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CN114921638B - 低碳低合金高强薄钢板的精确热处理方法 - Google Patents

低碳低合金高强薄钢板的精确热处理方法 Download PDF

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CN114921638B CN202210483543.8A CN202210483543A CN114921638B CN 114921638 B CN114921638 B CN 114921638B CN 202210483543 A CN202210483543 A CN 202210483543A CN 114921638 B CN114921638 B CN 114921638B
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Abstract

本发明提供了一种低碳低合金高强薄钢板的精确热处理方法,涉及材料加工技术领域。该精确热处理方法为依次通过退火处理、奥化处理、夹持淬火处理和回火处理,将钢板的组织依次转变为铁素体和珠光体组织、奥氏体组织、马氏体组织以及回火马氏体组织,其中,夹持淬火处理中钢板的夹持力是变化的。该方法实现精密协同控性控形,得到的钢板变形小,表面无明显压痕同时机械性能好,并且降低了生产成本,简化了工艺步骤。

Description

低碳低合金高强薄钢板的精确热处理方法
技术领域
本发明涉及材料加工技术领域,尤其是涉及一种低碳低合金高强薄钢板的精确热处理方法。
背景技术
低碳低合金高强薄钢板广泛应用于国防军工、工程机械、矿冶工程、轨道交通等重点领域。随着这些重点领域向重载高速长寿命方向发展,其所需的低碳低合金高强薄钢板也需要向“尺度大型化、结构复杂化、形式整体化、材料轻质化、质量精确化”方向发展。对钢板各性能指标提出了更苛刻要求:既需满足高强度、易焊接等常规性能,同时需兼备优异板形、低残余应力、优良表面质量等表观性能。
为使低碳低合金高强薄钢板获得所需性能,必须对其进行热处理。进一步的,薄钢板在最终热处理过程的淬火阶段需对其快速淬火冷却,获得全马氏体组织,从而确保薄钢板获得所需强度与韧性。由于低碳低合金高强薄钢板具有长(宽)厚比极大、弱刚度等特点,在热处理过程的快速淬火阶段极易产生大的淬火畸变。采用常规穿水式自由淬火,薄钢板易产生龟背、凸起、翘曲等严重变形,通常需要后处理进行修正,而低碳低合金高强薄钢板经热处理后强度高,需对热处理后的低碳低合金薄钢板多次矫正、修磨、火校后方可获得所需板形。然而经多次矫正、修磨后,钢板产生较大残余应力,会降低薄板的各项性能,尤其是疲劳性能,从而大大缩短薄钢板的服役寿命。采用恒定夹持淬火,薄钢板又容易产生局部压痕、塑性变形、微裂纹等缺陷,影响薄钢板表观质量甚至导致薄钢板直接报废。
有鉴于此,特提出本发明。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种低碳低合金高强薄钢板的精确热处理方法,以至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
本发明的目的之二在于上述方法制备得到的低碳低合金高强薄钢板。
为了实现本发明的上述目的,特采用以下技术方案:
一种低碳低合金高强薄钢板的精确热处理方法,包括如下步骤:
步骤(a)退火处理,将所述钢板的组织转变为铁素体和珠光体组织;
步骤(b)奥化处理,将步骤(a)中的铁素体和珠光体组织转变为奥氏体组织;
步骤(c)夹持淬火处理,将步骤(b)中的奥氏体组织转变为马氏体组织,其中,所述钢板的夹持力是变化的;
