CN118685697A - 一种耐应力腐蚀的高强韧中碳钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐应力腐蚀的高强韧中碳钢，其含有Fe和不可避免的杂质，此外还含有质量百分含量如下的下述各化学元素：C：0.37～0.43％、Si：0.10～0.40％、Mn：0.50～0.90％、Cr：0.60～1.25％、Ni：1.30～2.00％、Mo：0.15～0.30％、Al：0.02～0.05％、Nb：0.001～0.030％。相应地，本发明还提供了该耐应力腐蚀的高强韧中碳钢的制造方法。本发明所述的钢种具有良好的冲击韧性和延伸率及面缩率，同时还具有可抗应力腐蚀开裂性能，并有良好的耐候性和抗疲劳性能。

Description

一种耐应力腐蚀的高强韧中碳钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种钢材及其制造方法，尤其涉及一种中碳钢及其制造方法。

背景技术

高强韧钢棒材通常应用于高安全性机械及结构类部件，如风电紧固件等关键易损件，应具有高强度、高韧型、耐应力腐蚀及高疲劳性能等。

在现有技术中，通常选取适当的化学成分，采用控制轧制控制冷却或淬火+回火工艺，生产高强韧钢材。其中，采用控轧控冷方式生产高强度钢材，由于在轧制和冷却过程中控制难度较大，影响钢力学性能的整体均匀性。采用淬火+回火工艺生产高强度钢材，通过优化合金元素和碳元素的含量，提高钢的淬透性，使钢在冷却过程中形成马氏体组织。以马氏体为主的高强度钢材位错密度大，导致冲击韧性较差，而且在拉伸过程中出现微小缺陷如微裂纹的情况下会迅速断裂失效，断裂韧性较低。

此外，Cr-Ni-Mo系中碳低合金钢因具有良好的强韧性而广泛应用于工程机械、汽车、桥梁、海洋装备等领域，其安全使用强度级别不超过1000MPa，而更高强度级别钢的应用，不仅可以使得装备轻量化，而且还可以节约资源。然而，随着钢强度级别的提高，加工制造难度增大，其氢脆敏感性势必会增加。

公开号为CN102242322A，公开日为2011年11月16日，名称为“一种改进型40CrNiMo钢及其制备方法”的中国专利文献公开了一种中碳钢，其化学元素重量％为：0.37～0.45％的C,1.65～1.85％的Cr，0.45～0.65％的Ni，0.15～0.25％的Mo，0.90～1.20％的Mn，0.40～0.55％的Si，0.0025～0.0045％的B，0.22～0.28％的N，0.007～0.012％的Ca，0.002～0.005％的Mg，0.03～0.06％的Nb，0.04～0.08％的Ti，0.02～0.06％的RE，≤0.015％的S和≤0.025％的P和≤0.0008％的Al，Fe为余量。该钢材的抗拉强度≥1195MPa，冲击功优于85J，但是其不涉及耐应力腐蚀性能。

公开号为CN104726783A，公开日为2015年6月24日，名称为“一种风电偏航、变桨轴承套圈用钢”是中国专利文献公开了一种钢材，其化学成分质量百分比为：C：0.37～0.42、Mn：0.50～0.80、Mo：0.20～0.30、Ni：1.30～1.70、Cr：0.70～1.00、Si：0.20～0.50、Al酸溶：0.035～0.055、V：0.07～0.12、N：≤0.004、O：≤0.0008、H：≤0.00015、S：≤0.010、P：≤0.015，其余部分为Fe和少量杂质。上述风电偏航、变桨轴承套圈的制备方法是对加工成的风电偏航、变桨轴承套圈进行热处理，首先加热到860～890℃温度保温3-5h进行奥氏体化后油淬处理，然后再加热到580～630℃温度保温3-5h油冷至室温。本发明制备的钢具有优异的淬透性，各项力学性能完全达到大功率风电偏航和变桨轴承用钢的标准和使用要求。但是，该钢种也不涉及耐应力腐蚀性能。

此外，从上述现有技术可以看出，在当前现有技术中，为了获得高性能的中碳合金钢，本领域技术人员采用增加大量合金元素或添加B、Nb、Mg、稀土等微合金元素提升强度，改善性能，并以此来获得高性能的中碳合金钢。但是这种添加较大含量合金元素的设计方案，很容易增加制造成本，并且钢中合金元素含量过高时，会形成粗大的碳化物颗粒，如Cr、Mo、V、Ti的碳化物等，降低钢材的冲击韧性。

