本發明涉及鋼鐵材料及其制備領域，具體涉及一種1gpa級海洋工程用高強韌低碳鋼及其制備方法。

背景技術：

1、海洋覆蓋了地球表面約71%，蘊藏著豐富的自然資源，包括石油、天然氣、礦產等。為了高效利用這些資源，人類不斷推動船舶和海洋工程裝備技術的進步，這些裝備不僅需要承載重載荷，還必須在嚴酷的海洋環境中穩定運行，因此對裝備的技術要求變得更加嚴格。首先，船舶和海洋工程裝備需要承受巨大的載荷，尤其是在深海作業中，鋼材必須具備高屈服強度和抗疲勞性能，以確保長期穩定運行；其次，海洋環境的復雜性要求鋼材具備耐低溫、抗腐蝕和抗壓力的性能，在低溫環境下，鋼材會發生脆性轉變，而海水的腐蝕性則影響鋼材的耐久性，因此，鋼材不僅要具備強度，還要保證良好的韌性和耐腐蝕性；此外，鋼材的焊接性能和成型性同樣重要，確保結構可靠性和加工便捷，高強度鋼材通常含碳量較高，這可能影響其焊接性能，導致裂紋或不良連接，因此，優化鋼材的焊接性能和成型性是關鍵。綜上所述，船舶和海洋工程裝備的鋼材必須具備高強度、良好的韌性、耐腐蝕性以及優異的焊接性和成型性，這些要求是裝備長期可靠運行的基礎，也是海洋資源開發和海洋工程可持續發展的關鍵。

2、目前，傳統船舶及海洋工程裝備用鋼的屈服強度從550mpa級別提高到了900mpa級別，熱處理工藝通常首先采用淬火形成高密度板條馬氏體組織，然后利用回火工藝在馬氏體基體上形成析出相實現析出強化，目前船舶及海洋工程裝備用鋼存在以下不足：

3、（1）屈服強度不足：隨著海洋資源開發的深化，船舶和海洋工程裝備需要更高強度的鋼材，目前的屈服強度大多只能達到900mpa，難以滿足未來對1gpa以上高強度鋼材的需求。

4、（2）低溫韌性差：鋼材屈服強度的提升通常伴隨著韌性的降低，特別是低溫韌性的下降，這使得鋼材在極端海洋環境中的使用存在安全隱患，尤其是在低溫下容易發生脆性斷裂。

5、（3）焊接與成型性能差：高強度鋼材往往需要增加碳含量，但碳含量的增加會導致焊接性能和成型性能的降低，影響了船舶和海洋工程裝備的組裝和加工效率，制約了其進一步應用。

技術實現思路

1、為了解決現有技術中存在的上述問題，提出了一種1gpa級海洋工程用高強韌低碳鋼及其制備方法，通過微合金調控顯微組織及析出相，形成具有優異低溫韌性的馬氏體組織，最終得到的最終態鋼板具有優異的焊接性能，同時具有屈服強度大于1000mpa，抗拉強度大于1100mpa，-40℃沖擊功大于150j的特征。

2、為了實現上述目的，本發明鋼板在成分設計、軋制工藝參數、熱處理工藝調控等方面進行了系統的試驗，技術方案包括：

3、一種1gpa級海洋工程用高強韌低碳鋼，具有以下質量百分比的化學成分：c：0.03%~0.05%，si：0.10%~0.30%，mn：0.8%~1.2%，ni：3.0%~5.0%，cu：1.0%~1.5%，cr：0.5%~0.7%，mo：0.5%~0.7%，nb：0.01%~0.03%，ti：0.01%~0.03%，s≤0.002%，p≤0.003%，余量為fe和不可避免的雜質；

4、所述1gpa級海洋工程用高強韌低碳鋼的顯微組織為回火馬氏體基體與納米級富cu相與(cr,?mo)2c析出相。

5、cr元素的質量百分比與mo元素的質量百分比的比例為1：1，nb元素的質量百分比與ti元素的質量百分比的比例為1：1。

6、1gpa級海洋工程用高強韌低碳鋼的鋼板厚度范圍為10mm-60mm，屈服強度大于1000mpa，抗拉強度大于1100mpa，-40℃沖擊功大于150j。

7、一種1gpa級海洋工程用高強韌低碳鋼的制備方法，包括如下步驟：

8、s1、按所述1gpa級海洋工程用高強韌低碳鋼的化學成分進行冶煉、連鑄后，得到連鑄坯；所述冶煉為lf和rh精煉爐處理，中包鋼水過熱度小于20℃；所述連鑄全程保護澆鑄；

9、s2、將步驟s1的連鑄坯加熱到1150℃~1200℃保溫2~4小時后進行控制軋制，軋制結束后空冷至室溫，得到軋制態鋼板；

10、s3、將步驟s2的軋制態鋼板進行淬火處理，保溫后水冷至室溫，得到淬火態鋼板；

11、s4、將步驟s3的淬火態鋼板進行回火處理，保溫后空冷至室溫，得到最終態鋼板。

12、在步驟s1中，lf和rh精煉爐處理的時間分別為10min~30min，中包鋼水過熱度的溫度大于等于10℃且小于20℃；冶煉過程中，氣體含量[h]＜1.2ppm，[n]]＜30ppm，[o]＜15ppm。