步骤(d)回火处理,将步骤(c)中的马氏体组织转变为回火马氏体组织。
进一步地,所述步骤(c)夹持淬火处理中,所述夹持力的施用分为如下阶段(1)-(3):
阶段(1)夹持力为奥氏体组织阶段变形力的最大值;
阶段(2)夹持力为奥氏体转变马氏体阶段变形力的最大值;
阶段(3)夹持力为马氏体组织阶段变形力的最大值;
优选地,所述变形力由所述钢板在淬火过程中变形力演变历程确定。
进一步地,所述步骤(c)中夹持淬火处理的操作包括:夹持的钢板以大于马氏体组织最小冷却速度对应的喷水流量和喷水压力进行淬火,冷却至低于马氏体结束转变温度的温度T4;
优选地,所述温度T4至少低于马氏体结束转变温度50-80℃。
进一步地,所述步骤(a)中退火处理的操作包括:将所述钢板加热到高于奥氏体结束转变温度的温度T1保温时间t1,随后冷却至低于贝氏体开始转变温度的温度T2。
进一步地,所述温度T1高于奥氏体结束转变温度80-100℃,所述时间t1为所述钢板的毫米制厚度的1.5-5倍;
优选地,所述温度T2至少低于贝氏体开始转变温度80-100℃。
进一步地,所述步骤(b)中奥化处理的操作包括:将所述钢板加热到高于奥氏体结束转变温度的温度T3保温时间t2。
进一步地,所述温度T3高于奥氏体结束转变温度30-80℃,所述时间t2为所述钢板的毫米制厚度的1.5-2倍。
进一步地,所述步骤(d)中回火处理的操作包括:将所述钢板加热到180-680℃,保温时间t3,所述时间t3为所述钢板的毫米制厚度的10-30倍。
进一步地,在所述步骤(a)之前还包括检测所述钢板的等温转变曲线和连续冷却转变曲线的步骤。
上述精确热处理方法制备得到的低碳低合金高强薄钢板。
与现有技术相比,本发明的技术效果为:
本发明的提供的热处理方法可以解决现有技术中高强度薄钢板热处理过程中易出现的变形、压痕、残余应力大等问题,实现精密协同控性控形,得到的钢板变形小,表面无明显压痕同时机械性能好,并且降低了生产成本,简化了工艺步骤。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施方式,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的低碳低合金高强薄钢板的尺寸示意图;
图2为本发明对比例1中自由淬火条件下钢板淬火变形图片;
图3为本发明对比例2中恒定夹持淬火条件下钢板压痕等缺陷照片;
图4为本发明实施例中低碳低合金薄钢板材料连续冷却转变曲线,其中,Ac1:奥氏体开始转变温度,Ac3:奥氏体结束转变温度,Ms:马氏体开始转变温度,Mf:马氏体结束转变温度;
图5为本发明实施例中低碳低合金薄钢板材料等温转变曲线,其中,Ac1:奥氏体开始转变温度,Ac3:奥氏体结束转变温度,Ms:马氏体开始转变温度,Mf:马氏体结束转变温度;
图6为本发明实施例中不同淬火流量条件下钢板心部温度随时间变化曲线;
图7为本发明实施例中钢板变形力随时间变化曲线;
图8为本发明实施例中变夹持力淬火钢板夹持力随时间变化曲线;
图9为本发明实施例中精确热处理后得到的钢板。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明提供的低碳低合金高强薄钢板的精确热处理方法包括以下步骤:
步骤(a)退火处理,将钢板的组织转变为铁素体和珠光体组织。
该步骤中,退火处理后钢板的组织变为均匀的铁素体和珠光体组织,提高了钢板成分和组织均匀性,进而提高了步骤(c)中组织转变的均匀性,降低组织应力,减少钢板变形。
步骤(b)奥化处理,将步骤(a)中的铁素体和珠光体组织转变为奥氏体组织。
该步骤中,奥化处理后钢板组织由退火处理后的铁素体和珠光体转变为奥氏体组织,为步骤(c)夹持淬火处理做组织准备。