此外，针对潮湿的服役环境条件，Cr-Ni-Mo系中碳低合金钢零部件承受大载荷以及动态冲击，容易出现应力腐蚀，严重地可发生脆性断裂，造成巨大的经济损失甚至出现安全事故。

基于此，希望获得一种具有耐应力腐蚀性能的高强韧中碳钢。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种耐应力腐蚀的高强韧中碳钢，该钢材具有良好的冲击韧性和延伸率及面缩率，可抗应力腐蚀开裂并有良好的耐候性和抗疲劳性能，可用于工程机械及海洋工程等需要高强韧钢材的场合。

为了实现上述目的，本发明提出了一种耐应力腐蚀的高强韧中碳钢，其含有Fe和不可避免的杂质，此外其还含有质量百分含量如下的下述各化学元素：

C：0.37～0.43％、Si：0.10～0.40％、Mn：0.50～0.90％、Cr：0.60～1.25％、Ni：1.30～2.00％、Mo：0.15～0.30％、Al：0.02～0.05％、Nb：0.001～0.030％。

相应地，本发明还提供了一种耐应力腐蚀的高强韧中碳钢，其各化学元素质量百分含量为：

C：0.37～0.43％、Si：0.10～0.40％、Mn：0.50～0.90％、Cr：0.60～1.25％、Ni：1.30～2.00％、Mo：0.15～0.30％、Al：0.02～0.05％、Nb：0.001～0.030％；余量为Fe和不可避免的杂质。

在本发明所述的耐应力腐蚀的高强韧中碳钢中的各化学元素成分设计原理如下：

C：可以提高钢材的淬透性，使钢在淬火冷却过程中形成硬度较高的相变组织。C含量提高，则会提高硬质相比例，提高钢材的硬度，但会导致韧性下降。C含量太低，难以获得较高的强度。基于此，本发明控制C含量为0.37～0.43％。

Si：在钢中有益于强度提升，适量的Si在回火时可避免形成粗大的碳化物，但较高的Si含量会降低钢材的冲击韧性。基于此，本发明采用低Si成分体系，限定Si含量为：0.10～0.40％。

Mn：在钢中主要以固溶形式存在，可提高钢的淬透性，淬火时形成高强度的低温相变组织，所得钢材具有良好的耐磨性。然而Mn含量过高会导致形成较多的残留奥氏体，降低钢的屈服强度，并容易导致中心偏析。基于此，本发明控制Mn含量为：0.50～0.90％。

Cr：可以提高钢的淬透性，形成硬化的马氏体组织，提高钢材强度。然而Cr含量过高，会形成粗大的碳化物，降低冲击性能。基于此，本发明控制Cr含量为：0.60～1.25％。

Ni：在钢中以固溶形式存在，可提高钢的低温冲击性能。但过高的Ni含量会导致钢材中的残留奥氏体含量过高，而降低钢的强度。基于此，本发明控制Ni含量为：1.30～2.00％。

Mo：可在钢中固溶，并有利于提高钢的淬透性，提高钢材强度。在较高的温度回火，会形成细小的碳化物进一步提高钢的强度。考虑贵重合金Mo元素的成本，本发明控制Mo含量为：0.15～0.30％。

Al：在钢中形成细小的AlN析出物，可抑制奥氏体晶粒长大。然而Al含量过高会导致较大的Al的氧化物形成，粗大的AlN硬质夹杂会降低钢的冲击韧性和疲劳性能。基于此，本发明控制Al含量为：0.02～0.05％。

Nb：Nb加入钢中形成细小析出相，起到对钢再结晶的抑制作用，可以细化晶粒。然而Nb含量过高则在冶炼过程中会形成粗大的NbC颗粒，反而降低冲击韧性。晶粒细化在提高钢的力学性能尤其是强度和韧性方面有重要的作用，更重要的是，在本发明中，晶粒细化还有助于降低钢的氢脆敏感性。基于此，本发明控制Nb含量为：0.001～0.030％。

