[发明专利]一种低温用高强高韧厚板结构钢及其热处理方法

说明书

本发明涉及一种低温用高强高韧厚板结构钢及其热处理方法，钢的组成为：C：0.03‑0.08％，Cr：0.8‑1.9％，Mn：0.01‑1.0％，Ni：3.5‑7％，Mo：0.2‑0.5％，V：0.15‑0.2％，Nb：0.01‑0.05％，Cu：1.2‑3.8％，Al：0‑0.5％；P：＜0.015％，S：＜0.010％，余量为Fe和不可避免的杂质；与现有技术相比，本发明制得的钢板可满足‑20至‑120℃以及‑196℃低温使用，并保持相对较高的强度及一定的韧性，主要解决现有高强、高韧调质钢无法满足极地资源与能源开发、运输等装备要求的技术问题。

技术领域

本发明涉及厚板低温结构钢领域，尤其是涉及一种低温用高强高韧厚板结构钢及其热处理方法。

背景技术

基于析出和相变理论的微观组织和纳米结构调控一直是先进钢铁材料强韧化的主要途径，也是开发新一代高强、高韧钢的理论基础。巧妙地利用热加工过程中“力”与“热”的耦合作用，可以调控出非常理想的显微组织和出色的力学性能。例如，反复低温形变配以回火可以使得常规低合金钢的晶粒显著细化，进而提高其低温韧性；快速加热、瞬时保温及循环相变可以赋予室温奥氏体更高的稳定性，进而提高汽车用钢的强塑性，等等。然而，对于超厚规格的海洋工程用钢以及舰船用钢，大形变的热/冷加工及快速冷却工艺在工程上是难以或无法实现的，特别是由此而引入的位错组态、细晶界面、异质结构等处于热力学上的亚稳状态，即便获得十分优异的静态或准静态条件下的材料性能(如强度和塑性等)，也难以保证高速冲击载荷下的塑性、韧性及长期服役过程中的疲劳和腐蚀(特别是应力腐蚀)性能。如果不能很好地利用“外力”和“快冷”引入足够的材料缺陷(如空位、位错等)来最大限度地“干涉”合金元素扩散、偏聚和配分的动力学过程，或者说，利用提高析出形核率、增加相变过冷度来调控显微组织和力学性能，那么某些依借热/冷加工提高强塑/韧性的策略将无法很好地“嫁接”到厚板结构钢。而在热处理(如调质)过程中，合金元素的充分扩散使得显微组织和纳米结构趋于热力学上的平衡态，只能“折中”平衡析出强化、相变韧化和细晶强韧化作用，即使不考虑铸造缺陷的影响，同时保证超厚规格结构钢强度、塑性和低温韧性的配比也是非常困难的。然而，随着多尺度分析表征技术的更新和发展，人们不断在原子尺度上探索控制这些析出和相变反应进程的热力学和动力学因素，进而形成新的纳米析出相复合强化和逆转变奥氏体韧化的理论，并在改善和优化常规的调质热处理工艺的基础上，形成了融入奥氏体逆相变处理或两相区临界回火的多步骤热处理技术，这将和循环退火(正火或正火+两相区临界回火)的细晶工艺一起，形成成功开发高性能高强、高韧低温钢的热处理基础。

然而，多步骤热处理是一个笼统的概念，虽然其目的明确，即①实现循环退火的细晶强韧化、②两相区临界回火的逆转变奥氏体韧化和③常规回火的纳米第二相析出强化，但是其缺乏必要且具体的热处理温度、时间及步骤等参数的选定准则。而这需要深入理解特定热处理步骤下析出与相变反应的规律，以及多步骤之间的相互影响，进而获得有益于强韧性提高的微观组织和纳米结构，并评价其在外加载荷作用下的微观力学行为和断裂失效机制，进一步为优化和确定多步骤热处理工艺参数提供理论指导。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种低温用高强高韧厚板结构钢及其热处理方法。充分利用合金元素的有益作用，特别是Ni、Cu等元素在析出和相变过程中的作用，发展和优化耦合纳米团簇析出强化、奥氏体逆相变韧化及细晶强韧化作用的柔性化多步骤热处理工艺，获得热力学上稳定的微观组织和纳米结构，可以进一步提高先进结构厚板钢的强韧性配比，进而取代已有的商用合金钢，达到降低成本、提高可靠性的目的。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明提供一种低温用高强高韧厚板结构钢，组成成分按重量百分比为：