本發(fā)明涉及一種低溫鋼及其制備方法，具體的說是一種無鎳的高強度低屈強比中錳低溫鋼及其制備方法。

背景技術(shù)：
低溫鋼是在低于-10℃的低溫下使用并具有足夠缺口韌性的鋼的統(tǒng)稱，其發(fā)展已有近百年歷史，有力地推動了低溫領(lǐng)域科學和技術(shù)的進步。低溫鋼大致可分為四類，即低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼、低溫高強度鋼、鎳系低溫鋼和奧氏體不銹鋼。低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼是以C、Mn為主要元素的低溫鋼，通過降低C含量、提高Mn/C比、降低S、P等有害元素以及加入適量的能夠固定N和細化晶粒的Al來達到提高材料低溫韌性的目的。以16MnDR、15MnNiDR和09MnNiDR為例，這些低溫鋼的C含量控制在0.2%以下，Mn含量控制范圍為1.2-1.6%，Als含量控制在0.015%以上，此外在絕大多數(shù)情況下還添加了Ni；從力學性能來看，這些低溫鋼的屈服強度較低，約為300MPa，夏比沖擊試驗溫度為-30℃至-70℃。低溫高強度鋼是以C、Mn為基礎(chǔ)，加入少量Ni和Cr來提高低溫韌性，并加入少量的Mo和V來提高強度，強韌性匹配較佳，主要用于低溫設備中的球罐。例如我國在1985-1990年間研制的DG50，這種鋼碳含量控制在0.09-0.15%，Mn含量控制在1.0-1.4%，Ni、Cr、Mo和V分別控制在0.6%、0.3%、0.3%和0.06%以下；其屈服強度在490MPa以上，夏比沖擊試驗溫度為-46℃。鎳系低溫鋼以Ni為主要合金元素，通過較高含量的Ni大幅度降低韌-脆轉(zhuǎn)變溫度。根據(jù)使用溫度的不同，這類低溫鋼的Ni含量可以為1.5%、3.5%、5%和9%，夏比沖擊試驗溫度分別為-80℃、-110℃、-120℃和-196℃，屈服強度分別高于275MPa、345MPa、390MPa和575MPa。含Ni元素質(zhì)量分數(shù)9%的9Ni鋼，其典型組織為回火馬氏體+回轉(zhuǎn)奧氏體，回火馬氏體基體提供了較高的強度，而回轉(zhuǎn)奧氏體作為形變載荷的吸收體，可阻礙形變裂紋的萌生與擴展，從而提高低溫韌性。奧氏體不銹鋼主要包括鉻鎳不銹鋼和鉻錳鎳氮不銹鋼，含有大量的Cr、Ni和Mn，以穩(wěn)定的奧氏體相為基體組織，無韌-脆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，低溫韌性優(yōu)良，例如304L、304LN和316L的使用溫度能夠達到-196℃。對目前已有的低溫鋼而言，Ni是最基本最重要的合金元素，該元素與Fe能夠形成α或γ固溶體，在改善鐵素體相強韌性匹配的同時還能夠通過穩(wěn)定奧氏體相的途徑提高韌性，使韌-脆轉(zhuǎn)變溫度顯著降低，但Ni的大量添加使材料成本提高。作為低溫鋼的另一個有益元素，Mn能夠降低韌-脆轉(zhuǎn)變溫度并提高低溫韌性，而且與Ni相比價格優(yōu)勢明顯。若能夠用適量的Mn代替部分甚至全部的Ni，則能夠大大降低低溫鋼的合金成本、提高低溫鋼的經(jīng)濟性。此外，提高低溫鋼的屈服強度無疑能夠擴大應用范圍，但若以犧牲屈強比為代價則鋼結(jié)構(gòu)的安全性難以保證。遺憾的是，目前的低溫鋼難以同時滿足節(jié)鎳降本、高強度和低屈強比的特點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提出一種不含鎳元素的低溫鋼，其屈服強度高且屈強比低，在-110℃低溫環(huán)境中具有優(yōu)良韌性。