进一步地，在本发明所述的耐应力腐蚀的高强韧中碳钢中，其还含有下述各化学元素的至少其中之一：0＜Cu≤0.3％、0＜V≤0.06％、0＜Ti≤0.03％、0＜Ca≤0.003％。

Cu：进一步可选地添加Cu可以提高钢材的强度，并有利于提高钢材的耐腐蚀能力。然而如果Cu含量过高，在加热过程中会富集在晶界，导致晶界弱化以致开裂。基于此，本发明可以选择添加Cu，并控制其上限为0.30％。

Ca：Ca元素添加到钢中，可以改善硫化物夹杂的尺寸和形貌，避免冲击韧性恶化。基于此，本发明可以选择添加Ca，并控制其上限为0.003％。

V：V在钢中可与C或N形成析出物，提高钢的强度。如果C和V含量过高，则会形成粗大的VC颗粒。基于此，本发明可以选择添加V，并控制其上限为0.06％。

Ti：Ti加入钢中，可以形成细小析出相，但Ti含量过高则在冶炼过程中会形成粗大的带棱角的TiN颗粒，降低冲击韧性。基于此，本发明可以选择添加Ti，并控制其上限为≤0.03％。

进一步地，在本发明所述的耐应力腐蚀的高强韧中碳钢的不可避免的杂质中，N≤0.012％、O≤0.002％、H≤0.0002％、P≤0.02％、S≤0.015％，并且P+S≤0.03％。

本发明中不可避免的杂质主要是P、S、N、O和H，在技术条件运行的情况下，期望其含量越低越好。其中：

P在钢中晶界处偏聚，会降低晶界结合能，恶化钢的冲击韧性。优选地控制其上限为0.020％。

S在钢中会发生偏聚，且形成较多的硫化物夹杂，降低抗冲击性能。优选地控制其上限为0.015％。

此外，为了进一步提升耐应力腐蚀性能，本发明优选地控制P+S的质量百分含量总量≤0.030％。

N为间隙原子，同时也是MX型析出物形成元素，为了避免N元素在钢中富集，优选地本发明控制其上限为0.012％。

H会在钢中缺陷处聚集，为了防止发生氢致延迟断裂，若抗拉强度超过1150MPa，控制H含量上限为0.0002％。

O会与钢中的Al形成氧化物以及复合氧化物，为了保证钢组织均匀性和低温冲击功级疲劳性能，本发明优选地控制O含量上限为0.0020％。

进一步地，在本发明所述的耐应力腐蚀的高强韧中碳钢中，其中各元素还满足：Mn+Cr+Ni+Mo+Cu≤4.0，式中各化学元素均代入该化学元素质量百分含量的百分号前面的数值。

进一步地，在本发明所述的耐应力腐蚀的高强韧中碳钢中，其微合金元素系数r_M/N的范围为：1.0～5.9，其中，r_M/N＝([Al]/2+[Nb]/6+[Ti]/4)/[N]，式中各化学元素均代入该化学元素质量百分含量的百分号前面的数值。此外，本发明要求微合金元素总量与氮元素的原子比超过1。

进一步地，在本发明所述的耐应力腐蚀的高强韧中碳钢中，其耐大气腐蚀指数I≥7.0，其中：

I＝26.0[Cu]+3.9[Ni]+1.2[Cr]+1.5[Si]+17.3[P]-7.3[Cu][Ni]-9.1[Ni][P]-33.4[Cu]²

式中各化学元素均代入该化学元素质量百分含量的百分号前面的数值。

进一步地，本发明所述的耐应力腐蚀的高强韧中碳钢的轧态微观组织为贝氏体+马氏体和/或残余奥氏体，并且含有纳米级析出物，其中贝氏体的体积相比例≥60％。

进一步地，本发明所述高强韧中碳低合金钢经过淬火+回火热处理后的显微组织主体为细晶粒回火索氏体，并且含有纳米级析出物。

通常认为不同组织对氢脆敏感性从大到小的排序为：原始马氏体＞低温回火的马氏体＞带有原始马氏体位向的回火屈氏体＞贝氏体＞回火索氏体(高温回火)。本发明采用特定的化学成分设计，充分利用各种合金元素及微合金元素对相变和微观组织的影响，经淬火+回火热处理后，形成主体为回火索氏体的微观组织，含有纳米级析出物，同时控制杂质含量，以保证钢的强度、冲击韧性、延伸率和塑性，并具有良好的耐候性、耐磨性和抗应力腐蚀性能及抗疲劳性能。

