本發(fā)明涉及鋼鐵材料的制備與加工，具體而言，涉及一種具有優(yōu)異強(qiáng)韌性的非均勻?qū)訝畛?xì)晶鋼及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域，對(duì)高性能結(jié)構(gòu)材料的需求日益增長(zhǎng)，特別是在對(duì)材料強(qiáng)度和塑韌性要求極高的海洋工程、航空航天以及汽車制造等行業(yè)中。低碳微合金鋼因其良好的加工性能和經(jīng)濟(jì)性被廣泛使用，但在提高其強(qiáng)度的同時(shí)往往犧牲了延展性和韌性。因此，如何通過工藝優(yōu)化和組織調(diào)控制備出綜合性能優(yōu)異的低碳微合金鋼一直是業(yè)內(nèi)的研究熱點(diǎn)。

2、現(xiàn)有理論和實(shí)驗(yàn)研究表明，晶粒細(xì)化是能夠同時(shí)提高鋼鐵材料強(qiáng)度和韌性的強(qiáng)韌化機(jī)制。例如：申請(qǐng)?zhí)?02010240014.6專利公開了一種通過控軋控冷獲得具有雙峰尺寸分布的針狀鐵素體超細(xì)晶結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)管線鋼塑性提升的方法；申請(qǐng)?zhí)?02110314137.4專利提供了利用中間坯超快冷工藝制備具有優(yōu)異超低溫韌性的晶體織構(gòu)與晶粒尺寸雙梯度超細(xì)晶低合金鋼板的方法；申請(qǐng)?zhí)?02210829899.2專利利用了熱循環(huán)與形變誘導(dǎo)鐵素體機(jī)制實(shí)現(xiàn)了低圧縮比條件下強(qiáng)塑性匹配良好的鐵素體超細(xì)晶鋼板的制備。

3、然而，有研究指出，層狀超細(xì)晶材料由于其分布更廣的異質(zhì)界面和獨(dú)特的晶粒形狀相較于單一超細(xì)晶材料在塑性、加工硬化能力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等方面或更具潛力，但相較于常用于調(diào)控層狀超細(xì)晶結(jié)構(gòu)的單質(zhì)有色金屬材料，包括ti、cu等，低碳微合金鋼中更加復(fù)雜的相變機(jī)制和化學(xué)成分提高了層狀超細(xì)晶結(jié)構(gòu)的調(diào)控難度，如何利用現(xiàn)有技術(shù)制備出具有優(yōu)異強(qiáng)韌性的層狀超細(xì)晶鋼仍面臨挑戰(zhàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供了一種具有優(yōu)異強(qiáng)韌性的非均勻?qū)訝畛?xì)晶鋼及其制備方法，主要旨在解決當(dāng)前低碳微合金鋼在服役時(shí)強(qiáng)度與塑韌性“倒置”的矛盾，同時(shí)，本發(fā)明利用常規(guī)軋制和熱處理設(shè)備的工藝流程也解決了當(dāng)前超細(xì)晶鋼制備過程繁瑣、設(shè)備要求高的問題。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下：

3、一種具有優(yōu)異強(qiáng)韌性的非均勻?qū)訝畛?xì)晶鋼，其化學(xué)成分以質(zhì)量百分比計(jì)包括：c:0.04～0.10％，si:0.10～0.30％，mn:1.00～2.20％，p:≤0.008％，s:≤0.004％，ni:0.20～0.60％，cu:0.40～0.70％，nb:0.015～0.045％，ti:0.005～0.030％，其余為fe及不可避免的雜質(zhì)；所述超細(xì)晶鋼的rd-nd面在全厚度宏觀上呈現(xiàn)超細(xì)晶層與粗晶層非均勻交替分布的特點(diǎn)。

4、本發(fā)明的超細(xì)晶鋼是通過選擇特定含量的成分制備得到，且所得到的超細(xì)晶鋼在毫米級(jí)別的縱截面上呈現(xiàn)超細(xì)晶層與粗晶層非均勻交替分布的特點(diǎn)。這種微觀結(jié)構(gòu)的特異性使其獲得了更為優(yōu)異的強(qiáng)韌性匹配。

