一种无断口分离550MPa级结构钢及其制备方法与流程

本技术涉及钢铁冶金，尤其涉及一种无断口分离550mpa级结构钢及其制备方法。

背景技术：

1、拉伸检验中的断口分离，是指拉伸试样断口处出现的层状缺陷与撕裂现象。随着结构件向大型化、高强化方向演进，复杂承重环境下构件的安全性要求日趋提高。液压支架顶梁、正面吊吊臂等受力构件在服役过程中频繁承受复合工况载荷，若所用高强钢出现断口分离，将削弱钢材在厚度方向的性能，且分离裂纹萌生后扩展迅速，显著降低构件安全性。因此，在常规力学性能要求之外，拉伸断口无分离已成为评价构件安全性的重要指标。

2、目前，无断口分离钢仅局限于船板领域，且强度级别限于屈服强度400mpa及以下，对于550mpa级以上无断口分离结构钢的生产技术尚属空白。现有技术多集中于通过炼钢或热处理工艺控制中心偏析、夹杂物和带状组织等缺陷，而对轧制工艺及显微组织调控缺乏研究。这一不足在已有船板钢断口分层控制方法中亦有体现。

3、一种方法通过控制偏析敏感系数σ敏感指数，减少微量元素在钢水冷却过程中的元素偏析，以降低船板钢拉伸试样断口分层缺陷的出现概率。但该方法局限于屈服强度355mpa的e36船板钢，仅涉及炼钢与连铸工序的参数控制及合金元素添加量调整，无法满足550mpa级高强度无断口分离结构钢的制造需求。另一种方法通过炼钢坯料保温、铸坯高温加热、淬火与回火工序提高氢扩散能力并改善钢板偏析，可实现屈服强度390mpa级钢板断口分离裂开长度为零。但该方法同样仅适用于390mpa级钢板，且需依赖特定淬火和回火工艺，工序复杂、成本较高，亦无法推广至更高强度级别。

技术实现思路

1、本技术提供了一种无断口分离550mpa级结构钢及其制备方法，以解决如下技术问题：如何避免结构钢在拉伸试样中出现断口分离缺陷。

2、第一方面，本技术实施例提供了一种无断口分离550mpa级结构钢，以质量分数计，所述结构钢的化学成分为：c：0.05%~0.15%，mn：1.50%~2.00%，si：0.30%~0.50%，cr：0.10%~0.50%，nb：0.02%~0.10%，al：0.02%~0.08%，ti：0.010%~0.030%，ni：0.05%~0.50%，mo：0.05%~0.20%，p≤0.01%，s≤0.01%，其余为fe及不可避免的杂质；

3、所述结构钢的显微组织包括：铁素体和贝氏体。

4、可选的，所述铁素体的体积分数为6.70%~15.40%，所述贝氏体的体积分数为84.60%~93.30%。

5、可选的，所述结构钢满足如下至少一种性能：屈服强度≥550mpa，抗拉强度≥700mpa，延伸率≥17.0%，-40℃冲击功≥150j。

6、第二方面，本技术实施例提供了一种第一方面中所述的结构钢的制备方法，所述方法包括：

7、将具有如下所述化学成分的钢水进行浇注，得到板坯：c：0.05%~0.15%，mn：1.50%~2.00%，si：0.30%~0.50%，cr：0.10%~0.50%，nb：0.02%~0.10%，al：0.02%~0.08%，ti：0.010%~0.030%，ni：0.05%~0.50%，mo：0.05%~0.20%，p≤0.01%，s≤0.01%，其余为fe及不可避免的杂质；所述板坯的厚度为h1；