进一步地，在本发明所述的耐应力腐蚀的高强韧中碳钢中，其奥氏体晶粒度≥6级。

进一步地，本发明所述的耐应力腐蚀的高强韧中碳钢，其屈服强度R_e≥1000MPa，抗拉强度R_m≥1150MPa，延伸率A≥12％，断面收缩率Z≥50％，室温夏比冲击功A_kv≥60J，-40℃夏比冲击功A_kv≥30J，抗氢脆系数η(Z)≥0.85。

本发明的另一目的在于提供一种耐应力腐蚀的高强韧中碳钢的制造方法。

基于上述发明目的，本发明提供了上文所述的耐应力腐蚀的高强韧中碳钢的制造方法，其包括步骤：

(1)冶炼；

(2)铸造；

(3)加热：控制加热温度为1050～1250℃，保温时间为3～24h；

(4)锻造或轧制：控制终轧温度或终锻温度≥850℃；

(5)淬火+回火，其中淬火温度范围为830～910℃，保温时间为30～200min，然后采用水淬处理；回火温度为530～640℃，保温时间为30～200min，回火后空冷或水冷。

在一些实施方式中，在步骤(4)中，可以直接轧制或锻造至成品尺寸。

在另外一些实施方式中，在步骤(4)中，先轧制到中间坯尺寸，再进行中间加热，然后轧制到最终成品尺寸；其中，中间加热温度为1050～1250℃，保温时间为3～24h。

此外在轧制过程中，钢坯出加热炉经高压水除鳞后开始轧制，轧制后采用空冷或缓冷。

采用上述制造方法获得的高强韧中碳钢可以用于风电紧固件等需要高强度棒材的场合，棒材的尺寸规格范围可以为Φ20～130mm。

在本发明所述的制造方法中，本发明所述的高强韧中碳钢在1050℃～1250℃的加热温度下完全奥氏体化。在加热过程中，Al、Nb、V、Ti的碳化物和氮化物及碳氮化物、Cr和Mo的碳化物部分或全部溶解于奥氏体中，在随后的轧制/锻造和冷却过程中，Al、Nb、V、Ti形成细小的析出物。固溶在奥氏体中的Mn、Cr和Mo可以提高钢的淬透性，并提高马氏体的硬度和强度。

然后，在终轧或终锻温度≥850℃的条件下，形成具有细化的贝氏体+少量马氏体和/或残留奥氏体的基体组织，且有细小弥散的纳米级析出物。

此外，钢材轧制或锻造后加热到830～910℃保温后水淬。加热过程中，碳化物形成元素Al、Nb、V、Ti、Cr和Mo的析出物部分溶解，未溶解的析出物钉扎晶界，抑制奥氏体晶粒粗大，使得奥氏体晶粒度≥6级。在淬火冷却过程中，固溶在奥氏体中的合金元素使得钢材具有高强度和良好的韧性。

淬火后的钢在530～640℃做回火热处理，Al、Nb、V、Cr、Ti和Mo会和C、N形成细小的析出物，提高了钢的强度和塑韧性匹配。经淬火+回火热处理后，形成主体为回火索氏体的微观组织，含有纳米级析出物。

本发明所述的耐应力腐蚀的高强韧中碳钢具有以下有益效果：

本发明所述的耐应力腐蚀的高强韧中碳钢通过合理设计的化学成分并结合优化工艺，开发出高强韧钢材，轧制或锻造好的棒材在淬火后采用回火热处理工艺，形成回火马氏体和少量贝氏体及残留奥氏体的组织，以及细小弥散的析出物，该组织使得钢材具有良好的冲击韧性和延伸率及面缩率，可抗应力腐蚀开裂并有良好的耐候性和抗疲劳性能。

其中，本发明所述的耐应力腐蚀的高强韧中碳钢，其屈服强度≥1000MPa，抗拉强度R_m≥1150MPa，延伸率A≥12％，断面收缩率Z≥50％，室温夏比冲击功A_kv≥60J，-40℃低温夏比冲击功A_kv≥30J，抗氢脆系数η(Z)≥0.85。

