一种降低厚规格马氏体钢淬火残余应力的方法

本发明涉及金属材料热处理，特别涉及降低厚规格马氏体钢淬火残余应力的方法。

背景技术：

1、马氏体钢是重要的高强结构材料，通过淬火获得马氏体组织是实现其超高强度的关键。然而，马氏体相变伴随巨大的体积膨胀，且在淬火过程中，工件表面区域与心部区域存在巨大的温度差和相变非同时性，由此产生的热应力和组织应力叠加，往往导致工件内部存在极高的残余应力。这种高残余应力会严重降低零件的疲劳强度，促进应力腐蚀开裂，并在后续加工或服役过程中引发变形甚至开裂。对于厚规格工件，由于心部区域热量难以导出，问题尤为突出。

2、相变材料在连续冷却过程中，依然是马氏体钢板带的表面和边部先冷却，受拉应力作用。当表面温度到达相变开始温度后，板带表面及边部开始在拉应力作用下相变，产生正的相变塑性应变，使带钢表面应力由拉应力逐步转变为压应力。由于残余应力具有自平衡特性，因此，伴随带钢表面应力的变化，带钢心部应力也逐步由压应力过渡为拉应力。当板带心部温度达到相变开始温度后，心部开始在拉应力作用下相变，产生正的相变塑性应变，使板带心部由拉应力逐步转变为压应力，同时带动表面应力由压应力转变为拉应力。

3、如果马氏体钢板的厚度过大，且导热系数低，就会导致钢板心部冷却速率低，造成心部和表面组织差异。此时，相变塑性对残余应力的影响也会随之改变。冷却开始时依然是钢板心部受压，表面受拉的应力状态；当钢板心部温度到达铁素体、珠光体相变温度后，心部组织在压应力作用下先发生相变，产生负的相变塑性应变。当表面温度到达马氏体相变温度后，表面在拉应力作用下发生马氏体转变，形成正的相变塑性应变。由于心部相变塑性应变的方向与表面相反，叠加作用后就会在带钢中形成非常可观的残余应力。

4、现有技术主要通过优化淬火工艺（如分级淬火、等温淬火）或进行后续回火来降低残余应力。例如，中国专利申请cn114134292a“一种控制和防止厚大断面718h预硬性塑料模具钢淬火开裂的热处理工艺”，通过复杂控温试图减小温差。这类方法对设备要求高，工艺窗口窄，且效果有限。专利cn102312060a“g55simov轴承钢等温淬火方法”则从改进淬火液性能着手。这些均属于从外部热传递过程进行干预，未能触及马氏体相变本身高应力特性的内因。

5、传统马氏体钢的成分设计（如40cr、42crmo）以提高淬透性，确保心部区域获得马氏体为核心目标，主要通过添加cr、mo、mn等元素。然而，这种设计在提高淬透性的同时，往往也提高了材料的“淬火应力敏感性”。更高的淬透性意味着更剧烈的相变可能在更大的截面内同时或序次发生。若不能协调这种体积膨胀的序列，反而会加剧应力。

6、因此，迫切需要一种新的成分设计思路，在保证完全淬透的前提下，主动“钝化”马氏体相变过程，实现“高强度”与“低内应力”的协同。

技术实现思路

1、本发明提供了一种降低厚规格马氏体钢淬火残余应力的方法，通过对合金中特定元素成分的调控设计，以优化相变过程，降低了中高碳合金钢经淬火获得全马氏体组织后内部残余应力，解决了因材料心部区域与表面区域换热能力差异导致的超高残余应力问题。具体通过以下技术实现。

2、本发明提供了一种降低厚规格马氏体钢淬火残余应力的方法，通过协同调控碳、锰、镍和铌元素的含量，降低了马氏体相变温度，避免钢板芯部的铁素体或贝氏体相变，从而减小相变过程中材料各区域的不均匀相变应变，防止了应力集中，减小非协调应变。