13、在步驟s2中，對連鑄坯采用兩階段軋制，第一階段粗軋溫度為1100℃~1150℃，變形量大于等于50%；第一階段粗軋結束后，待溫度至920℃~960℃進行第二階段精軋，變形量大于等于70%，軋制后空冷至室溫。

14、在步驟s3中，淬火的溫度范圍為880℃~920℃，保溫時間系數為1.5min/mm~2.5min/mm，采用平均冷卻速度大于15℃/s的快速層流冷卻系統冷卻至室溫。

15、在步驟s4中，回火的溫度范圍為540℃~560℃，保溫時間系數為4.0min/mm~6.0min/mm。

16、本發明鋼板中的關鍵元素原理如下：

17、c元素是本發明鋼板中最重要的強化元素，可以通過固溶強化與析出強化顯著提高鋼板的強度，但過高的c含量對塑性、韌性，尤其是成型性與焊接性能會產生不利影響，因此，優選c含量控制在0.03%~0.05%。

18、ni元素在本發明鋼板中提供固溶強化效果，在塑性變形時影響位錯的橫向滑移，降低鋼的韌脆轉變溫度，能顯著提高鋼材的低溫韌性；同時ni元素是強淬透性元素，還有助于強度的提高，但ni元素價格較貴，因此優選ni含量為3.0%~5.0%。

19、mo、cr元素在本發明鋼板中主要提供析出強化效果，由于c含量較低，mo元素過低時析出強化效果較差，mo元素過高時會降低斷裂韌性，因此優選mo含量為0.5%~0.7%；ni含量在3.0%~5.0%時，cr、mo元素復合添加，控制mo元素的質量百分比與cr元素的質量百分比的比例為1：1，此時cr元素可降低析出溫度，有效避免回火過高導致析出物粗化，同時cr元素的添加還可顯著提高析出強化效果，在540℃~560℃之間回火可析出納米級別(cr，mo)2c，實現最佳的析出強化效果。

20、cu元素作為本發明鋼板的重要元素，提供固溶強化與析出強化效果，cu元素固溶在基體中會引起晶格畸變，從而提高鋼板的強度，但cu元素過高會導致韌性下降，因此優選cu含量為1.0%~1.5%；此外，回火還會析出納米級別富cu相產生析出強化，同時富cu相還會抑制位錯回復，從而促進納米級別(cr，mo)2c析出，加速了滲碳體溶解，有利于強韌性的同步提高。

21、nb、ti元素為本發明鋼板的重要微合金元素，控制nb元素的質量百分比與ti元素的質量百分比的比例為1：1，通過協同作用微合金化細化馬氏體基體提高位錯密度，為富cu相提供更多的形核位置，先析出的富cu相又作為(cr，mo)2c的異質形核位置，促進了納米級別(cr，mo)2c的析出，在納米級別富cu相與(cr，mo)2c析出相的協同作用下，阻礙位錯回復，即保證了鋼板的強度，又顯著提高了低溫韌性。

22、與現有技術相比，本發明的有益效果包括：

23、（1）本發明鋼板的強韌化機制為多角度的協同作用。強度的主要來源為c元素的固溶強化、cu元素的固溶強化，以及共格納米級別富cu相與(cr，mo)2c的析出強化；韌性的主要來源為ni元素的固溶韌化、共格納米級別富cu相與(cr，mo)2c的析出韌化，以及長時間回火導致位錯密度降低帶來的韌性提高。

24、（2）本發明鋼板通過降低c含量保證優異的焊接性能與沖擊性能，同時添加cu元素彌補c元素降低帶來的強度損失，在ni含量為3.0~5.0%時，調控cr、mo含量的比例為1:1，產生的富cu相會促進共格納米級別(cr、mo)2c析出相的形成，從而使鋼板的強韌性同步提高。

25、（3）首先，本發明鋼板通過控制nb、ti元素的含量比例為1：1，利用nb-ti協同作用微合金化細化馬氏體基體提高位錯密度，為富cu相提供更多的形核位置；其次，析出的富cu相又作為(cr，mo)2c的異質形核位置，促進了納米級別(cr,?mo)2c的析出，納米級別(cr,mo)2c析出相與馬氏體基體共格，能提供強化與韌化的雙重效果；最后，在納米級別富cu相與(cr，mo)2c析出相的協同作用下，在長時間的回火過程中阻礙了位錯回復，即保證了鋼板的強度，又顯著提高了低溫韌性。

26、（4）本發明鋼板具有優異的焊接性能，厚度范圍為10-60mm，屈服強度大于1000mpa，抗拉強度大于1100mpa，-40℃沖擊功大于150j。