料加工
，介绍了一种耐疲劳高强钢，通过调整热处理工艺配置钢中铁素体、贝氏体及残余奥氏体组织状态获得了良好的综合力学性能，该合金钢抗拉强度达到了1100MPa以上，强塑积超过30GPa·％，疲劳极限超过850MPa，其加工制备工艺简单，并且具有广泛的用途。
技术介绍
先进高强钢以其较高的强度(500～1500MPa)和良好的塑性性能(断后伸长率可达30％以上)成为当下钢铁材料研究和发展的重点，在汽车、机械、航空等领域应用广泛。材料强韧性能的提高能够在保证结构部件安全使用的情况下大幅减少材料用量，从而减少资源、能源消耗，达到节能减排和可持续发展的目的。在追求材料强韧性能的情况下，材料的疲劳可靠性也是衡量材料性能水平的重要指标，因为高强度合金构件失效中疲劳失效占50％～90％，失效原因主要为循环周期载荷作用下引起材料疲劳裂纹的产生和扩展，进而引起结构件的断裂。疲劳失效过程大致经历着四个时期，即疲劳成核期、微观裂纹增长期、宏观裂纹扩展期及最后断裂期，提高材料的疲劳极限能够有效地防止疲劳裂纹的产生。现代机械零部件对材料的高承载、轻重量、低成本、长寿命、高可靠性等都有着很高的要求，因此设计和开发具有低合金、低密度、高强度、抗疲劳的高性能材料很有必要。中国专利申请CN200710115848.9介绍了一种疲劳极限为529MPa的高强度耐疲劳钢材的加工制备方法，该材料合金系统中添加了Nb、Ti微合金元素来改善材料的组织，合金中C含量控制在0.07～0.13％，导致该材料的抗拉强度相对较低，510～585MPa，屈服强度410～500MPa，各项性能指标均低于本专利技术中的微纳米组织耐疲劳高强钢。中国专利申请CN200880019894.1介绍了一种弯曲加工性和耐疲劳强度优异的高强度钢板，材料合金系统以C、Si、Mn三种元素为主，同时添加微量Nb、Ti、Cr、Mo中的一种或多种元素，其显微组织由多边形铁素体和低温相变组织构成，材料的抗拉强度达到780MPa级别，平面弯曲疲劳试验中疲劳限度比大致为0.45以上，相比之下本专利技术中添加的微合金元素为V，具有更低的成本，同时本专利技术中材料的疲劳强度达到850MPa以上，疲劳限度比达0.77，具有更优异的抗疲劳性能。中国专利申请CN201210496528.3介绍了一种高强度耐疲劳钢材的制作方法，制作采用射锻工艺对钢材进行表面处理，改善钢材表面组织状态，达到增强材料表面强度和耐疲劳性能的目的，这种方法在射弹丸机设备研发上需投入大量资金，同时如何保证钢板表面组织均匀以及控制板型和厚度都是制约该工艺发展的关键所在。中国专利申请CN201310715236.9介绍了一种高强度耐疲劳钢管材料及其制备方法，材料合金系统在C、Si、Mn的基础上还添加了Cr、Mo、V、Nb、Ti，材料合金系统复杂增大了冶炼难度，穿孔轧管及其热处理工艺相对复杂，总的在炉时间超过30h，导致能源消耗上升，生产效率降低，增加了生产成本和企业负担，而本专利技术的制备工艺在工业生产中能够很好地实施，加工制备简单，有利于推广和发展，并取得可观的经济效益。在高强度合金钢中，材料的强韧性和耐疲劳性能不仅取决于合金系统，同时还取决于显微组织中的组织相、析出相的种类、结构与分布情况。不同相都有其独特的物理化学性能，通常情况下单一组织很难使材料同时具备高强韧性、高塑性、抗疲劳等良好综合力学性能，在材料设计上更多的采用多相共存的组织状态，不同的相结构之间相互协调，从不同方面促进和提升材料的综合性能。通过合理的成分设计与工艺控制可以获得具有微纳米结构与组织的材料，本专利技术中材料的室温组织以贝氏体、铁素体、残余奥氏体多相构成，其中各相的体积分数为贝氏体45％～55％、铁素体35％～45％、残余奥氏体10％～15％，并且在铁素体与贝氏体组织中均分布着大量弥散析出相V(C，N)和Ti(C，N)。从组织结构上看材料的晶粒尺寸得到很好细化，贝氏体组织呈块状分布于等轴铁素体晶界周围，奥氏体则多以块状或薄膜状分布于晶界及板条之间的位置，各组织平均晶粒尺寸为2μm且分布均匀，纳米级析出相的存在进一步促进相变过程中晶粒的细化，且能在一定程度上提高材料的强度。在承受疲劳载荷的作用下，不同的组织相之间相互协调配合，贝氏体组织具有较高的的强度和韧性，能够阻碍疲劳裂纹的产生与扩展；残余奥氏体则会在应变作用下产生相变诱导塑性效应并转变成为马氏体组织，提高了材料的变形抗力；铁素体组织塑性更好但强度较低，是疲劳裂纹扩展的主要通路，降低了材料发生脆性断裂的倾向；弥散析出相能够阻碍变形时组织内的位错运动，提高了材料的强度和抗疲劳性能。各种因素的综合作用最终大大提高了材料的综合力学性能，其屈服强度超过750MPa，抗拉强度超过1100MPa，总伸长率超过30％，强塑积超过30GPa·％，疲劳极限超过850MPa。
