一种高强度高韧性低屈强比钢、钢板及其制造方法 【技术领域】
本发明涉及钢铁材料类，具体地说，本发明涉及一种高强度高韧性低屈强比钢、钢板及其制造方法
背景技术
随着我国钢产量的增加，钢结构建筑也迅猛发展起来，目前国内建筑用高强度钢板如Q420和Q460大都采用正火状态交货，钢板的屈强比通常大于0.80。由于现代建筑不断向大空间、大跨度、超高层方向发展，对建筑结构用钢的要求越来越高，不仅要求具有高强度、高韧性和良好的焊接性等，而且为了满足钢结构建筑抗震耐震的功能，对建筑结构用钢提出了低屈强比的要求。日本标准中规定，高层建筑用钢的屈强比≤0.80，这也成为国际上通用的低屈强比钢的标准。低屈强比的要求使得许多高强度钢板无法在建筑领域推广应用，必须开发专门的建筑用低屈强比钢。
经检索，有以下一些专利申请涉及低屈强比钢，它们的化学成分、工艺制度及力学性能见表1。
表1现有专利申请涉及的低屈强比钢的化学成分、工艺制度及力学性能
CN1786246公开了一种高抗拉强度高韧性低屈强比贝氏体钢及其生产方法，该钢采用较多的Nb、Ti、Mo、Cu和Ni进行强化，合金元素含量较多，采用TMCP+RPC+SQ方法进行生产，工艺较复杂，虽然钢板的抗拉强度达到了800MPa，但其屈强比大于0.80，而且该钢板最终状态为淬火态，为不平衡组织。
CN1928130提供了一种低屈强比超细晶粒带钢的制造方法，它通过晶粒适度细化的方法，将钢板的屈服强度降低到0.80以下，该方法不仅需要控轧控冷，而且对控轧后的冷却控制要求较高：将终轧后的带钢以20～40℃/s的冷速快速冷却到710～735℃，然后通过调整冷却集管组数使带钢在近于空冷的条件下缓慢冷却3～5秒，最后再将钢带快速冷却到卷取的目标温度650～670℃。高要求的控制冷却不仅增大了控制的难度，而且不利于产品质量的稳定。
JP11080832A公开了一种低屈强比钢板的生产方法，其生产工艺相对较复杂，要求非再结晶区轧制变形大于30％，且对终轧温度和轧后冷却速度都有要求，随后需要对热轧板进行淬火和回火处理。该钢含有较多的Ni、Cu、Cr和Mo等合金元素，同时钢板的屈服强度较低，仅大于345MPa。
JP11021622A公开了一种低屈强比耐候钢板及其制造方法，其主要特点是Cr、Ni、Mo和Cu等合金含量较高，两阶段轧制，轧后空冷。该发明钢工艺较为简单，不需要热处理，但其主要缺点是合金含量过高，因而生产成本高。
考虑到建筑用钢不仅应具有高强度、低屈强比等性能，且应易于生产，成本低廉等，本发明者进行了化学成分配比及工艺的研究，设计出了一种高强度高韧性低屈强比钢，从而完成了本发明。
本发明的第一个目的在于提供一种高强度高韧性低屈强比钢。
本发明的第二个目的在于提供以所述高强度高韧性低屈强比钢制成的钢板。
本发明的第三个目的在于提供所述高强度高韧性低屈强比钢板的制造方法。
【发明内容】
本发明的第一个方面提供一种高强度高韧性低屈强比钢，所述的化学成分包含：C：0.05～0.12wt％、Si：0.15～0.50wt％、Mn：1.0～1.5wt％、P≤0.025wt％、S≤0.015wt％、Cu：0.20-0.50wt％、Ni≤0.25wt％、Nb：0.015-0.05wt％、V：0.015～0.045wt％、Ti：0.010-0.050wt％、Cr≤0.55wt％、Mo≤0.30wt％、Al：0.015-0.05wt％、余量为Fe及不可避免的杂质。
本发明的第二个方面提供一种高强度高韧性低屈强比钢板，所述钢板以上述高强度高韧性低屈强比钢制成，其化学成分包含：C：0.05～0.12wt％、Si：0.15～0.50wt％、Mn：1.0～1.5wt％、P≤0.025wt％、S≤0.015wt％、Cu：0.20-0.50wt％、Ni≤0.25wt％、Nb：0.015-0.05wt％、V：0.015～0.045wt％、Ti：0.010-0.050wt％、Cr≤0.55wt％、Mo≤0.30wt％、Al：0.015-0.05wt％、余量为Fe及不可避免的杂质。
下面，对本发明高强度高韧性低屈强比钢及以该钢种制成的钢板的化学成分作用作详细叙述。
C：碳是钢中有效的强化元素，它不仅可以溶入基体组织的间隙内起到固溶强化的作用，而且常与碳化物形成元素等结合，形成细小的碳化物析出粒子，起到析出强化和细晶强化的作用，本发明的碳含量最好不低于0.05wt％，但是考虑到碳含量过高将会恶化钢材的焊接性和冷成型性，因此碳含量尽量不超过0.12％wt。
Si：硅是炼钢脱氧的必要元素之一，而且Si通过固溶强化方式可以提高钢的强度，但Si含量过高会恶化钢的焊接性能以及冷成型性能，本发明钢中硅含量的适宜范围为0.15～0.5wt％。
Mn：锰也是炼钢脱氧的必要元素之一，且Mn成本低廉，是提高强度的有效元素，此外，Mn是扩大奥氏体区的元素，可降低过冷奥氏体的转变温度，是控制钢组织中相比例的有效元素之一，但Mn含量过高对钢的焊接性能有不利影响，因此本发明控制锰的含量最好在1.0～1.5wt％之间。
