技术摘要：
本发明提供一种易焊接的超高强高韧钢材及其制备方法，所述钢材包括以下质量百分含量的化学成分：C：0.25～0.28％、Si：0.25～0.30％、Cr：0.90～1.10％、Mn：0.90～1.10％、Mo：0.45～0.60％、V：0.07～0.10％、Ca：0.0015～0.0050％、Cu：0.01～0.10％、Ni：0.01～0.2  全部
背景技术：
随着对大型结构件安全性的日益重视，对结构用钢的综合性能要求越来越高，不 仅要求其有超高强度和较好的塑性，而且要求其在服役条件下具有足够的韧性储备。对于 可能在低温条件下服役的结构件，还对所用钢材的低温韧性提出更高要求，规定冲击温度 由常温20℃修订为0℃。此外，大型结构件还需要焊接，要求钢材有较好的焊接性能。但是， 强度与韧性、焊接性能相互制约，很难同时兼顾高强度、高韧性及易焊接。如何在不牺牲强 度的条件下获得足够的韧性和易焊接性，并且具有较合理的生产成本，成为研制高性能结 构钢的关键。 公开号为CN106636961A的专利公布了一种含Cu纳米强化相易焊接钢及制备方法， 其含Cu量高达1.5-2.5wt％，含Ni量高达4-8wt％，导致原材料成本升高，Cu、Ni的高含量也 使钢材的碳当量较高，对焊接性能不利。此外，该技术方案公开的抗拉强度为845-1162MPa， 变化范围较大。 公开号为CN104451407A的专利公布了一种低碳热轧超高强高韧钢制备方法，通过 调整合金元素含量和改进控轧控冷工艺，获得贝氏体、马氏体、残余奥氏体的复相组织，使 钢材的韧性有了较大提高，-20℃冲击吸收功达到86.8-117.8J。但是，由于公开的制备工艺 没有包含回火，钢材在温度较高的环境服役时，组织中含有的马氏体容易转变成铁素体，此 外，该技术方案公开的延伸率只有13.8％-18.8％。 公开号为CN103060715A的专利公布了一种易焊接的超高强韧钢板的制造方法，其 屈服强度能达到1200MPa，抗拉强度超过1500MPa，但是，延伸率在13％左右，-20℃冲击功不 超过60J。 相比现有的技术方案，本发明的技术方案，通过控制碳当量使其易焊接和具有较 好的韧性，降碳损失的强度则通过合金化和制备工艺弥补，使其强韧性匹配更佳且易焊接。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明提供了一种易焊接的超高强高韧钢材及制备方法， 利用BP神经网络算法优选化学成分范围，基于元素合理匹配的成分设计方案，通过非完全 奥氏体化及两次回火，使低碳当量合金钢在保证超高强度的前提下，兼顾好的塑性、韧性、 焊接性。 本发明的目的之一在于克服现有技术不足提供一种易焊接的超高强度兼顾高韧 性钢材的成分设计方案。 本发明一种易焊接的超高强高韧钢材，所述钢材包括如下质量百分含量的化学成 分：C含量范围为0.25～0.28％，Si含量范围为0.25～0.30％，Cr含量范围为0.90～1.10％， 3 CN 111549286 A 说　明　书 2/9 页 Mn含量范围为0.90～1.10％，Mo含量范围为0.45～0.60％，V含量范围为0.07～0.10％，Ca 含量范围为0.0015～0.0050％，Cu含量范围为0.01～0.10％，Ni含量范围为0.01～0.20％， Al含量范围为0.01～0.03％，P＜0.01％，S＜0.005％，余量为Fe和其它不可避免的杂质。 本发明的化学成分范围由BP神经网络计算并根据试验结果确定，图1为BP神经网 络结构示意图，为误差反向传播的多层前馈式网络，包括输入层、隐含层和输出层。 本发明输入层节点数取决于输入参数的个数，输出层节点数取决于输出参数的个 数，隐含层可以包含单层或多层的神经元节点。 本发明输入信号通过层之间的权值调节，由输入节点传入各隐层节点，最后到达 输出节点，通过误差比较修正各层的权值后再反向传播，直至达到目标误差后输出。 