[发明专利]一种纳米级球形渗碳体强化的铁素体钢板及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种纳米球形渗碳体强化的铁素体钢板及其制备方法。

背景技术

钢是所有金属中用途最广泛的一种材料，在航空、核能、舰船、石化等工业领域广泛应用，钢材的性能与人们的生活安全密切相关。目前，工业用钢的开发主要致力于提高钢的强度并保持其成形性。研发质量轻、耐冲击的运输工具体系的新设计理念要求开发强度高及能量吸收能力优良、比质量轻的材料。提高强度可以减轻重量(满足节能环保需求)，而提高塑性则可满足复杂结构件的形状设计及提高安全性能的需求。但由于我国钢铁企业对一些高附加值钢材产品生产能力不足，长期依赖进口。自上世纪90年代开始，中国造船业大规模进入国际市场并已逐步成为我国支柱产业之一，船舶工业持续呈现强劲的增长势头，占世界造船市场份额不断扩大。为了推动中国造船的持续发展，国家发改委曾提出在2015年打造第一造船国，船舶产量大于2400万载重吨，占世界市场份额的35％左右。随着我国造船事业的蓬勃发展，船用钢板的需求持续增加，而船舶的大型化和轻型化，一般强度船板己不能满足船体的需求，高强度船体结构钢板的比例正在不断提高。研究结构钢微合金化、超细晶化对钢性能的影响，通过试验分析研究高强度船体结构钢板的力学性能，对于探讨未来高强度船体用钢的发展方向具有促进作用。

基础理论的突破是新一代船体结构钢发展的关键。发达国家正在加紧研发相当于目前常用钢材强度2倍甚至更高的超级钢。它具有超细化、超洁净、超均质的组织和成分特征，以及高强度高韧性的力学性能特征。我国称它为“新一代钢铁材料”，而日本称它为“超级钢”。

“新一代钢铁材料”或“超级钢”的核心理论和技术是实现钢材内部组织的超细化，将目前细晶钢的基体组织细化至微米数量级，使其强度显著提高。它的强化途径完全不同于传统的以合金元素添加为主要手法的强化途径，而是采用了尽量降低合金成分含量，使其碳当量维持在低碳钢的水平上，依靠晶粒超细化来提高强度。超级钢铁材料的研究计划采用了晶粒超微细化、成分合金化或不添加合金元素的途径，可以获得易于焊接的以铁素体为主相组织的钢材。这是在前一时期的理论突破基础上制定并开始实施的计划，对未来高强度结构钢的发展具有指导意义。

我国对超细晶粒钢的研究，除了采用强力变形和动态再结晶轧制因素外，主要发展了形变和相变耦合在超细晶钢中的作用。形成了以变形诱导铁素体相变(DIFT)为核心的细晶粒或超细晶粒形成理论和控制技术，实现细晶粒或超细晶粒钢的工业化生产。变形诱导铁素体相变是指在钢的Ac1温度附近施加变形，变形中奥氏体能量升高，稳定性降低，从而导致奥氏体一铁素体相变。由于相变是在变形过程中，而不是在变形之后的冷却过程中发生的，因而又被称为动态相变(Dynamic Transformation)。这种相变之所以引起人们的关注，一方面是因为它能够获得超细晶，另一方面是因为它具有较好的工业化前景。

高强度高韧性是钢铁材料的主要追求目标。目前所遇到的主要问题是如何在提高其强度的同时能保持良好的韧性。提高钢铁材料强度的途径主要包括利用点缺陷(固溶强化)、线缺陷(位错)、面缺陷(细晶)及体缺陷(第二相)的强化作用等四种。其中，通过细化晶粒使晶粒(或亚结构)减小至超细晶/纳米尺度是同时获得超高强度及高韧性钢的有效方法。但是，晶粒细化到1mm之后，由于屈服强度的提高明显大于抗拉强度的提高，屈服比将迅速增大到0.9以上，对安全性和冷加工性能明显不利。因此，在晶粒细化的同时，对于第二相的微细化及其形状和分布状态的有效控制是未来钢铁材料科学与技术的最重要发展方向。在提高钢铁材料强度的各种措施中，细化晶粒是钢铁材料发展的重要方向。

目前，美国、日本、瑞典的纳米结构钢产业化发展较快。正在探索的将晶粒细化至纳米量级的结构钢及合金的制造工艺主要包括：激光熔化和搅拌摩擦处理；相转变诱导纳米/超细晶粒钢；马氏体时效处理和相变诱导塑性(TRIP)效应相结合。

高强度船体结构钢的化学成分设计是采用在C-Mn钢基础上加入适量Cu，Ni，Cr等元素以改善钢的耐大气腐蚀性。其特点为：(1)C，Mn，元素以固溶强化的作用保证钢的基本强度要求；(2)严格控制S，P的含量，确保钢板具有良好的冲击韧性；(3)合金元素Cu，Ni，Cr等可以提高钢的强度，还可以改善钢的抗大气腐蚀性能，Ni还能降低钢的低温脆性转折温度。