步骤(c)夹持淬火处理,将步骤(b)中的奥氏体组织转变为马氏体组织,其中,所述钢板的夹持力是变化的。
该步骤中,钢板组织由奥化处理时的奥氏体全部转变为马氏体组织,钢板夹持力的可调节使得钢板在夹持淬火处理中既被限制变形又可自由伸缩。
变压力夹持方案既可限制钢板常规自由淬火冷却方法的变形又可避免常规恒定夹持力淬火冷却方法的压痕、划痕等表面缺陷。对钢板的淬火过程分析可知,钢板在夹持淬火过程主要分为如下三个阶段:
(1)初步定形阶段:该阶段钢板处理奥氏体过冷区,强度低塑性好,仅产生热应力,且在该阶段钢板由于冷却收缩钢板从钢板四周往钢板心部收缩,故在此阶段可施加持续较小夹持力(具体夹持力的大小随处理钢板不同的不同)限制变形和避免钢板表面产生压痕缺陷,同时钢板可往心部收缩避免夹持力过大导致的划痕和表面拉应力等缺陷。
(2)冷却控形阶段:此阶段钢板组织由奥氏体转变为马氏体,钢板强度增大,同时产生组织应力和热应力,应力较大,是钢板控形关键阶段,且在该阶段钢板冷却导致钢板从钢板四周往钢板心部收缩而钢板由奥氏体转变为马氏体体积膨胀导致钢板从钢板心部向钢板四周膨胀,两者可相互抵消部分,故在此阶段可施加较大夹持力(具体夹持力的大小随处理钢板不同的不同)防止钢板变形。
(3)尺寸稳定阶段:此阶段钢板组织为马氏体,钢板强度高,但是钢板内外仍存在温差,继续冷却产生热应力,故在此阶段施加相对较大应力(具体夹持力的大小随处理钢板不同的不同)防止钢板变形。
步骤(d)回火处理,将步骤(c)中的马氏体组织转变为回火马氏体组织。
该步骤中,钢板由马氏体组织转变为回火马氏体或回火索氏体,使得钢板获得较佳的强韧性综合性能匹配。
在优选的实施方式中,上述步骤(c)夹持淬火处理中,夹持力的施用具体可以采用如下方式:
阶段(1)夹持力为奥氏体组织阶段变形力的最大值;
阶段(2)夹持力为奥氏体转变马氏体阶段变形力的最大值;
阶段(3)夹持力为马氏体组织阶段变形力的最大值。
具体地,夹持力的变化为六段式夹持,分别为变化到阶段(1)的夹持力、阶段(1)的夹持力维持、阶段(1)变化到阶段(2)的夹持力、阶段(2)的夹持力维持、阶段(2)变化到阶段(3)的夹持力、阶段(3)的夹持力维持,其中,“变化到阶段(1)的夹持力”、“阶段(1)变化到阶段(2)的夹持力”以及“阶段(2)变化到阶段(3)的夹持力”,这些夹持力的转换应以尽可能快的方式转换,具体可以以所使用的淬火设备的性能进行调整。
在优选的实施方式中,在精确热处理该钢板前,需要准备工作如下:
(i)获得该钢板的等温转变曲线和连续冷却转变曲线,从而获得全马氏体组织的最小冷却速度、奥氏体结束转变温度、贝氏体开始转变温度、马氏体开始转变温度、马氏体结束转变温度等关键相变温度,指导基于理化试验和数据模拟工艺优化高强薄钢板精确控性控形的步骤(a)中退火处理的加热温度和出炉冷却温度、步骤(b)中奥化处理的加热温度、步骤(c)中水冷温度等。
(ii)运用数值模拟方法获得该钢板优化的淬火工艺参数,该工艺参数应使得钢板转换为全马氏体组织,即获得钢板的最低冷却速度大于上述获得全马氏体组织的最小冷却速度对应的喷水流量和喷水压力等参数。
(iii)运用数值模拟方法确定钢板在上述淬火过程中变形力演变历程,从而确定上述阶段(1)-(3)中的变形力。
在优选的实施方式中,步骤(c)中夹持淬火处理的操作包括:夹持的钢板以大于马氏体组织最小冷却速度对应的喷水流量和喷水压力进行淬火,冷却至低于马氏体结束转变温度的温度T4。温度T4优选为至少低于马氏体结束转变温度50-80℃,温度T4可以但不限于为至少低于马氏体结束转变温度50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃或80℃。
