抗环境脆性及疲劳性能优良的超高强度钢板及其制造方法，其成分重量百分比为：C：0.20％～0.26％、Si：1.50％～1.90％、Mn：2.00％～2.60％、P≤0.013％、S≤0.0030％、Ni：0.15％～0.45％、Cr：0.75％～1.05％、Mo：0.05％～0.30％、Nb：0.007％～0.030％、Ti：0.007％～0.025％、Ca：0.0010％～0.0040％、余铁和不可避免的夹杂。本发明专利技术在无需添加任何设备及设备改造的情况下，采用廉价的C-Si-Mn-Cr成分体系，添加少量的奥氏体稳定化元素Ni，通过控制轧制及低温回火工艺相结合，使钢板显微组织为均匀细小的无碳化物贝氏体/马氏体+少量稳定性高的残余奥氏体，抗拉强度≥1350MPa、屈服强度≥1150MPa、延伸率≥8％及0℃夏比冲击韧性≥34J。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及到超高强度钢板及其制造方法，特别涉及一种，钢板抗拉强度> 1350MPa、屈服强度> 1150MPa、延伸率彡8%及0°C夏比冲击韧性彡34J.
技术介绍
众所周知，环境脆性与低疲劳性能(表现为疲劳极限随强度的升高发生离散分布状态，并出现低疲劳极限值)是超高强度钢板使用的两大世界性技术难题，为确保超高强度钢板使用过程中的安全可靠性，日本、韩国、欧盟、美国等发达国家把改善超高强度钢的环境脆性与疲劳性能作为新一代超级钢铁结构材料研究的核心问题之一加以研究，并尽力抢占该
的制高点，中国“973”计划中也把改善超高强度钢的环境脆性与疲劳性能的研究作为重点推进工作，力争取得脱破；因此，改善超高强度钢的环境脆性与疲劳性能及低成本制造技术是新一代超级钢发展的方向。现有抗拉强度1200MPa 1500MPa级别钢，主要成分体系为中C-Cr-Mo系与 C-Cr-Mo-Ni 系，代表牌号为 35CrMo (VNb)、42CrMo (VNb)、40CrNiMo、AISI4340 (40CrNiMo)、 AISI4135(SCM435)等，在生产工艺上采用油淬+高温回火工艺生产；虽然钢获得超高强度， 但是生产成本较高，易造成严重的环境污染(油淬所致)，更重要的是该类钢种存在以下致命缺点A.韧性不足，钢的强韧性、强塑性匹配性很差；参见《清华大学贝氏体钢研究及推广中心资料》；B.疲劳极限离散，导致超高强度钢抗疲劳性能下降；参见《日本机械学会论文集》，1898，45 50 ；《高强度及超高强度钢》，机械工业出版社，1988，98)；C.延迟断裂抗力低下，对环境脆性敏感。(参见《热处理》，1995，35 03)，133 137 ； 《日刊工业新闻》，1989，67)。为改善超高强度钢上述3个致命缺陷，北京钢铁研究总院采用在42CrMo钢的基础上提高钼含量和添加钒，使得该钢在550°C以上温度回火时仍能获得1500MPa级的强度水平；同时具有良好的塑韧性；通过降低磷、硫、硅和锰的含量，并利用钒的MC型碳化物的氢陷阱作用及钒、铌的细化晶粒作用改善了钢的耐延迟断裂性能；通过降低磷、硫、硅和锰等元素的含量改善了钢的冷加工性能。(参见《钢铁研究学报》，2003 0)，30 33;钢铁， 2002 (3)，37 42 ；《机械工程材料》，2002 (11),1 ；《机械工程材料》，2001 (3)，28)。西北工业大学的康沫狂教授通过合理的合金化，在加入含有阻碍碳化物析出元素 (如铝、硅)的钢中，贝氏体组织在转变过程中出现明显的阶段性，转变的初期阶段，形成的贝氏体由贝氏体铁素体(BF)和分布于BF基体片条之间和BF基体片条内的残余奥氏体 (AR)组成，康沫狂等称之为“准贝氏体”组织；当残余奥氏体(AR)分布于BF基体片条之间时称为准上贝氏体，分布于BF基体之上时称为准下贝氏体，准贝氏体钢中的贝氏体铁素体 (BF)是碳的过饱和固溶体，具有较高的强度和韧性；准贝氏体钢组织中虽然没有碳化物的弥散强化，但准贝氏体组织中的贝氏体铁素体固溶强化可以达到很高的级别；由于贝氏体转变的强韧性不决定于其形状，主要决定于是否有碳化物析出和残余奥氏体的稳定性，因此形成无碳化物贝氏体和残余奥氏体并保持奥氏体组织稳定性能实现准贝氏体钢高的强韧性，显著改善典型贝氏体组织的强韧性，为发展贝氏体钢开辟了新的途径。(参见《金属热处理》，1995，12，4 5 ；《钢铁》，2000，35 (2)，47 50 ；《兵器材料科学与工程》，2002，(1)， 61 ；《兵器材料科学与工程》，1998，(3)，60)。清华大学方鸿生教授采用特殊的贝氏体显微组织设计，改善中碳超高强度钢的强韧性匹配、抗环境脆性及疲劳性能，但是钢的韧性仍然较低，对钢在使用过程中存在较大的风险。参见中国专利 CN86103009、CN03150091. 9、CN98124899. 3、ZL03124268, ZL200610078770,ZL00124468。