技术实现思路
针对合金钢铁材料疲劳性能的要求，本专利技术提供了一种具有纳米析出相超细晶组织的耐疲劳高强钢，材料具有超细均匀的晶粒组织以及平均尺寸低于50nm以下的析出相结构，贝氏体、铁素体、残余奥氏体以及析出相相互协调作用，具有良好的综合机械性能，材料的耐久性得到大大的提高，能够广泛适用于航空、汽车、机械制造业等。本专利技术的技术方案如下：一种具有纳米析出相的耐疲劳高强钢，其化学成分重量百分比为：C：0.05～0.30％、Si：0.35～1.05％、Mn：1.50～2.50％、V：0.15～0.30％、Ti：0.05～0.10％、余量为Fe和不可避免的杂质。C、Si、Mn为钢铁合金的基本成分，这三种元素均能保证室温下获得稳定的残余奥氏体组织，适量的C同时还保证了合金的强度，添加V和Ti起到细化晶粒和提高强度的作用，其中原子质量百分数比V:Ti＝3:1～6:1。如上所述一种具有纳米析出相的耐疲劳高强钢制备方法，其特征在于，包括以下步骤：，具体包括以下步骤：步骤1：按照所设计的合金系统，进行冶炼、连铸，得到热轧板，再进行酸洗、冷轧，冷轧压下率为40％～60％，冷轧薄板厚度控制在1～2mm；步骤2：将步骤1制备得到冷轧薄板在连续退火炉内进行热处理，首先加热到800～880℃±20℃温度范围内，保温3～6min，该阶段碳化物在基体中溶解扩散并达到均匀，获得具有一定比例铁素体与奥氏体的组织状态，奥氏体体积分数占比为60％～80％；步骤3：将步骤2处理后的钢板以40～100℃/s的冷速冷却至贝氏体转变温度区域的350～450℃温度，保温10～30min，在这一阶段大部分奥氏体转变为贝氏体，另外还有部分残余奥氏体，此外析出相也在冷却、保温过程中形成并均匀分布于基体中；步骤4：将步骤3处理后的钢板以20～40℃/s的冷速冷却至室温，即得到具有超细晶组织的耐疲劳高强钢。进一步的步骤3所述的贝氏体区转变温度区域范围在350～450℃之间，基体组织主要是由平均晶粒尺寸低于2μm的贝氏体和小于5μm的铁素体构成，析出相的尺寸要求控制在70nm以下。进一步的所述铁素体组织形态为等轴状，小于2μm的粒状贝氏体均匀分布于铁素体晶界周围，贝氏体和铁素体占整体组织体积百分数分别为：贝氏体45％～55％、铁素体35％～45％。进一步的所述的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有纳米析出相的耐疲劳高强钢，其特征在于，该高强钢的化学成分重量百分比为：C：0.05～0.30％、Si：0.35～1.05％、Mn：1.50～2.50％、V：0.15～0.30％、Ti：0.05～0.10％、余量为Fe和不可避免的杂质；其中钒钛原子质量百分数比V:Ti＝3:1～6:1。

【技术特征摘要】
1.一种具有纳米析出相的耐疲劳高强钢，其特征在于，该高强钢的化学成分重量百分比为：C：0.05～0.30％、Si：0.35～1.05％、Mn：1.50～2.50％、V：0.15～0.30％、Ti：0.05～0.10％、余量为Fe和不可避免的杂质；其中钒钛原子质量百分数比V:Ti＝3:1～6:1。2.一种如权利要求1所述的具有纳米析出相的耐疲劳高强钢制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：按照所设计的合金系统，进行冶炼、连铸，得到热轧板，再进行酸洗、冷轧，冷轧压下率为40％～60％，冷轧薄板厚度控制在1～2mm；步骤2：将步骤1制备得到冷轧薄板在连续退火炉内进行热处理，首先加热到800～880℃±20℃温度范围内，保温3～6min，该阶段碳化物在基体中溶解扩散并达到均匀，获得具有一定比例铁素体与奥氏体的组织状态，使得奥氏体体积分数占比为60％～80％；步骤3：将步骤2处理后的钢板以40～100℃/s的冷速冷却至贝氏体转变温度区域，保温10～30min，在这一阶段大部分奥氏体转变为贝氏体，另外还有部分残余奥氏体，此外析出相也在冷却、保温过程中形成并均匀分布于基体中；步骤4：将步骤3处理后的钢板以20～40℃/s的冷速冷却至室温，即得到具有超细晶组织的耐疲劳高强钢。3.根据权利要求2所述的具...

【专利技术属性】
技术研发人员：于浩，卢军，宋成浩，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京,11