本发明所述的耐应力腐蚀的高强韧中碳钢的制造方法的工艺设计合理，工艺窗口宽松，可以在棒材或高速线材产线上实现批量商业化生产。

具体实施方式

下面将结合具体的实施例对本发明所述的耐应力腐蚀的高强韧中碳钢及其制造方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。

实施例1-8和对比例1-4

实施例1-8的耐应力腐蚀的高强韧中碳钢均采用以下步骤制得：

(1)按照下述表1-1和表1-2所示的化学成分进行冶炼：在实际操作时，可以采用真空感应炉冶炼、电炉冶炼或转炉冶炼，并经过精炼及真空处理。

(2)铸造：采用模铸或连铸进行铸造，以获得铸锭。

(3)加热：将铸锭放到加热炉内加热，并控制加热温度为1050～1250℃，保温时间为3～24h；其中，在加热时，可以直接升温至加热温度，也可以采用阶梯式升温至加热温度。

(4)锻造或轧制：控制终轧温度或终锻温度≥850℃，并在轧后或锻后进行冷却，冷却方式可以为空冷、风冷。

当进行锻造或锻造时，可以直接轧制或锻造至成品尺寸，也可以先轧制到中间坯尺寸，再进行中间加热，然后轧制到最终成品尺寸；当采用上述分段式轧制时，中间坯的中间加热温度可以控制在1050～1250℃之间，保温时间可以控制在为3～24h之间。

(5)淬火+回火，其中淬火温度范围为830～910℃，保温时间为30～200min，然后采用水淬处理；回火温度为530～640℃，保温时间为30～200min，回火后空冷或水冷。

需要说明的是，对比例1-3的制造流程基于与本发明相同，只是其化学成分或具体工艺参数不满足本发明设计要求。对比例4采用的是市售的圆钢。

表1-1列出了实施例1-8的耐应力腐蚀的高强韧中碳钢和对比例1-4的对比钢材的各化学元素的质量百分配比。

表1-1.(wt.％，余量为Fe和除P、S、O、H和N以外的其他不可避免的杂质)

表1-2列出了实施例1-8的耐应力腐蚀的高强韧中碳钢和对比例1-4的对比钢材的成分协同关系。

表1-2.

注：表1-2中，r_M/N＝([Al]/2+[Nb]/6+[Ti]/4)/[N]；

I＝26.0[Cu]+3.9[Ni]+1.2[Cr]+1.5[Si]+17.3[P]-7.3[Cu][Ni]-9.1[Ni][P]-33.4[Cu]²；

两式中各化学元素均代入该化学元素质量百分含量的百分号前面的数值。

在本发明中，实施例1-8的耐应力腐蚀的高强韧中碳钢和对比例1-4的对比钢材的具体生产工艺操作如下所述：

实施例1

按表1-1和1-2所示的化学成分在50kg真空感应炉上进行冶炼，冶炼获得的钢水模铸成钢锭，并对铸锭进行加热，而后锻造开坯。其中，控制加热为温度1050℃，保温5h后进行锻造，控制终锻温度为850℃，最终锻造成直径为Φ50mm的棒料，锻后空冷。淬火加热温度为860℃，保温时间为30min，回火温度为550℃，回火时间为60min，回火后水冷。

实施例2

按表1-1和1-2所示的化学成分在150kg真空感应炉上进行冶炼，冶炼获得的钢水经模铸制成钢锭，并对钢锭进行加热，而后锻造开坯。其中，控制加热温度1180℃，保温12h后进行锻造，控制终锻温度为960℃，最终锻造成Φ70mm的棒料，而后进行风冷。淬火加热温度为910℃，保温时间为100min，回火温度为600℃，回火时间为90min，回火后水冷。

实施例3

按表1-1和1-2所示的化学成分在500kg真空感应炉上进行冶炼，冶炼获得的钢水经模铸制成钢锭，并对钢锭进行加热，而后锻造开坯。其中，控制加热温度为1080℃，保温24h后进行后续锻造，控制终锻温度为980℃，最终锻造成Φ90mm棒料，锻后堆积缓冷。淬火加热温度为870℃，保温时间为135min，回火温度为560℃，回火时间为120min，回火后空冷。