本發(fā)明所要解決的另一個技術(shù)問題是，提出上述低溫鋼的制備方法本發(fā)明解決以上技術(shù)問題的技術(shù)方案是：一種無鎳的高強度低屈強比中錳低溫鋼，其化學成分及其質(zhì)量分數(shù)為：C：0.03-0.06%、Mn：4.5-6.0%、Si：0.15-0.23%、Als：0.015-0.030%，Mo：0.1-0.3%，S≤0.006%，P≤0.009%，余量為Fe和雜質(zhì)元素；所述低溫鋼的金相組織為回火鐵素體板條束+回轉(zhuǎn)奧氏體的復相組織。無鎳的高強度低屈強比中錳低溫鋼的制備方法，包括以下步驟：㈠加熱：將具有與所述低溫鋼相同化學成分的坯料加熱至1050-1150℃，并保溫90-180min；㈡軋制：對加熱后的坯料進行兩階段軋制，一階段軋制溫度930-1050℃，道次變形量≥15%，二階段軋制溫度780-870℃，總變形量≥50%，軋制結(jié)束后空冷至室溫；㈢熱處理：將鋼板加熱至800-860℃，并保溫30-50min，再以大于5℃/s的冷卻速率加速冷卻至390-460℃后空冷至室溫，之后將鋼板加熱至625-665℃并保溫20-60min，再空冷至室溫。本發(fā)明進一步限定的技術(shù)方案是：前述的無鎳的高強度低屈強比中錳低溫鋼，由所述低溫鋼制成的板材的厚度為17-60mm，屈服強度≥600MPa，屈強比≤0.85，延伸率≥32%，-110℃夏比沖擊試驗橫向沖擊吸收能量≥120J。本發(fā)明中化學成分含量的限定理由如下：C元素能夠通過固溶強化或析出強化提高強度，同時能夠穩(wěn)定奧氏體相，但為了降低材料韌-脆轉(zhuǎn)變溫度，應當盡量降低C含量。此外，C也不利于材料的焊接性。因此本發(fā)明將C含量控制在0.03-0.06%的較低水平。Mn是本發(fā)明所述低溫鋼的主要合金元素。Mn是鐵素體強化元素，同時也是奧氏體穩(wěn)定元素。在改善材料低溫韌性方面，提高Mn/C比能夠顯著降低韌-脆轉(zhuǎn)變溫度，因此Mn能夠在一定程度上取代價格較高的Ni。本發(fā)明Mn含量限定的目的在于：為了在不添加Ni元素的條件下使材料具備優(yōu)良低溫韌性，使Mn添加量高于低合金鋼含量范圍，但過高的Mn含量將使偏析程度加重、冶煉難度加大以及材料成本提高，將Mn含量控制在4.5-6.0%。Si在煉鋼過程中為脫氧元素，適量Si能夠抑制Mn和P的偏聚，而O含量過高、Mn和P偏聚都會損害低溫韌性。Si還能夠產(chǎn)生固溶強化，但含量超過0.3%時會引起韌-脆轉(zhuǎn)變溫度升高，因此含量不能過高。本發(fā)明將Si控制在0.15-0.23%。Al在煉鋼過程中為脫氧元素，也能夠降低固溶N原子數(shù)量，從而提高韌性和時效應變抗力，而形成的AlN還能夠細化晶粒，從而進一步降低韌-脆轉(zhuǎn)變溫度。但過量添加會形成大尺寸的Al3O2和AlN并損害低溫韌性。本發(fā)明將Al含量（Als）控制在0.015-0.030%。Mo能夠抑制滲碳體析出，還能夠提高回火穩(wěn)定性，從而降低脆性并提高強度，含量過高將增加材料成本。本發(fā)明將Mo含量控制在0.1-0.3%。S易與Mn形成MnS，P容易在晶界偏聚并降低晶界抗裂紋擴展能力，為提高材料低溫韌性，需要將S、P控制在最低限度。本發(fā)明中制備方法的機理如下：坯料加熱時得到一定晶粒尺寸的高溫奧氏體組織，同時合金元素通過擴散方式均勻化。加熱溫度過高或保溫時間過長將導致高溫奧氏體晶粒過于粗大，而加熱溫度過低或保溫時間過短不利于合金元素分布的均勻化，因此本發(fā)明將加熱溫度控制在1050-1150℃，保溫時間控制在90-180min。加熱后坯料進行兩階段軋制，一階段軋制溫度控制在930-1050℃，處于奧氏體完全再結(jié)晶區(qū)，道次變形量≥15%能夠達到較好的再結(jié)晶細化效果；二階段軋制溫度控制在780-870℃，處于奧氏體未再結(jié)晶區(qū)，總變形量≥50%能夠保證足夠的應變積累并細化冷卻后的相變組織，為熱處理提供了有利的前驅(qū)組織。