本發明涉及一種高強韌性納米級復相鋼及其制備方法，具體涉及一種含有鐵素體和殘余奧氏體的納米貝氏體鋼及其制備方法，屬于金屬材料領域。

背景技術：

自上世紀70年代以來，基于相變強化手段和新的增韌機制的先進高強度鋼得到了蓬勃的發展。這些先進高強度鋼的組織通常含有兩相或以上組織，如馬氏體、貝氏體、鐵素體或殘余奧氏體，近年來研究開發的具有代表性的鋼種為雙相鋼(dp)、相變誘發塑性（trip）鋼、復相鋼，馬氏體（m）鋼，twip鋼，納米貝氏體鋼。

馬氏體鋼的發展與超高強度鋼的發展緊密聯系在一起。超高強度鋼的研究可追溯到上個世紀40年代，其主要應用于飛機起落架，發動機主軸，主梁，高強度螺栓，火箭發動機殼體等關鍵承力部件。馬氏體組織在獲得較高強度的同時，也存在著塑性較差的問題。因此，在實際應用中需要對其進行回火或時效處理，在成分設計中，需要加入各種合金元素，提高淬透性和韌性，同時還可以保持好的抗疲勞、抗腐蝕等優良的綜合力學性能。但加入過多的合金元素，必然會提高其生產成本。按其所含合金元素的多少，馬氏體鋼等高強度鋼逐漸發展為低合金超高強度鋼、中合金超高強度鋼和高合金超高強度鋼。

此外，近年來bhadeshia等通過組織成分設計，獲得了超強納米貝氏體鋼，其抗拉強度可達2.5gpa。納米貝氏體中的殘余奧氏體薄膜富集了較高的碳含量，從而這種富碳的殘余奧氏體薄膜將有助于阻止裂紋的萌生和擴展。由于納米貝氏體轉變非常緩慢，這就給人們以足夠的時間來研究貝氏體在轉變過程中所發生的變化，甚至是解決長期以來一直困擾國內外學者們的一些難題。

技術實現要素：

本發明旨在提供一種新型高強韌性復相鋼及其制備方法，其主要是制備一種超高強度，且具有納米貝氏體和殘余奧氏體組成的復相組織的貝氏體鋼，在高碳鋼中添加si元素能夠抑制脆性的滲碳體的析出，得到無碳化物的貝氏體組織，從而改善塑性。

本發明提供了一種新型高強韌性的納米級復相貝氏體鋼，包括下列重量百分比的元素：

c:0.88-1.02%

si:1.7-3.2%

mn:2.1-3.6%

cr:1.8-3.0%

co：1.5-2.6%

p：≤0.01%，

s：≤0.01%

其余為fe。

進一步地，上述復相鋼包括下列重量百分比的元素：

c:0.90-0.98%，

si:2.2-2.9%，

mn:2.9-3.5%，

cr:1.9-2.5%，

co：1.8-2.3%，

p：≤0.01%，

s：≤0.01%，

其余為fe。

設計鋼中各元素的作用：

c元素是本發明中保證獲得納米貝氏體組織的最基本元素，其作為強間隙固溶強化元素，其固溶強化對提高強度至關重要。c的增加不但降低了bs（貝氏體轉變開始溫度）和ms（馬氏體轉變開始溫度）溫度，而且可以使bs溫度和ms溫度之間的溫度差擴大，這有利于獲得納米貝氏體組織。

si元素作為非碳化物形成元素，當其含量較低時，以非金屬夾雜物形式存在，從而阻止奧氏體晶粒細化。si不僅具有明顯抑制脆性相fe3c型碳化物析出的作用，還可以增加組織中殘余奧氏體量及其穩定性，適量的si可提高納米貝氏體鋼的韌性。

mn作為擴大奧氏體相區元素，加入mn能使鋼的ar1（冷卻時奧氏體向珠光體轉變的開始溫度）、ar3（鐵碳合金冷卻時自a（奧氏體）中開始析出f（鐵素體）的臨界溫度線）、bs和ms溫度下降，有利于納米貝氏體組織形成。

cr是固溶強化元素，能夠提高淬透性。

co元素會增加奧氏體向鐵素體轉變的自由能，加速貝氏體轉變速率，可使貝氏體轉變充分進行。

所述的高強韌性納米級復相鋼，復相鋼的抗拉強度rm為1726~1883mpa，屈服強度rp0.2為1311~1402mpa，總延伸率為11.6~13.9%。

本發明提供了一種上述高強韌性復相鋼的制備方法，采用分階段降溫貝氏體轉變的制備工藝，包括以下步驟：

第一步，首先將鋼迅速加熱到奧氏體化溫度900-1100℃，等溫10-60min后取出，使鋼件充分奧氏體化；

第二步，使奧氏體化后的鋼件在650～1100℃時，以50-100℃/s的速度快速冷卻至450～650℃，然后空冷35-60s，再繼續以50-100℃/s的速度快速冷卻至貝氏體轉變溫度；

所述貝氏體轉變溫度為200～450℃；快速冷卻采用水冷卻；

第三步，然后從上述貝氏體轉變溫度（bf+20）℃開始慢速降溫，直到降到溫度（ms-20）℃為止，所述降溫速度為0.1-0.9℃/min.，該過程中降溫貝氏體轉變的時間為40-400min；