实施例4

按表1-1和1-2所示的化学成分进行转炉冶炼，并进行精炼和真空处理，而后模铸获得铸坯，控制铸坯阶梯式加热，首先在预热段加热至620℃，然后在第一加热段继续加热至950℃，保温后继续在第二加热段加热至1200℃，保温9h后进入均热段，然后进行后续轧制。钢坯出加热炉经高压水除鳞后开始轧制，控制终轧温度为970℃，最终轧制成Φ120mm棒料。轧制后空冷。淬火加热温度为850℃，保温时间为200min，回火温度为530℃，回火时间为200min，回火后空冷。

实施例5

按表1-1和1-2所示的化学成分进行转炉冶炼，并进行精炼和真空处理，而后浇铸成模铸坯。控制铸坯加热至1180℃，保温12h后进行后续轧制。钢坯出加热炉经高压水除鳞后开始轧制，轧制成中间坯，控制终轧温度为1010℃，中间坯尺寸220mm×220mm。而后再将中间坯加热至1080℃，保温24h后，出炉经高压水除鳞后开始轧制，控制中间坯终轧温度为900℃，成品棒材规格为Φ80mm，轧后空冷。砂轮剥皮后，采用超声波探伤和涡流探伤。淬火加热温度为870℃，保温时间为120min，回火温度为550℃，回火时间为100min，回火后空冷。

实施例6

按表1-1和1-2所示的化学成分进行电炉冶炼，并进行精炼和真空处理，而后连铸成280mm×280mm连铸坯。控制连铸坯缓慢加热至1200℃，保温10h后轧制。钢坯出加热炉经高压水除鳞后开始轧制，控制终轧温度为970℃，成品棒材规格为Φ100mm。轧制后空冷。而后进一步进行精整，精整具体包括热处理、表面处理和无损探伤，其在910℃正火处理(热处理)后车削剥皮(表面处理)，并经过超声波探伤和磁粉探伤(无损探伤)。淬火加热温度为890℃，保温时间为150min，回火温度为640℃，回火时间为135min，回火后空冷。

实施例7

按表1-1和1-2所示的化学成分进行电炉冶炼，并进行LF精炼和VD真空处理，而后浇铸成320mm×425mm连铸坯。控制连铸坯首先在预热段加热至600℃，然后在第一加热段继续加热至950℃，保温后继续在第二加热段加热至1230℃，保温8h后进入均热段，保温后进行后续轧制。钢坯出加热炉经高压水除鳞后开始轧制，轧制成中间坯，控制终轧温度为1050℃，获得中间坯尺寸为260mm×260mm，轧后空冷。而后再将中间坯预热段加热至680℃，第一加热段加热至1050℃，第二加热段加热至1250℃，保温6h后进入均热段，出炉经高压水除鳞后开始轧制，控制中间坯终轧温度为950℃，成品棒材规格为Φ80mm。轧制后空冷，而后经过超声波探伤和磁粉探伤。淬火加热温度为880℃，保温时间为120min，回火温度为560℃，回火时间为100min，回火后空冷。

实施例8

按表1-1和1-2所示的化学成分进行电炉冶炼，并进行LF精炼和VD真空处理，而后连铸成320mm×425mm连铸坯。控制连铸坯经预热后缓慢加热至1250℃，保温3h后进行轧制。钢坯出加热炉经高压水除鳞后开始轧制，轧制成中间坯，控制终轧温度为1000℃，获得中间坯尺寸为140mm×140mm，轧后空冷。而后再将中间坯缓慢加热至1130℃，保温3h后出炉经高压水除鳞后开始轧制，控制中间坯终轧温度为850℃，成品棒材规格为Φ30mm。轧制后空冷，之后在870℃正火，通过超声波探伤和磁粉探伤进行无损检验。淬火加热温度为830℃，保温时间为50min，回火温度为540℃，回火时间为30min，回火后空冷。

对比例1

按表1-1和1-2所示的化学成分在50kg真空感应炉上进行冶炼。钢水经模铸制成钢锭，加热并经锻造开坯，加热温度1050℃，保温5h后进行锻造，并控制终锻温度为860℃，最终锻造成直径为Φ50mm的棒料，锻后空冷。淬火加热温度为860℃，保温时间为75min，回火温度为550℃，回火时间为60min，回火后水冷。