5、本發(fā)明的超細(xì)晶鋼化學(xué)成分的設(shè)計(jì)理由如下：

6、c元素可通過固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化等方式提高強(qiáng)度，當(dāng)其含量過低時(shí)強(qiáng)度水平不容易保證，而含量過高時(shí)又影響韌性與焊接性能，故在保證強(qiáng)度的條件下，為擴(kuò)大應(yīng)用范圍，本發(fā)明盡量降低c含量，控制其在0.04～0.10％范圍內(nèi)。

7、si除確保強(qiáng)度外還是冶煉時(shí)重要的脫氧元素，為保證效果其添加量應(yīng)在0.10％以上，但同時(shí)其含量過高將對(duì)鋼板表面質(zhì)量及韌性產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，本發(fā)明中si含量控制在0.10～0.30％范圍，以保證成品良好的韌性。

8、mn是低碳條件下提高強(qiáng)度的有效元素，同時(shí)其能降低奧氏體轉(zhuǎn)變溫度，細(xì)化晶粒尺寸，但其含量過高，易造成連鑄坯嚴(yán)重偏析，損害低溫韌性。因此，通常低碳微合金鋼mn元素含量都控制在2.5％以下。如申請(qǐng)?zhí)?02210829899.2專利中限制mn含量在1.20～1.60％范圍內(nèi)，一方面避免了嚴(yán)重偏析，另一方面通過mn元素成分起伏，獲得了超細(xì)鐵素體與彌散的細(xì)小碳化物。與之不同的是，本發(fā)明轉(zhuǎn)換思路，重點(diǎn)著眼于連鑄坯中固有的mn偏析現(xiàn)象，利用其相變特點(diǎn)，通過設(shè)計(jì)熱加工路線制備出了一種新穎的具有非均勻?qū)訝罘植继攸c(diǎn)的雙相超細(xì)晶微觀結(jié)構(gòu)，故綜合考慮，為保證連鑄坯中具有適量的mn偏析，本發(fā)明的mn含量應(yīng)控制在1.00～2.20％范圍內(nèi)。

9、在前述成分基礎(chǔ)上，通過熱、動(dòng)力學(xué)模擬試驗(yàn)，充分考慮合金元素的經(jīng)濟(jì)性及對(duì)綜合性能的影響，本發(fā)明設(shè)計(jì)復(fù)合添加了四種元素，即：ni:0.20～0.60％、cu:0.40～0.70％、nb:0.015～0.045％、ti:0.005～0.030％。

10、p、s元素作為有害元素，從潔凈鋼的角度考慮越低越好，綜合經(jīng)濟(jì)性考慮，p含量控制在0.008％以下，s含量0.004％以下為佳。

11、在一些實(shí)施例中，考慮到nb和ti元素的復(fù)合析出作用以及生產(chǎn)成本，控制nb+ti元素含量≤0.045％；并且由于cu、ni也是穩(wěn)定過冷奧氏體元素，能夠影響連鑄坯中mn偏析的相變特點(diǎn)，并且研究還發(fā)現(xiàn)：超細(xì)晶鋼中mn+ni+cu的含量對(duì)工藝的穩(wěn)定性和成品的合格率具有重要影響，在相同工藝流程條件下，進(jìn)一步控制超細(xì)晶鋼中mn+ni+cu的含量≤2.50％，能夠保證其獲得更為優(yōu)異且穩(wěn)定的強(qiáng)韌性能。

12、在一些實(shí)施例中，所述超細(xì)晶層與粗晶層的區(qū)域間存在化學(xué)成分不均勻性，其中：超細(xì)晶層相較于粗晶層包含更高含量的mn元素。

13、在一些實(shí)施例中，所述超細(xì)晶層的體積分?jǐn)?shù)為25～45％，單個(gè)超細(xì)晶層的寬度為10～300μm，平均寬度大于50μm。