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种，在无需添加任何设备及设备改造的情况下，采用廉价的C-Si-Mn-Cr成分体系，添加少量的奥氏体稳定化元素Ni，通过合金元素的组合设计与控制轧制及低温回火工艺相结合，使钢板显微组织为均勻细小的无碳化物贝氏体/马氏体+少量稳定性高的残余奥氏体复相组织，实现超高强度的同时，钢板的冲击韧性、抗环境脆性、抗疲劳性能也同样优异，钢板抗拉强度彡1350MPa、屈服强度彡1150MPa、延伸率彡8%及0°C夏比冲击韧性彡34J ；且实现低成本制造，这对于资源相对缺乏的国家和地区实现可持续发展显得尤其重要；本专利技术钢板在工程机械、矿山机械、铁路道岔等方面广泛使用。大量研究均表明马氏体、贝氏体中的碳化物对韧性有不利影响，原因在于碳化物的存在将促进裂纹的形成与发展，甚至成为孔洞的形核处，恶化钢的韧性，特别是在较高温度下相变得到的上贝氏体组织，碳化物的这种有害作用更加明显；中C-Mn-B贝氏体钢中添加适量的Si可获得无碳化物贝氏体/马氏体复相组织。在奥氏体的冷却过程中，适量Si 的存在将强烈抑制碳化物的析出，使生成的贝氏体铁素体中无碳化物析出；同时，由于贝氏体铁素体溶碳量很少，生成时要向母相排碳，使周围的奥氏体富碳，Ms点降低到室温以下， 最终形成残余奥氏体存在于贝氏体铁素体片条间及片条内的无碳化物贝氏体/马氏体复相组织；但是过高的Si含量会使高温区转变曲线左移及中温贝氏体区转变右移，因此为得到贝氏体钢，须有合适的Si含量；不同的化学成分，尤其是不同碳含量的钢，适宜的Si含量是不一样的。含Si贝氏体钢中残余奥氏体有块状和薄膜状两种存在形式，对性能的影响与其含量、形态及分布相关。分布于贝氏体铁素体片条间或者片条内的薄膜状残余奥氏体具有优良的机械稳定性和热稳定性，能提高钢的韧性，而呈块状的残余奥氏体稳定性较差，对钢的韧性不利。块状残余奥氏体在外力作用下，转变为高碳、未回火的孪晶马氏体(马氏体中可能存在微裂纹)而降低钢的韧性。薄膜状残余奥氏体具有良好的机械稳定性和热稳定性， 显著提高材料的韧性，这是因为，裂纹在马氏体基体内的扩展过程中较少分支或者裂纹尖端钝化现象，裂纹扩展路径较为平直，相应地，扩展速率较快；而在含有膜状残余奥氏体的贝氏体/马氏体复相组织中，裂纹扩展过程中遇到奥氏体薄膜时，由于奥氏体是面心立方结构，滑移系多，具有良好的塑性变形能力而发生钝化现象，降低了裂纹尖端强度因子，使裂纹扩展缓慢，并诱发裂纹发生分支、拐弯方式扩展，减轻了裂纹尖端应力集中的程度；由于裂纹的分支使主裂纹的扩展能量降低，从而降低了裂纹扩展速率(如图1所示)。研究表明薄膜状残余奥氏体与块状奥氏体的量之比大于0.9时就能够得到良好的韧性，这可以通过加入适当的化学元素达到目的；此外，贝氏体/马氏体复相组织中，裂纹在从一个板条束扩展到另一个板条束时，其走向会发生大的转折。当裂纹前端与另一个板条束的界面相遇时，由于裂纹扩展的晶体学位向不利，因而会先沿着板条束界面扩展，调整位向后，仍沿裂纹的主方向扩展；裂纹在高Si钢中扩展时存在分支现象(如图1所示)；裂纹扩展过程中发生分支、拐弯时，主裂纹的尖端应力集中就会得到一定的缓解，并有受到阻碍扩展的可能本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．抗环境脆性及疲劳性能优良的超高强度钢板，其成分重量百分比为：Ｃ：０．２０％～０．２６％Ｓｉ：１．５０％～１．９０％Ｍｎ：２．００％～２．６０％Ｐ：≤０．０１３％Ｓ：≤０．００３０％Ｎｉ：０．１５％～０．４５％Ｃｒ：０．７５％～１．０５％Ｍｏ：０．０５％～０．３０％Ｎｂ：０．００７％～０．０３０％Ｔｉ：０．００７％～０．０２５％Ｃａ：０．００１０％～０．００４０％其余为铁和不可避免的夹杂；且上述元素含量必须同时满足如下关系：１０≤（Ｍｎ当量）／Ｃ≤２０，其中Ｍｎ当量＝Ｍｎ＋０．７３Ｎｉ，保证钢板具有优良的冲击韧性；Ｓｉ×Ｃ≥０．３５％，确保残余奥氏体，Ｃ的固溶量达到１．００％以上；奥氏体稳定化指数Ａ≥８．００％，其中Ａ＝２．５４＋４０．５８％Ｃ＋０．４２（％Ｎｉ＋％Ｍｎ）－２．６４（％Ｐ＋％Ｓ）－１．２６（％Ｃｒ＋Ｍｏ）－（％Ｓｉ），确保钢中残余奥氏体含量≥６．０％；Ｎｂ／Ｔｉ≥１．００；Ｃａ与Ｓ的关系：Ｃａ／Ｓ在１．００～３．００之间，且Ｃａ×Ｓ０．１８≤２．０×１０－３。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：刘自成，施青，
申请(专利权)人：宝山钢铁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：31
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