第四步，最后再淬火到室溫，在室溫下獲得高強韌性的納米貝氏體鋼。

上述方法中，貝氏體轉變是在bf+20℃~ms-20℃的溫度范圍內進行慢速降溫實現的。

在冷卻過程中采用快速—慢速—快速的冷卻方法使組織中先生成部分鐵素體，然后采用慢速降溫貝氏體轉變使得碳原子進行充分擴散，獲得了較為穩定的納米貝氏體組織，從貝氏體轉變溫度bf+20℃開始慢速降溫，直到降到溫度ms-20℃為止，這樣更有利于殘余奧氏體的穩定性。最終獲得了含有部分鐵素體、貝氏體和殘余奧氏體組成的復相組織的納米貝氏體鋼，

本發明通過優化納米貝氏體鋼成分設計，在制備過程中采用慢速降溫貝氏體轉變的方法使顯微組織更加穩定。所制備鋼的韌性得到了較大的提高且保持了較高的強度，這樣就會進一步擴大了貝氏體鋼的應用范圍。

具體實施方式

下面通過實施例來進一步說明本發明，但不局限于以下實施例。

實施例1

本發明實施例鋼的組分主要包括下列重量百分比的組分：c:0.91%，si:1.8%，mn:2.1%，cr:2.8%，co：2.6%，p：0.0057%，s：0.0068%，其余為fe。

具體制備方法為：將鋼迅速加熱到奧氏體化溫度950℃，等溫60min后取出，使鋼件充分奧氏體化；然后使奧氏體化后的鋼件在650～950℃之間以60℃/s的速度快速冷卻至450～650℃，然后空冷35s，再繼續以60℃/s的速度快速冷卻至貝氏體轉變溫度；所述貝氏體轉變溫度為220℃；快速冷卻采用水冷卻；然后從240℃開始慢速降溫，直到降到溫度（ms-20）℃為止，所述降溫速度為0.1-0.9℃/min，該過程中降溫貝氏體轉變的時間為60min；最后再淬火到室溫，在室溫下獲得高強韌性的納米貝氏體鋼。

根據gb/t228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》檢驗所得復相鋼產品，拉伸實驗在zwickt1-fr020tna50標準拉伸實驗機上進行。經測試，鋼的抗拉強度rm為1749mpa，屈服強度rp0.2為1335mpa，總延伸率為13.4%。

實施例2

本發明實施例鋼的組分主要包括下列重量百分比的組分：c:0.88%，si:2.2%，mn:3.0%，cr:2.5%，co：2.2%，p：0.0059%，s：0.0063%，其余為fe。

具體制備方法為：將鋼迅速加熱到奧氏體化溫度1000℃，等溫20min后取出，使鋼件充分奧氏體化；然后使奧氏體化后的鋼件在650～1000℃之間以70℃/s的速度快速冷卻至450～650℃，然后空冷40s，再繼續以70℃/s的速度快速冷卻至貝氏體轉變溫度；所述貝氏體轉變溫度為230℃；快速冷卻采用水冷卻；然后從250℃開始慢速降溫，直到降到溫度ms-20℃為止，所述降溫速度為0.1-0.9℃/min，該過程中降溫貝氏體轉變的時間為100min；最后再淬火到室溫，在室溫下獲得高強韌性的納米貝氏體鋼。

根據gb/t228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》檢驗所得復相鋼產品，拉伸實驗在zwickt1-fr020tna50標準拉伸實驗機上進行。經測試，鋼的抗拉強度rm為1726mpa，屈服強度rp0.2為1311mpa，總延伸率為13.9%。

實施例3

本發明實施例鋼的組分主要包括下列重量百分比的組分：c:0.95%，si:3.2%，mn:3.3%，cr:2.7%，co：1.9%，p：0.0074%，s：0.0058%，其余為fe。

具體制備方法為：將鋼迅速加熱到奧氏體化溫度1050℃，等溫40min后取出，使鋼件充分奧氏體化；然后使奧氏體化后的鋼件在650～1000℃之間以80℃/s的速度快速冷卻至450～650℃，然后空冷50s，再繼續以80℃/s的速度快速冷卻至貝氏體轉變溫度；所述貝氏體轉變溫度為180℃；快速冷卻采用水冷卻；然后從200℃開始慢速降溫，直到降到溫度ms-20℃為止，所述降溫速度為0.1-0.9℃/min，該過程中降溫貝氏體轉變的時間為150min；最后再淬火到室溫，在室溫下獲得高強韌性的納米貝氏體鋼。

根據gb/t228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》檢驗所得復相鋼產品，拉伸實驗在zwickt1-fr020tna50標準拉伸實驗機上進行。經測試，鋼的抗拉強度rm為1816mpa，屈服強度rp0.2為1391mpa，總延伸率為12.3%。

實施例4

本發明實施例鋼的組分主要包括下列重量百分比的組分：c:1.02%，si:2.7%，mn:2.4%，cr:1.8%，co：2.4%，p：0.0055%，s：0.0078%，其余為fe。

具體制備方法為：將鋼迅速加熱到奧氏體化溫度1100℃，等溫60min后取出，使鋼件充分奧氏體化；然后使奧氏體化后的鋼件在650～1000℃之間以50℃/s的速度快速冷卻至450～650℃，然后空冷50s，再繼續以50℃/s的速度快速冷卻至貝氏體轉變溫度；所述貝氏體轉變溫度為170℃；快速冷卻采用水冷卻；然后從190℃開始慢速降溫，直到降到溫度ms-20℃為止，所述降溫速度為0.1-0.9℃/min，該過程中降溫貝氏體轉變的時間為300min；最后再淬火到室溫，在室溫下獲得高強韌性的納米貝氏體鋼。

根據gb/t228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》檢驗所得復相鋼產品，拉伸實驗在zwickt1-fr020tna50標準拉伸實驗機上進行。經測試，鋼的抗拉強度rm為1883mpa，屈服強度rp0.2為1402mpa，總延伸率為11.6%。