对比例2

按照表1-1和1-2所示的化学成分在150kg真空感应炉上进行冶炼。钢水模铸成钢锭，加热并经锻造开坯，加热温度1180℃，保温12h后进行锻造，控制终锻温度为960℃，最终锻造成Φ70mm棒料，而后进行风冷。淬火加热温度为900℃，保温时间为100min，回火温度为600℃，回火时间为90min，回火后空冷。

对比例3

按照表1-1和1-2所示的化学成分在500kg真空感应炉上进行冶炼。钢水模铸成钢锭，加热并经锻造开坯，加热温度为1080℃，保温20h后进行锻造，控制终锻温度为980℃，最终锻造成Φ90mm棒料，而后进行堆冷。640℃退火。淬火加热温度为870℃，保温时间为135min，回火温度为560℃，回火时间为120min，回火后空冷。

对比例4

选自市售商品圆钢。对该市售商品圆钢进行热处理，其中淬火加热温度为900℃，保温时间为10min，回火温度为600℃，回火时间为90min，回火后空冷。

表2-1和表2-2列出了实施例1-8和对比例1-4在上述制造方法中的具体工艺参数。

表2-1.

表2-2.

将实施例1-8的轧态圆钢和对比例1-4的轧态圆钢分别取样，并按照GB/T13298-2015制备金相试样，参考GB/T 13299-1991分析微观组织。对各实施例和对比例的试样钢材进一步在910℃保温4小时后进行水淬，制样后按照标准ASTM E112-10评定其奥氏体晶粒度。相关检测分析结果列于下述表3之中。

表3列出了实施例1-8和对比例1-4的圆钢的金相组织分析结果。

表3.

由上述表3可以看出，在本发明中，实施例1-8的微观组织为的贝氏体的体积相比例均≥60％，且奥氏体晶粒度均≥6级。

另外，将实施例1-8的成品圆钢分别取样，并按照GB/T 13298-2015制备金相试样，参考GB/T 13299-1991分析微观组织，发现其淬火+回火热处理后，形成主体为回火索氏体的微观组织，含有纳米级析出物。

发明人进一步将制备的成品实施例1-8和对比例1-4的对比钢材分别取样，按照GB/T 2975-2018《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》制备样品，并按照GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》进行拉伸试验，同时采用GB/T229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》测试各实施例和对比例在室温和-40℃夏比冲击功A_kv，测试结果见表4。

需要说明的是，工程领域通常采用环境条件下拉伸试验面缩率变化来反映应力腐蚀倾向，本发明对氢脆敏感性的要求按照GB/T 2975-2018《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》制备圆形截面试样，试样直径为10mm。并按国标GB/T 228.1-2010进行拉伸试验，应变速率≤0.0003/s，以获得断面收缩率Z，并定义抗氢脆系数η(Z)来评价钢材的抗氢致开裂性能：

η(Z)＝Z₂/Z₁

其中，Z₁表示经过250℃烘烤2h去氢处理后的圆钢经拉伸试验后获得的断面收缩率；Z₂表示圆钢经拉伸试验后获得的断面收缩率。测试结果见表4。基于本发明所设计的这种抗氢脆系数η(Z)，当抗氢脆系数η(Z)越大，则表示钢材的应力腐蚀倾向则越小，其抗氢脆能力和抗应力腐蚀性能越优异。

表4实施例1-8和对比例1-4的性能检测结果。

表4.

从表4可以看出，本发明涉及的高强韧钢材的屈服强度R_p0.2均高于1000MPa，抗拉强度R_m均高于1150MPa，延伸率A≥12％，断面收缩率Z均大于50％，室温夏比冲击功A_kv≥60J，-40℃低温夏比冲击功A_kv均大于30J，抗氢脆系数η(Z)均大于0.85。

反观对比例1-4，其化学元素成分设计均存在不符合本发明设计要求之处。其中，对比例1的碳含量偏低，其抗拉强度也较低；对比例2抗氢脆系数较低，因为添加了较多的Mn元素，虽然强度有所提升，但耐应力腐蚀性能不足；对比例3和对比例4钢材的低温冲击功偏低，对比例3的微合金系数偏低，其奥氏体晶粒度不理想，其中6(1)表示平均晶粒度为6，但出现了双重晶粒度，存有级别为1的粗大晶粒，这对低温韧性有不利影响；而对比例4的碳含量较高，其钢材抗拉强度虽有提升，但韧性不足，抗应力腐蚀开裂效果不佳，疲劳性能不能满足使用要求。