在优选的实施方式中,步骤(a)中退火处理的操作包括:将钢板加热到高于奥氏体结束转变温度的温度T1保温时间t1,随后冷却至低于贝氏体开始转变温度的温度T2。温度T1优选为高于奥氏体结束转变温度80-100℃,例如80℃、85℃、90℃、95℃或100℃等;时间t1优选为钢板的毫米制厚度的1.5-5倍,需要说明的是,时间t1为分钟制,例如,钢板的厚度如果为10mm,时间t1为15-50min;温度T2优选为至少低于贝氏体开始转变温度80-100℃,例如80℃、85℃、90℃、95℃或100℃等。
在优选的实施方式中,步骤(b)中奥化处理的操作包括:将钢板加热到高于奥氏体结束转变温度的温度T3保温时间t2。温度T3优选为高于奥氏体结束转变温度30-80℃,例如30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃或80℃,时间t2优选为钢板的毫米制厚度的1.5-2倍。
在优选的实施方式中,步骤(d)中回火处理的操作包括:将钢板加热到180-680℃,保温时间t3,时间t3为钢板的毫米制厚度的10-30倍。钢板的加热温度可以但不限于为180℃、280℃、380℃、480℃、580℃或680℃。
在更优选的实施方式中,低碳低合金高强薄钢板的精确热处理方法如下:
第一阶段,基于理化试验和数据模拟工艺优化:
步骤1,获得低碳低合金高强薄钢板对应材料的等温转变曲线和连续冷却转变曲线;指导基于理化试验和数据模拟工艺优化高强薄钢板精确控性控形(第二阶段)中步骤(a)退火处理的加热温度和出炉冷却温度、步骤(b)奥化处理的加热温度、步骤(c)中水冷温度。
步骤2,运用数值模拟方法获得低碳低合金薄钢板优化的淬火工艺参数;可指导基于理化试验和数据模拟工艺优化高强薄钢板精确控性控形(第二阶段)中步骤(c)中喷淋系统参数的设计。
步骤3,运用数值模拟方法确定钢板在上述淬火过程中变形力演变历程;
步骤4,在步骤3的基础上,结合钢板淬火冷却理论和作用力与反作用力原理,获得低碳低合金高强薄板夹持力的最优值。可指导基于理化试验和数据模拟工艺优化高强薄钢板精确控性控形(第二阶段)中步骤(c)中夹持力的优化设计。
第二阶段,高强薄钢板变压力夹持夹持淬火处理:
步骤(a),退火处理,将钢板加热至某一温度T1保温一段时间t1,随后随炉冷却至某一温度T2出炉冷却;
步骤(b),奥化处理,将钢板加热至某一温度T3保温一段时间t2;
步骤(c),夹持淬火处理,将钢板快速转移至淬火设备中,淬火设备将钢板夹持,启动喷淋系统将钢板水冷至某一温度T4;淬火烈度根据基于理化实验和数值模拟工艺优化(第一阶段)的步骤2确定,如此既可使得钢板在步骤(c)夹持淬火处理过程中全部转变为马氏体又可避免因过大的冷速产生大应力导致的大淬火畸变;淬火设备施加给钢板的夹持力根据基于理化实验和数值模拟工艺优化(第一阶段)的步骤3和4确定并设计优化的变压力夹持变压力夹持方式,这样钢板在步骤(c)夹持淬火处理过程中既被限制变形又可自由伸缩。
步骤(d),回火处理,将钢板加热至某一温度保温一段时间t3,使得钢板获得较佳的强韧性综合性能匹配。
本发明提供的方法中,夹持淬火处理中淬火工艺参数可以调控钢板的组织/性能,使得低碳低合金薄钢板整体淬火成高强度马氏体。变化夹持力可防止钢板在淬火过程产生大的热处理变形和表面压痕、划痕等问题。
本发明还提供上述方法制备得到的低碳低合金高强薄钢板,性能与外观皆优。
下面通过实施例对本发明作进一步说明。如无特别说明,实施例中的材料为根据现有方法制备而得,或直接从市场上购得。
实施例
低碳低合金薄钢板尺寸如图1所示,钢板长12000mm,宽2000mm,厚10mm。钢板化学成分如表1所示。
表1 低碳低合金薄钢板化学成分(质量分数,wt%)