14、在一些實(shí)施例中，所述超細(xì)晶層的平均晶粒尺寸為0.50～0.80μm，所述粗晶層的晶粒尺寸小于5.0μm。

15、在一些實(shí)施例中，所述粗晶層具有雙峰組織特征，其中：5～25％的晶粒尺寸小于1.0μm，25～45％的晶粒尺寸大于3.0μm。

16、在一些實(shí)施例中，所述rd-nd面在全厚度方向上晶體織構(gòu)呈梯度變化，其中：<110>//nd織構(gòu)的比例從上表層的45～65％逐漸下降至心部的15～30％；而<111>//nd則從上表層的5～15％逐漸增加至心部的25～45％。

17、在一些實(shí)施例中，所述超細(xì)晶層中馬氏體的體積分?jǐn)?shù)為20～35％，所述馬氏體主要為(112)<110>型的孿晶馬氏體，孿晶厚度范圍為4～15nm。

18、在一些實(shí)施例中，所述超細(xì)晶鋼的屈服強(qiáng)度為500～700mpa，抗拉強(qiáng)度為800～1000mpa，均勻延伸率為18～24％。

19、在一些實(shí)施例中，所述超細(xì)晶鋼的起裂韌性kq為200～300mpa·m1/2，裂紋擴(kuò)展韌性kss為250～350mpa·m1/2。

20、上述具有優(yōu)異強(qiáng)韌性的非均勻?qū)訝畛?xì)晶鋼的制備方法包括如下工藝流程：

21、s1鐵水預(yù)處理→s2轉(zhuǎn)爐冶煉→s3?lf精煉→s4?rh真空處理→s5連鑄→s6加熱→s7粗軋→s8中間冷→s9精軋→s10終冷；

22、所述s6加熱的時(shí)間小于3h；

23、所述s7粗軋的軋制道次為3～5次，壓下量為70～90％；

24、所述s8中間冷的鋼坯以80～150k/s的冷卻速度冷至室溫；

25、所述s9精軋的溫度處于奧氏體-鐵素體兩相區(qū)內(nèi)，保溫時(shí)間為1～3h，軋制道次為2～4次，壓下量為60～80％；

26、所述s10終冷的鋼坯以50～70k/s的冷卻速度至冷至室溫。

27、在一些實(shí)施例中，所述s6加熱的溫度為1323～1423k；所述s7粗軋的溫度為1253～1323k；所述s9精軋的溫度為993～1053k，終軋溫度為953～1013k。

28、在一些實(shí)施例中，所述s9精軋為異步軋制，軋制時(shí)上輥速度為0.5～2m/s，下輥速度為0.55～4m/s。

29、在一些實(shí)施例中，所述下輥速度與上輥速度的比值為1.1～2.0。

30、在一些實(shí)施例中，所述s7粗軋和s9精軋的累計(jì)壓下量≥90％。

31、在一些實(shí)施例中，所述s7粗軋后的鋼板與成品的厚度比值為3.5～5.0。

32、在一些實(shí)施例中，所述s7粗軋和s9精軋過程中每道次的壓下量相同。

33、依據(jù)上述技術(shù)方案，本發(fā)明利用了連鑄坯中固有的微觀mn偏析現(xiàn)象，通過設(shè)計(jì)熱加工路線制備出了一種新穎的具有非均勻?qū)訝罘植继攸c(diǎn)的雙相超細(xì)晶微觀結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)均勻微觀結(jié)構(gòu)的鋼材相比，本發(fā)明通過在材料中合理構(gòu)筑非均勻?qū)訝罱M織，實(shí)現(xiàn)了材料強(qiáng)度和塑性的協(xié)同提升，同時(shí)優(yōu)化了斷裂韌性，顯著改善了材料的綜合服役性能，使其能夠在多種復(fù)雜環(huán)境下保持穩(wěn)定的性能，滿足現(xiàn)代工業(yè)對(duì)具備高性能、高性價(jià)比鋼鐵材料的迫切需求。此外，本發(fā)明的超細(xì)晶鋼在制備過程中采用了常規(guī)的軋制和熱處理設(shè)備，降低了對(duì)專用設(shè)備的依賴，有利于工藝的大規(guī)模推廣和應(yīng)用，展現(xiàn)了重要的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值和顯著的市場(chǎng)潛力。

34、上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，可依照說明書的內(nèi)容予以實(shí)施，并且為了讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更明顯易懂，以下特舉本發(fā)明的具體實(shí)施方式。