3、进一步地，通过提高碳、锰、镍元素的含量，降低了马氏体相变温度，抑制钢板芯部的铁素体或贝氏体相变；

4、通过控制铌元含量处于微量水平，细化了原奥氏体晶粒，进而细化了马氏体板条束尺寸，分散相变应力，防止应力集中；铌的碳氮化物还能作为碳的陷阱，微调局部碳活度，间接影响马氏体相变行为。

5、进一步地，通过经协同配置马氏体钢中的各化学元素成分含量，马氏体钢中的马氏体相变开始温度ms≤300℃。

6、进一步地，以质量百分比计，所述马氏体钢的化学成分包括c含量0.15%-0.35%，mn含量1.8%-3.0%，ni含量1.0-2.5%，nb含量0.01-0.05%，余量为fe和不可避免的杂质，且淬透性元素的总含量≤2.0%。

7、具体地，以质量百分比计，所述马氏体钢的化学成分包括c含量0.17%，mn含量2.2%，ni含量0.8%，nb含量0.03%，余量为fe和不可避免的杂质。

8、为了解决现有中高碳合金钢淬火后，特别是厚规格工件心部区域残余应力过高的问题，本发明提供了一种降低厚规格马氏体钢淬火残余应力的新方法，通过各合金元素的特殊设计和协同作用，在保证完全淬透性的同时，主动降低马氏体相变剧烈程度、促进自回火效应，最终从材料本质出发显著降低了淬火后的残余应力。

9、本发明提供的各元素的协同作用机制如下：

10、（1）c、mn、ni复合添加降低ms点：较高的c、mn及ni含量协同作用，可将马氏体相变开始温度（ms）显著降低至300℃甚至更低。降低ms点是降低淬火应力的关键。当ms点很低时，马氏体相变发生在工件整体温度已较低、且表面区域与心部区域温差较小的阶段。此时，材料整体的温差小，抑制钢板芯部的铁素体或贝氏体相变，改善了相变过程所产生的不均匀相变应变，减小了不均匀塑性变形，从而有效抑制了高应力的产生。

11、（2）微nb的添加：一方面，nb在奥氏体化时细化原奥氏体晶粒，从而细化最终的马氏体板条束尺寸。更细小的马氏体亚结构可以分散相变应力，防止应力集中。另一方面，nb的碳氮化物在相变过程中可能作为碳的陷阱，微调局部碳活度，间接影响相变行为。

12、更进一步地，以质量百分比计，所述马氏体钢的化学成分还包括si含量为0.2%-1.5%。

13、具体地，以质量百分比计，所述马氏体钢的化学成分还包括si含量为1.0%。

14、进一步地，经奥氏体化（即热轧后的热处理过程，通过热处理把材料重新奥氏体化）后，采用水介质淬火。

15、本发明提供的方法中，si的作用为抑制渗碳体析出，促使碳在马氏体相变后保留在位错等缺陷中，为后续可能的自回火效应创造条件。

16、本发明还提供了一种低淬火残余应力的厚规格马氏体钢，以质量百分比计，所述马氏体钢的化学成分包括c含量0.15%-0.35%，mn含量1.8%-3.0%，ni含量1.0-2.5%，nb含量0.01-0.05%，余量为fe和不可避免的杂质。

17、进一步地，所述马氏体钢的化学成分还包括si含量为0.2%-1.5%。

18、与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

19、1、源头性降低应力：通过成分设计直接干预马氏体相变的热力学条件（ms点），从物理根源上降低了相变过程所产生的不均匀相变应变，降低了马氏体组织的相变残余应力，这是传统工艺优化无法实现的。

20、2、兼顾高强度与低应力：在保证通过c含量和完全淬透性获得超高强度的同时，实现了残余应力水平的显著下降，解决了二者难以兼得的技术矛盾。

21、3、提升厚截面工件安全性：特别适用于大截面、厚规格的高强结构件，能有效降低其心部区域拉应力水平，大幅提高抗疲劳和抗延迟断裂性能。

22、4、工艺兼容性好：成分设计适用于现有的淬火工艺，甚至允许采用冷却烈度稍低的介质（如油淬或高速风淬），降低淬火开裂风险，简化工艺控制。