C Si Mn Cr Ni Mo
0.28 0.2~0.5 0.75~1.1 0.75~1.1 1-1.3 0.25~0.45
基于理化实验和数值模拟工艺优化(第一阶段)包括如下步骤:
步骤1,通过理化实验获得低碳低合金高强钢板材料的连续冷却转变曲线(图4)和等温转变曲线(图5);由此可得钢板材料的奥氏体结束转变温度为820℃,贝氏体开始转变温度为500℃,马氏体开始转变温度为340℃,马氏体结束转变温度为200℃,获得全马氏体组织的最小冷却速度V为40℃/s。
步骤2,运用数值模拟方法获得低碳低合金薄钢板优化的淬火工艺参数;设计了三种淬火工艺方案——淬火工艺方案一:淬火流量为5L/m2*s、淬火压力为0.2MPa;淬火工艺方案二:淬火流量为10L/m2*s、淬火压力为0.2MPa;淬火工艺方案三:淬火流量为15L/m2*s、淬火压力为0.2MPa。不同淬火工艺方案下钢板心部的温度随时间变化曲线如图6所示。
由此可见,在淬火工艺方案为5L/m2*s时,钢板心部的冷速约为25℃/s,小于步骤1中的连续冷却转变曲线中转变为获得全马氏体组织的最小冷却速度V为40℃/s,故钢板在此淬火工艺条件下无法获得所需的马氏体组织;淬火工艺方案为10L/m2*s时,钢板心部的冷速约为48℃/s,稍大于步骤1中的连续冷却转变曲线中转变为获得全马氏体组织的最小冷却速度V为40℃/s,故在此工艺条件下钢板能获得所需的马氏体组织;淬火工艺方案为20L/m2*s时,钢板心部的冷速约为98℃/s,大于步骤1中的连续冷却转变曲线中转变为获得全马氏体组织的最小冷却速度V为40℃/s,在此工艺条件下钢板可获得所需的马氏体组织。结合实际生产,为节约淬火水和便于淬火过程的操作,淬火工艺选择淬火工艺方案二,淬火流量为10L/m2*s、淬火压力为0.2MPa。
步骤3,运用数值模拟方法确定钢板在上述淬火过程中变形力演变历程,如图7所示。淬火中最大变形力为158KN,且变形力不断变化。
步骤4,在步骤3的基础上,结合钢板淬火冷却理论和作用力与反作用力原理,获得低碳低合金高强薄板夹持力的最优值如图8所示(为奥氏体、奥氏体转变马氏体、马氏体,三个状态下变形力的最大值),在从0s到1s内夹持力增加至70KN,在1s到5s之间夹持力保持为70KN,从5s到10s夹持力从70KN增加至158KN,在10s到16s之间夹持力保持为158KN,从16s到20s内夹持力从158KN降低至90KN,在20s到30s夹持力保持为90KN。
高强薄钢板变压力夹持淬火处理(第二阶段)包括如下步骤:
步骤(a),退火处理,将钢板加热至900℃保温一段时间30min,随后随炉冷却至400℃出炉冷却;
步骤(b),奥化处理,将钢板加热至某一温度860℃保温18min;
步骤(c),夹持淬火处理,将钢板快速转移至淬火设备中,淬火设备将钢板夹持,设置的夹持力为:在从0s到1s内夹持力增加至70KN,在1s到5s之间夹持力保持为70KN,从5s到10s夹持力从70KN增加至158KN,在10s到16s之间夹持力保持为158KN,从16s到20s内夹持力从158KN降低至90KN,在20s到30s夹持力保持为90KN;启动喷淋系统(淬火流量为10L/m2*s、淬火压力为0.2MPa)将钢板水冷却30s,钢板冷却至30℃;
步骤(d),回火处理,将钢板加热至200℃,并保温200min。
经检测,运用如上实施例的技术,获得的钢板变形小,最大为10mm,表面无明显压痕等缺陷,如图9所示,屈服强度约为1500MPa,抗拉强度约为1750MPa,延伸率为15%~17%,实现了低碳低合金高强薄钢板精确热处理。
对比例1