Al：铝是有效脱氧元素之一，而且可形成氮化物来细化晶粒，本发明的铝含量最好控制在0.015-0.05wt％之间。
P、S：硫和磷是钢中的有害杂质元素，含量过高会恶化钢的韧塑性、冷成型性和焊接性，另外，将会大大恶化钢板厚度方向地性能，因此应尽量降低钢中的硫、磷含量，本发明中控制P含量≤0.025wt％、S含量≤0.015wt％。
Nb：铌是强碳氮化合物形成元素，通过在轧后冷却过程中析出碳氮化合物，产生细晶强化和析出强化作用来提高钢的强度，此外，铌是提高奥氏体再结晶温度的元素，可在较高的温度下实现非再结晶区轧制，从而可使轧件在较高的温度下完成轧制变形，同时保留部分加工硬化作用，产生位错强化效果，本发明钢中Nb含量一般控制为0.015-0.05wt％。
Ti：钛是一种强烈的碳氮化物形成元素，其碳氮化物具有较高的熔点，对加热时奥氏体晶粒的长大有阻碍作用。而且在轧后冷却过程中的析出将提高钢的屈服强度，另一方面，钢中的TiN或TiC粒子能显著阻止焊接热影响区的晶粒长大，从而改善其焊接接头的力学性能，本发明钢中Ti含量最好控制在0.01-0.03wt％之间。
V：钒是强碳氮化合物形成元素，且钒的碳化物固溶温度相对较低，本发明钢在强冷结束后的空冷阶段仍有一定的析出，进而提高本发明钢的强度，但V含量较高时将明显恶化钢的低温韧性，尤其是焊接热影响区的韧性，因此，V含量一般控制为0.015-0.045wt％。
Mo：钼能够有效提高钢的淬透性，抑制多边形铁素体和珠光体的产生，促进在较大冷却速度范围内形成晶内有大量位错分布的铁素体或贝氏体，产生相变强化和位错强化作用。在高强度低合金钢中，钢板的强度随Mo含量的增加而显著提高，但Mo成本较高，且会引起钢可焊性降低，因而Mo含量一般不超过0.3wt％。
Cr：铬也是提高钢淬透性的元素，能够抑制多边形铁素体和珠光体的形成，促进贝氏体或马氏体转变，从而使钢的强硬度增加，但Cr含量过高将影响钢的韧性，并引起回火脆性，本发明钢中的Cr含量最好不超过0.55wt％。
Cu：铜既不溶于钢基体内，也不形成化合物，通常以细小析出粒子状态存在于钢中，产生析出强化作用，它不仅可以提高钢的强度，而且还可提高钢材的耐大气腐蚀性能，但Cu含量高时将引起钢坯加热或热轧过程中产生裂纹，恶化钢板表面性能，本发明钢中Cu含量控制在≤0.50wt％。
Ni：镍是扩大奥氏体区的元素，使钢的冷却转变温度降低，从而达到细化转变组织的作用，实现提高钢强硬度的同时提高其低温韧性，Ni还可以防止含Cu钢产生表面裂纹的倾向，但Ni为贵重元素，故Ni含量一般控制在0.05-0.3wt％之间。
本发明的第三个方面提供所述高强度高韧性低屈强比钢板的制造方法，该方法包括冶炼、铸坯、加热、轧制和冷却工序，其中在所述轧制工序中，精轧开始温度为850～980℃，终轧温度为820～950℃；在所述冷却工序中，采用水冷，终冷温度为350～650℃。
在一个优选实施方式中：所述加热工序中的加热温度为1150～1250℃。
在另一个优选实施方式中：在所述冷却工序中，水冷的速度为10～40℃/s。
本发明的有益效果为：
(1)合金元素含量少，成本较低；
(2)本发明钢采用控轧控冷工艺进行生产，无需轧后二次临界区淬火回火，生产工艺简单，易于生产操作；
(3)本发明的钢板的屈服强度≥460Pa，屈强比≤0.80，同时具有良好的低温冲击韧性和焊接性，能够满足高层建筑对低屈强比高强钢的要求。
【具体实施方式】
以下用实施例对本发明作更详细的描述。这些实施例仅仅是对本发明最佳实施方式的描述，并不对本发明的范围有任何限制。
实施例1
按表2所示的化学成分采用真空炉冶炼成钢坯，将板坯加热到1150℃，精轧开始温度为850-980℃，终轧温度为830℃，成品板厚20mm，轧后快速水冷，冷却速度35℃/s，终冷温度420℃，随后空冷。
实施例2
实施方式同实施例1，其中加热温度1250℃，终轧温度920℃，冷却速度22℃/s，终冷温度530℃。
实施例3
实施方式同实施例1，其中加热温度1200℃，终轧温度880℃，冷却速度25℃/s，终冷温度540℃。
实施例4
实施方式同实施例1，其中加热温度1180℃，终轧温度900℃，冷却速度12℃/s，终冷温度600℃。
表2本发明实施例1-4钢的化学成分(wt％)
试验例
对本发明实施例1-4的钢板进行力学性能测试，测试结果表3。
表3本发明实施例1-4钢板的力学性能
实施例 屈服强度 (MPa) 抗拉强度 (MPa) 延伸率 (％) 屈强比 冲击功(-40℃) (J) 实施例1 550 712 20 0.77 235 实施例2 528 770 19 0.69 37 实施例3 487 675 23 0.72 92 实施例4 473 610 24 0.77 190