熱處理時先將鋼板加熱至800-860℃，該溫度區(qū)間位于奧氏體相區(qū)，30-50min的保溫時間則能夠使奧氏體化完全，同時使合金元素分布足夠均勻，溫度過高或保溫時間過長會造成晶粒粗大并降低韌性。奧氏體化保溫后在高溫段以≥5℃/s的冷卻速率加速冷卻，由于材料Mn含量高，因而淬透性高，加速冷卻即可抑制過冷奧氏體的高溫及中溫相變，此外加速冷卻還能夠抑制粗大碳化物的形成，有利于提高低溫韌性。加速冷卻的終冷溫度選擇在390-460℃，該溫度范圍比較接近但仍然高于過冷奧氏體轉(zhuǎn)變臨界點，在之后的空冷過程中，相變在比較緩慢而均勻的溫降過程中逐步進行，得到細化的鐵素體板條束加尺寸細小且彌散分布的殘余奧氏體或M-A組元，為下一步熱處理工藝中得到理想狀態(tài)的回轉(zhuǎn)奧氏體提供了有利的前驅(qū)組織。此外，采取上述分階段冷卻方式也有利于緩解鋼板內(nèi)應力并防止出現(xiàn)裂紋。在第二步熱處理工藝中，將鋼板加熱至625-665℃，該溫度范圍處于奧氏體-鐵素體兩相區(qū)，保溫過程中能夠形成一定體積分數(shù)（5-12%）的回轉(zhuǎn)奧氏體，回轉(zhuǎn)奧氏體在升溫過程及20-60min的保溫過程中富集合金元素以獲得足夠的熱穩(wěn)定性，能夠在-110℃溫度下仍然保持面心立方結(jié)構(gòu)，而鐵素體板條束在高溫下發(fā)生適度回復，基體力學性能得以改善。保溫后空冷至室溫得到了回火鐵素體板條束加回轉(zhuǎn)奧氏體的復相組織，具有優(yōu)良的強韌性匹配，特別是具有優(yōu)良的低溫韌性。此外，一部分回轉(zhuǎn)奧氏體能夠在材料發(fā)生應變時相變?yōu)轳R氏體，由此提高抗拉強度、降低屈強比，優(yōu)化了材料的塑性變形能力。本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明通過以錳代鎳的合金設計方式以及合理的軋制與熱處理工藝，使材料獲得優(yōu)良低溫韌性，與其它低溫鋼相比成本大大降低。同時，本發(fā)明的低溫鋼還具有高屈服強度和低屈強比的顯著特點，因而應用范圍更廣、結(jié)構(gòu)安全性更高。本發(fā)明的低溫鋼與低溫沖擊試驗溫度要求相同的3.5Ni鋼（一種鎳系低溫鋼）相比，本發(fā)明提出的低溫鋼的合金成本降低了約1500元/噸，且在屈服強度更高的同時兼具低屈強比的特點，應用范圍更廣。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，專利CN104911475A公開了一種低碳中錳高強韌性特厚板及其制備方法，化學成分中C含量高于本發(fā)明，工藝上采取了不同于本發(fā)明的在線淬火加離線回火，鋼板厚度超出了本發(fā)明范圍，鋼板性能中延伸率低于本發(fā)明且僅保證-60℃以上低溫韌性；專利CN104946973A公開了一種高強度、韌性、塑性的低碳中錳中厚板及其制備方法，與本發(fā)明的顯著區(qū)別是化學成分中添加了Ni元素，此外性能方面僅保證-80℃以上低溫韌性。附圖說明圖1為實施例1中低溫鋼金相組織圖。圖2為實施例2中低溫鋼金相組織圖。圖3為實施例3中低溫鋼金相組織圖。具體實施方式實施例1本實施例1為厚度為60mm的無鎳的高強度低屈強比中錳低溫鋼板材，化學成分及其質(zhì)量分數(shù)分別為0.04%C、5.1%Mn、0.23%Si、0.02%Als，0.16%Mo，0.006%S，0.007%P，以及余量Fe和雜質(zhì)元素，金相組織為回火鐵素體板條束+回轉(zhuǎn)奧氏體的復相組織，屈服強度609MPa，屈強比0.78，延伸率37%，-110℃夏比沖擊試驗橫向沖擊吸收能量為152J。