本发明BP网络训练函数采用但不限于trainscg，训练样本的数据包括但不限于实 验室数据、实际生产数据、国内外文献资料数据，输入参数包括但不限于C、Si、Mn、Mo、Cr、V 元素的含量，输出参数包括但不限于冲击韧性、屈服强度、抗拉强度、延伸率、韧脆转变温 度。 本发明，采用2个隐含层，神经元个数均为8，经过反复训练，可以得到最佳的成分- 性能网络。 本发明C元素含量在0.25～0 .28wt％范围内，具体的如，0.25wt％、0.26wt％、 0.27wt％、0.28wt％；C的含量大于等于0.25wt％，可保证钢材具有较高的淬透性和足够的 强度，C含量高于0.28wt％时，会导致钢材塑性、韧性显著下降，同时还会影响焊接性能和抗 HIC性能。 本发明Si元素含量在0.25～0.30wt％范围内，具体的如，0.26wt％、0.27wt％、 0.28wt％、0.29wt％；Si含量大于等于0.25wt％，可以保证钢的淬透性和回火抗性，提高钢 的强度，Si含量高于0.30wt％时，容易导致冷脆，且严重影响焊接质量。 本发明Mn元素含量在0.90～1 .10wt％范围内，具体的如，0.90wt％、1.00wt％、 1.10wt％；Mn的含量大于等于0.90wt％，能提高淬火钢中马氏体的比例，提高钢的强度，Mn 的含量高于1.10wt％时，碳当量和冷裂纹敏感指数均提高，对钢的焊接性能不利。 本发明Cr元素含量在0.90～1 .10wt％范围内，具体的如，0.90wt％、1.00wt％、 1.10wt％；Cr的含量大于等于0.90％wt％，能保证钢的淬透性，并有利于高温抗氧化性能， Cr含量高于1.10wt％时，容易在晶界上析出粗大的碳化物，显著降低钢的韧性和焊接性能。 本发明Mo元素含量在0.45～0.60wt％范围内，具体的如，0.45wt％、0.50wt％、 0.55wt％、0.60wt％；Mo的含量大于等于0.45wt％，能降低或抑制钢的高温回火脆性，钢材 可在较高温度回火，从而有效地消除残余应力，提高塑韧性，Mo的含量高于0.60wt％时，对 强度提高贡献不大，会造成资源浪费。 本发明V元素含量在0.07～0 .10wt％范围内，具体的如，0.07wt％、0.08wt％、 0.09wt％、0.10wt％；V的含量大于等于0.07wt％，沉淀强化效果显著，能提高钢的回火稳定 性并有显著的二次硬化效果，当V的含量超过0.10wt％时，沉淀强化对焊接性能和韧性有负 面影响，而且，冲击韧性会明显下降。 本发明Ni元素含量在0.01～0.20wt％范围内，可扩大奥氏体相区，细化铁素体晶 粒，使钢的基体组织在低温下易于交叉滑移，能大幅度提高韧性。 本发明Cu元素含量在0.01～0.10wt％范围内，Cu可与Ni协同作用，使钢表面形成 4 CN 111549286 A 说　明　书 3/9 页 钝化膜，防止H的侵入，提高耐蚀性，同时改善焊接性能。 本发明Ca元素含量在0.0015～0.0050wt％范围内，在钢水中加入适量的Ca进行钙 化处理，使硫化物球化，提高钢的冲击韧性，但是，Ca含量过高容易生成对钢的韧性不利的 非金属夹杂物。 本发明Al元素含量在0.01～0.03wt％范围内，Al和O、N有极强的亲和力，能够起到 积极的脱氧效果，并与N形成AlN，既能细化晶粒，又能起到固N效果。 本发明控制S的含量＜0.005wt％，P的含量＜0.01wt％，通过严格控制S、P等杂质 元素获得高韧性、减少热裂和冷裂倾向，并获得性能良好的焊接接头。 本发明的目的之二在于克服现有技术不足提供一种易焊接的超高强度兼顾高韧 性钢材的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：按所述化学成分进行配料、熔炼和精炼， 进行炉前快速成分分析和成分调整，然后进行铸造、轧制、热处理。 本发明所述轧制为热轧，包括但不限于钢板的控轧控冷、钢管的穿孔及轧管、型钢 的孔型轧制或万能轧制。 本发明所述热处理包括非完全奥氏体化和两次回火。 