高强高韧结构钢 本发明属于合金钢领域。主要适用于承受冲击载荷的零部件，特别是承受高速碰撞的部件。
诸如承受冲击载荷的零部件，要求所采用的材料必须具有良好的强韧性配合和较高的抗剪切失稳能力，以及良好的抗冲击性能，即要求材料具有较高的抗拉强度和断裂韧性，以及较低的屈强比。表1列出了几种常用的超高强度钢的抗拉强度(σb)、屈强比(σ0.2/σb)和断裂韧性(K1c)。
表1 几种常用的超高强度钢的力学性能 合金类型 名称 σb σ0.2/σb K1c Mpa.m 低合金超 高强度钢 300M 30CrMnSiNi2A 1960 1760 0.75 0.83 71 81 马氏体时 效钢 18Ni(250) 1850 0.97 99 二次硬化 马氏体钢 9Ni-5Co (Hp9-4-20改进 型) 1680 0.95 116
从表1看出，低合金超高强度钢300M和30CrMnSiNi2A的主要缺点是断裂韧性较低。马氏体时效钢18Ni(250)的不足是屈强比太高，抗剪切失稳能力差。二次硬化马低体钢9Ni-Co的强度偏低，并且屈强比太高，均不够理想。值得注意的是，后两类钢均含有较高的贵重元素(Co和Ni)，生产成本高，难于推广使用。
本发明的目的在于提供一种抗拉强度和断裂韧性高、屈强比低和经济性好的高强高韧结构钢。
基于上述目的，本发明的主要技术方案是在低碳的纯铁中加入镍、硅、锰、铬、钼和铌，形成中合金淬火回火钢。其具体的化学成分(重量％)为：
C 0.25-0.35％，Ni 4.0-5.0％，Si 1.7-2.5％，Mn 0.2-1.2％，Cr 0.5-1.5％，Mo 0.02-0.8％，Nb 0.01-0.04％，S≤0.01％，P≤0.01％，O≤50PPm，N≤50PPm，余为Fe。
化学成分的设计依据如下：
C是钢的主要强化元素，它通过固溶和形成碳化物的方式提高钢的抗拉强度。加C还可增加钢地变硬化指数，降低屈强比，从而提高钢的动态性能。但过多的C会造成断裂韧性降低，并使焊接性能变差，C含量至少为0.25％，上限不超过0.35％。
Si可推迟低温回火脆性的产生，同时起固溶强化作用，含量低效果不好，过高会降低钢的塑性，Si含量控制在1.7-2.5％比较好。
Mn与Ni一样，都有利于形成残余奥氏体，提高钢的韧性，故以Mn代部分Ni，Mn含量控制在0.2-1.2％较为合适。
Ni可提高基体韧性，适量的Ni与Mn可形成少量残余奥氏体，从而提高钢的塑韧性，过多则使强度下降。同时Ni与Cr、Mo可保证钢所必须的淬透性，Ni含量至少为4.0％，上限不超过5.0％。
Cr与Ni、Mo共同作用可显著提高钢的淬透性，并可阻止残余奥氏体的分解，Cr含量在0.5-1.5％范围内较为合适。
Mo在0.02-0.8％范围内可提高钢的淬透性，防止回火脆性的产生，同时可降C的活度，阻止碳化物聚集，保持钢的强度。
加入少量Nb可有效地细化晶粒，从而提高钢的强度和塑韧性。
同时，为了获得良好的强韧性配合，必须严格控制杂质元素含量，其P、S以不超过0.01％为宜，O、N不超过50PPm。
本发明钢采用真空感应炉冶炼、真空感应+电渣炉重熔或真空感应+真空自耗断重熔的冶炼工艺。熔炼后钢锭应在1200℃下进行均质化处理，随后在1150-850℃范围内进行热加工，热加工后在870-900℃温度下保温，然后油冷，进行淬火处理，最后在200-300℃范围内进行回火处理。
根据上述化学成分及生产方法所制备的本发明钢，不仅具有较高的抗拉强度和断裂韧性，而且还具有较低的屈强比，以及良好的动态力学性能。具体性能为：抗拉强度σb≥1700Mpa、σ0.2≥1400Mpa，K1c≥115Mpa m，σ0.2/σb≤0.85。
与现有技术相比，本发明不仅抗拉强度高，而且断裂韧性好，屈强比低，经济效果好。
实施例
根据本发明高强高韧结构钢的化学成分范围，在135公斤真空感应炉上冶炼4炉本发明钢，其具体化学成分如表2所示。
4炉钢冶炼浇铸成锭后，在同一条件下进行均质化热处理、热加工退火、淬火、回火热处理。其具体工艺参数如下：
钢锭均质化热处理温度1200℃，时间6小时。
热加工加热温度1150-1180℃，加热时间1小时。
退火温度680℃，退火时间1小时
淬火温度900℃，加热时间1小时
回火温度200℃，回火时间2小时。
回火后，对4个钢号的试样进行精加工，并在室温下分别进行拉伸试验和断裂性能试验，所得结果列入表3。
为了对比，在表2和表3中列入了30CrMnSiNi2A和9Ni-5Co两个对比例钢号的化学成分和力学性能。
从表3看出，本发明与对比例30CrMnSiNi2A相比，强度指标相当，但断裂韧性高于后者；与对比例9Ni-5Co相比，断裂韧性相当，但具有较高的抗拉强度、较低的屈强比，同进，所用贵重合金元素较少，成本较低，经济性好。表2实施例及对比例钢号的化学成分(重量％) 钢种及炉号 C Si Mn Ni Cr Mo本发明 1 0.27 1.96 0.49 4.44 1.05 0.62 2 0.25 2.10 0.31 4.90 0.70 0.75 3 0.32 1.94 1.10 4.15 1.02 0.32 4 0.27 1.87 0.51 4.43 1.03 0.51对比例 30CrMnSiNi2A 0.31 1.09 1.08 1.52 1.12 / 9Ni-5Co 0.21 0.07 0.23 9.09 1.93 1.92续表2 CoNb V S P O NFe /0.029 / 0.004 0.006 24 16余 /0.040 / 0.005 0.006 30 19余 /0.019 / 0.006 ＜0.005 29 20余 /0.037 / 0.003 ＜0.005 26 16余 // / 0.005 0.019 33 88余 5.43/ 0.8 0.005 0.007 46 30余表3实施例与对比例钢号的力学性能