上述低溫鋼板材的制備工藝按照以下步驟進行：將320mm厚的坯料放入加熱爐中加熱至1050℃并保溫180min，坯料的化學成分及其質(zhì)量分數(shù)分別為0.04%C、5.1%Mn、0.22%Si、0.02%Als，0.16%Mo，0.006%S，0.007%P，以及余量Fe和雜質(zhì)元素；對加熱后的坯料進行兩階段軋制，一階段開軋溫度1005℃、終軋溫度930℃，軋機壓下規(guī)程為320mm-240mm-180mm-138mm；二階段開軋溫度870℃、終軋溫度820℃，軋機壓下規(guī)程為138mm-110mm-88mm-72mm-60mm，軋制結(jié)束后鋼板上冷床空冷至室溫；將鋼板放入加熱爐中加熱至825℃并保溫60min，鋼板出爐后水冷至440℃，之后空冷至室溫，再將鋼板放入加熱爐中加熱至650℃并保溫60min，鋼板出爐后空冷至室溫。圖1為本實施例低溫鋼金相組織圖，組織類型為回火鐵素體板條束+回轉(zhuǎn)奧氏體的復相組織。實施例2本實施例厚度為41mm的無鎳的高強度低屈強比中錳低溫鋼板材，化學成分及其質(zhì)量分數(shù)分別為0.06%C、4.5%Mn、0.15%Si、0.03%Als，0.3%Mo，0.001%S，0.009%P，以及余量Fe和雜質(zhì)元素，金相組織為回火鐵素體板條束+回轉(zhuǎn)奧氏體的復相組織，屈服強度637MPa，屈強比0.82，延伸率35%，-110℃夏比沖擊試驗橫向沖擊吸收能量為131J。上述低溫鋼板材的制備工藝按照以下步驟進行：將280mm厚的坯料放入加熱爐中加熱至1120℃并保溫120min，坯料的化學成分及其質(zhì)量分數(shù)分別為0.06%C、4.5%Mn、0.15%Si、0.03%Als，0.3%Mo，0.001%S，0.009%P，以及余量Fe和雜質(zhì)元素；對加熱后的坯料進行兩階段軋制，一階段開軋溫度1020℃、終軋溫度960℃，軋機壓下規(guī)程為280mm-196mm-147mm-105mm；二階段開軋溫度860℃、終軋溫度805℃，軋機壓下規(guī)程為105mm-84mm-66mm-53mm-45mm-41mm，軋制結(jié)束后鋼板上冷床空冷至室溫；將鋼板放入加熱爐中加熱至860℃并保溫30min，鋼板出爐后水冷至460℃，之后空冷至室溫，再將鋼板放入加熱爐中加熱至665℃并保溫35min，鋼板出爐后空冷至室溫。圖2為本實施例低溫鋼金相組織圖，組織類型為回火鐵素體板條束+回轉(zhuǎn)奧氏體的復相組織。實施例3本實施例為厚度為17mm的無鎳的高強度低屈強比中錳低溫鋼板材，化學成分及其質(zhì)量分數(shù)分別為0.03%C、6.0%Mn、0.20%Si、0.015%Als，0.1%Mo，0.003%S，0.006%P，以及余量Fe和雜質(zhì)元素，金相組織為回火鐵素體板條束+回轉(zhuǎn)奧氏體的復相組織，屈服強度654MPa，屈強比0.85，延伸率32%，-110℃夏比沖擊試驗橫向沖擊吸收能量為120J。上述低溫鋼板材的制備工藝按照以下步驟進行：將180mm厚的坯料放入加熱爐中加熱至1150℃并保溫90min，坯料的化學成分及其質(zhì)量分數(shù)分別為0.03%C、6.0%Mn、0.20%Si、0.015%Als，0.1%Mo，0.003%S，0.006%P，以及余量Fe和雜質(zhì)元素；對加熱后的坯料進行兩階段軋制，一階段開軋溫度1050℃、終軋溫度955℃，軋機壓下規(guī)程為180mm-126mm-88mm-69mm-55mm；二階段開軋溫度855℃、終軋溫度780℃，軋機壓下規(guī)程為55mm-44mm-35mm-28mm-23mm-19mm-17mm，軋制結(jié)束后鋼板上冷床空冷至室溫；將鋼板放入加熱爐中加熱至800℃并保溫50min，鋼板出爐后水冷至390℃，之后空冷至室溫，再將鋼板放入加熱爐中加熱至625℃并保溫20min，鋼板出爐后空冷至室溫。圖3為本實施例低溫鋼金相組織圖，組織類型為回火鐵素體板條束+回轉(zhuǎn)奧氏體的復相組織。除上述實施例外，本發(fā)明還可以有其他實施方式。凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求的保護范圍。