8、将所述板坯依次进行加热、粗轧、精轧和冷却，得到轧制钢板；其中，所述粗轧结束的待温厚度为h2，所述精轧处理结束后的钢板厚度为h3；

9、将所述轧制钢板进行回火热处理，得到结构钢。

10、可选的，所述加热的温度为1150℃~1200℃。

11、可选的，所述加热的时间t1满足：t1=h1×（1.0~1.5）；式中，h1的单位为mm；t1的单位为min。

12、可选的，在所述粗轧的最后三道次轧制中，单道次压下量≥40mm。

13、可选的，所述精轧的开轧温度为790℃~850℃，所述精轧的终轧温度为730℃~780℃。

14、可选的，所述h2满足：2mm＜h2/h3＜3mm；式中，6mm＜h3≤120mm。

15、可选的，所述冷却包括水冷，所述水冷包括第一冷却段和第二冷却段；

16、所述第一冷却段的冷却速率为35℃/s~45℃/s，所述第二冷却段的冷却速率为25℃/s~35℃/s。

17、可选的，所述水冷的终冷温度为300℃~500℃。

18、可选的，当所述h3≥30mm时，所述冷却还包括堆垛缓冷，所述堆垛缓冷的时间≥48h。

19、可选的，所述回火热处理的温度为400℃~500℃；

20、所述回火热处理的保温时间t2满足：t2=h3×（2~4）；式中，h3的单位为mm；t3的单位为min。

21、本技术实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：

22、本技术实施例提供了一种无断口分离550mpa级结构钢及其制备方法，以质量分数计，所述结构钢的化学成分为：c：0.05%~0.15%，mn：1.50%~2.00%，si：0.30%~0.50%，cr：0.10%~0.50%，nb：0.02%~0.10%，al：0.02%~0.08%，ti：0.010%~0.030%，ni：0.05%~0.50%，mo：0.05%~0.20%，p≤0.01%，s≤0.01%，其余为fe及不可避免的杂质；所述结构钢的显微组织包括：铁素体和贝氏体。从化学成分看，通过将碳质量分数精确控制在0.05%~0.15%的较低范围，可降低结构钢中碳化物的形成倾向，避免大量渗碳体颗粒在晶界或亚晶界呈链状分布所引发的应力集中和微裂纹萌生。同时，将硫和磷的质量分数均控制在0.01%以下，可显著减少mns等塑性夹杂物的生成，降低夹杂物对基体连续性的破坏作用。锰质量分数控制在1.50%~2.00%范围内，既能保证固溶强化效果，又可避免过高锰含量导致严重的中心偏析和带状组织。硅质量分数控制在0.30%~0.50%，在发挥脱氧和强化作用的同时，可避免过高硅质量分数引发脆性相形成。铬、镍和钼等合金元素的微量添加，能够细化组织并改善结构钢的淬透性，促进均匀组织的形成。铌和钛的添加对控制断口分离具有关键作用：铌钛微合金化可形成细小弥散的碳氮化物析出相，该析出相钉扎于晶界上，能够有效阻碍晶粒粗化并抑制带状组织的形成。铝的添加则用于细晶强化和脱氧，进一步提高组织均匀性。从显微组织看，将结构钢的显微组织控制为铁素体和贝氏体的复相组织，可有效避免单一脆性组织带来的断裂风险。该复相组织中，贝氏体作为主要组织承担强度功能，铁素体作为韧性相改善结构钢的塑性和韧性；两种相协同作用，使结构钢在拉伸变形过程中能够均匀协调变形，避免局部应力集中所引发的微裂纹萌生和扩展。该复相组织设计的优势在于：铁素体相能够打断贝氏体组织中连续碳化物的分布，阻止裂纹沿晶界或亚晶界的快速扩展；同时，贝氏体具有较高的位错密度和亚结构，可分散拉伸过程中的应力集中，避免在晶界处形成大量位错塞积。此外，均匀的复相组织可避免中心偏析区形成粗大脆性的带状混合组织，从而有效抑制拉伸变形过程中沿厚度方向的分层开裂。

23、综上，通过低硫低磷的纯净钢设计、微合金元素的精细调控以及铁素体和贝氏体的复相组织构建，从化学成分和显微组织两个层面系统性地解决了550mpa级结构钢在拉伸试样中出现断口分离缺陷的技术问题。