采用如实施例中的钢板,操作流程参照实施例(步骤(a)-步骤(d))进行,其中,不同的是,步骤(c)中采用的是钢板自由淬火,具体为在淬火流量为10L/m2*s、淬火压力为0.2MPa的淬火工艺条件下进行自由淬火,钢板淬火数值模拟和实际热处理钢板如图2所示。由此可见,在该淬火工艺下,钢板发生明显变形,无法满足使用要求。
对比例2
采用如实施例中的钢板,操作流程参照实施例(步骤(a)-步骤(d))进行,其中,不同的是,步骤c中采用的是钢板恒定夹持淬火,淬火流量为10L/m2*s、淬火压力为0.2MPa、淬火过程恒定夹持力为158000N的淬火工艺条件下进行恒定夹持淬火,钢板淬火数值模拟和实际热处理钢板如图3所示。由此可见,在该淬火工艺条件下,钢板表面产生明显的压痕等缺陷,影响外观质量,不满足使用要求。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种低碳低合金高强薄钢板的精确热处理方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤(a)退火处理,将所述钢板的组织转变为铁素体和珠光体组织;
步骤(b)奥化处理,将步骤(a)中的铁素体和珠光体组织转变为奥氏体组织;
步骤(c)夹持淬火处理,将步骤(b)中的奥氏体组织转变为马氏体组织,其中,所述钢板的夹持力是变化的;
步骤(d)回火处理,将步骤(c)中的马氏体组织转变为回火马氏体组织;
所述步骤(c)夹持淬火处理中,所述夹持力的施用分为如下阶段(1)-(3):
阶段(1)为初步定形阶段:该阶段钢板处理奥氏体过冷区,强度低塑性好,仅产生热应力,夹持力为奥氏体组织阶段变形力的最大值;
阶段(2)为冷却控形阶段:此阶段钢板组织由奥氏体转变为马氏体,钢板强度增大,同时产生组织应力和热应力,夹持力为奥氏体转变马氏体阶段变形力的最大值;
阶段(3)为尺寸稳定阶段:此阶段钢板组织为马氏体,钢板强度高,但是钢板内外仍存在温差,继续冷却产生热应力,夹持力为马氏体组织阶段变形力的最大值;
所述变形力由所述钢板在淬火过程中变形力演变历程确定;
所述步骤(c)中夹持淬火处理的操作包括:夹持的钢板以大于马氏体组织最小冷却速度对应的喷水流量和喷水压力进行淬火,冷却至低于马氏体结束转变温度的温度T4。
2.根据权利要求1所述的精确热处理方法,其特征在于,
所述温度T4低于马氏体结束转变温度50℃。
3.根据权利要求1所述的精确热处理方法,其特征在于,所述步骤(a)中退火处理的操作包括:将所述钢板加热到高于奥氏体结束转变温度的温度T1保温时间t1,随后冷却至低于贝氏体开始转变温度的温度T2。
4.根据权利要求3所述的精确热处理方法,其特征在于,所述温度T1高于奥氏体结束转变温度80-100℃,所述时间t1为所述钢板的毫米制厚度的1.5-5倍;
所述温度T2低于贝氏体开始转变温度80℃。
5.根据权利要求1所述的精确热处理方法,其特征在于,所述步骤(b)中奥化处理的操作包括:将所述钢板加热到高于奥氏体结束转变温度的温度T3保温时间t2。
6.根据权利要求5所述的精确热处理方法,其特征在于,所述温度T3高于奥氏体结束转变温度30-80℃,所述时间t2为所述钢板的毫米制厚度的1.5-2倍。
7.根据权利要求1所述的精确热处理方法,其特征在于,所述步骤(d)中回火处理的操作包括:将所述钢板加热到180-680℃,保温时间t3,所述时间t3为所述钢板的毫米制厚度的10-30倍。
8.根据权利要求1-7任一项所述的精确热处理方法,其特征在于,在所述步骤(a)之前还包括检测所述钢板的等温转变曲线和连续冷却转变曲线的步骤。
9.权利要求1-8任一项所述的精确热处理方法制备得到的低碳低合金高强薄钢板。
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