需要说明的是，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。

还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种耐应力腐蚀的高强韧中碳钢，其含有Fe和不可避免的杂质，其特征在于，还含有质量百分含量如下的下述各化学元素：

C：0.37～0.43％、Si：0.10～0.40％、Mn：0.50～0.90％、Cr：0.60～1.25％、Ni：1.30～2.00％、Mo：0.15～0.30％、Al：0.02～0.05％、Nb：0.001～0.030％。

2.如权利要求1所述的耐应力腐蚀的高强韧中碳钢，其特征在于，其各化学元素质量百分含量为：

C：0.37～0.43％、Si：0.10～0.40％、Mn：0.50～0.90％、Cr：0.60～1.25％、Ni：1.30～2.00％、Mo：0.15～0.30％、Al：0.02～0.05％、Nb：0.001～0.030％；余量为Fe和不可避免的杂质。

3.如权利要求1或2所述的耐应力腐蚀的高强韧中碳钢，其特征在于，其还含有下述各化学元素的至少其中之一：0＜Cu≤0.30％、0＜V≤0.06％、0＜Ti≤0.03％、0＜Ca≤0.003％。

4.如权利要求1或2所述的耐应力腐蚀的高强韧中碳钢，其特征在于，在不可避免的杂质中，N≤0.012％、O≤0.002％、H≤0.0002％、P≤0.02％、S≤0.015％，并且P+S≤0.03％。

5.如权利要求1-3中任意一项所述的耐应力腐蚀的高强韧中碳钢，其特征在于，其中各元素还满足：Mn+Cr+Ni+Mo+Cu≤4.0，式中各化学元素均代入该化学元素质量百分含量的百分号前面的数值。

6.如权利要求1或2所述的耐应力腐蚀的高强韧中碳钢，其特征在于，其微合金元素系数r_M/N的范围为：1.0～5.9，其中，r_M/N＝([Al]/2+[Nb]/6+[Ti]/4)/[N]，式中各化学元素均代入该化学元素质量百分含量的百分号前面的数值。

7.如权利要求1或2所述的耐应力腐蚀的高强韧中碳钢，其特征在于，其耐大气腐蚀指数I≥7.0，其中：

I＝26.0[Cu]+3.9[Ni]+1.2[Cr]+1.5[Si]+17.3[P]-7.3[Cu][Ni]-9.1[Ni][P]-33.4[Cu]²

式中各化学元素均代入该化学元素质量百分含量的百分号前面的数值。

8.如权利要求1或2所述的耐应力腐蚀的高强韧中碳钢，其特征在于，其轧态微观组织为贝氏体+马氏体和/或残余奥氏体，其中贝氏体的体积相比例≥60％。

9.如权利要求1或2所述的耐应力腐蚀的高强韧中碳钢，其特征在于，其淬火+回火后的微观组织的主体为回火索氏体，并且含有纳米级析出物。

10.如权利要求1或2所述的耐应力腐蚀的高强韧中碳钢，其特征在于，其奥氏体晶粒度≥6级。

11.如权利要求1或2所述的耐应力腐蚀的高强韧中碳钢，其特征在于，其屈服强度R_e≥1000MPa，抗拉强度R_m≥1150MPa，延伸率A≥12％，断面收缩率Z≥50％，室温夏比冲击功A_kv≥60J，-40℃夏比冲击功A_kv≥30J，抗氢脆系数η(Z)≥0.85。

12.如权利要求1-11中任意一项所述的耐应力腐蚀的高强韧中碳钢的制造方法，其特征在于，其包括步骤：

(1)冶炼；

(2)铸造；

(3)加热：控制加热温度为1050～1250℃，保温时间为3～24h；

(4)锻造或轧制：控制终轧温度或终锻温度≥850℃；

(5)淬火+回火，其中淬火温度范围为830～910℃，保温时间为30～200min；回火温度为530～640℃，保温时间为30～200min。

13.如权利要求12所述的制造方法，其特征在于，在步骤(4)中，直接轧制或锻造至成品尺寸。

14.如权利要求12所述的制造方法，其特征在于，在步骤(4)中，先轧制到中间坯尺寸，再进行中间加热，然后轧制到最终成品尺寸；其中，中间加热温度为1050～1250℃，保温时间为3～24h。