本发明所述非完全奥氏体化温度为800～830℃，优选为800～815℃，保温时间为 30～50min，优选为30～40min；奥氏体化温度不高于830℃，未溶的铁素体可以抑制奥氏体 晶粒长大，淬火后得到的马氏体组织更细小，有利于后续回火析出弥散分布的球状碳化物； 当奥氏体化温度低于800℃时，淬火后残留的奥氏体和未溶铁素体数量较多，尺寸较大，虽 然有利于合金的韧性，但强度会明显降低。 进一步的，所述非完全奥氏体化温度优选为800～815℃，保温时间优选为30～ 40min，在该淬火条件下得到的组织由等轴铁素体 残余奥氏体 贝氏体 马氏体组成，回火 后的钢具有更佳的强韧性匹配。图2(a)为本发明实施例1非完全奥氏体化后的TEM照片，图2 (b)为对比例1完全奥氏体化后的TEM照片，从图2(a)、图2(b)可看出，非完全奥氏体化后淬 火得到的马氏体更细小，含有适量的未溶铁素体和残余奥氏体。 本发明所述两次回火的回火温度均为630～650℃，回火时间均为45～60min；当回 火温度低于630℃时，原马氏体晶界比较明显，α相呈针状分布，合金韧性不足；当回火温度 高于650℃时，再结晶α铁素体明显长大，碳化物颗粒迅速粗化，显著降低钢的强度。 进一步的，所述回火温度优选为630～640℃，回火时间优选为45～50min，得到的 组织为回火索氏体、未溶等轴铁素体和弥散分布的碳化物，兼有晶界强化和沉淀强化的效 果。由于组织中含有较多的铁素体，马氏体含量少，用作焊接母材时，能够与焊接接头实现 良好的强韧性匹配，且焊后热影响区不容易发生冷裂，在无预热或预热温度较低的情况下 能顺利完成焊接。 本发明采用非完全奥氏体化，组织中存在较多不稳定的残余奥氏体，残余奥氏体 转变为马氏体后会形成残余应力，增加第二次回火旨在改善碳化物分布规律，并最大限度 消除应力，从而降低材料出现微裂纹的可能，在强度牺牲不大的前提下提高钢的韧性，实现 最佳强韧性匹配。图3为本发明实施例13经两次回火后的TEM照片，由图可看出，晶界上存在 大量分布均匀的球状碳化物，产生很好的沉淀强化作用。 本发明的上述方案有如下的有益效果： 1 .通过优化的成分配方和热处理工艺，改善超高强钢的综合性能，屈服强度超过 5 CN 111549286 A 说　明　书 4/9 页 1050MPa，抗拉强度超过1100MPa，延伸率超过20％，0℃横向冲击功大于等于125J，韧脆转变 温度低于-70℃，焊接性能优良。 2.本发明利用BP神经网络的自学习功能，确定较优的合金成分范围，相比试错法， 效率更高，且能获得影响钢材关键性能的合金元素及优化的含量范围，从而节省合金元素 的用量。 3.本发明采用较低的淬火温度，可减少能源的消耗，有较好的经济效益。 附图说明 图1为本发明采用的BP神经网络结构示意图； 图2(a)为本发明实施例1经非完全奥氏体化后的TEM照片； 图2(b)为对比例1经完全奥氏体化后的TEM照片； 图3为本发明实施例13经两次回火后的TEM照片； 图4为本发明实施例利用BP网络分析出的C含量对强度和屈强比的影响规律； 图5为本发明实施例利用BP网络分析出的C含量对延伸率和冲击功的影响规律； 图6为本发明实施例利用BP网络分析出的Si含量对强度和屈强比的影响规律； 图7为本发明实施例利用BP网络分析出的Si含量对延伸率和冲击功的影响规律； 图8为本发明实施例利用BP网络分析出的Mn含量对强度和屈强比的影响规律； 图9为本发明实施例利用BP网络分析出的Mn含量对延伸率和冲击功的影响规律； 图10为本发明实施例利用BP网络分析出的Cr含量对强度和屈强比的影响规律； 图11为本发明实施例利用BP网络分析出的Cr含量对延伸率和冲击功的影响规律； 图12为本发明实施例利用BP网络分析出的Mo含量对强度和屈强比的影响规律； 图13为本发明实施例利用BP网络分析出的Mo含量对延伸率和冲击功的影响规律； 图14为本发明实施例利用BP网络分析出的V含量对强度和屈强比的影响规律； 图15为本发明实施例利用BP网络分析出的V含量对延伸率和冲击功的影响规律。