周茂奇 郭世寶 張振申 管劉輝

(安陽(yáng)鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司)

貧珠光體型管線鋼帶狀組織對(duì)性能影響研究

周茂奇 郭世寶 張振申 管劉輝

(安陽(yáng)鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司)

通過(guò)光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡對(duì)貧珠光體型管線鋼的帶狀組織形貌進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)帶狀組織主要出現(xiàn)在鋼的厚度中心，以伴有少量M/A相的珠光體帶為主。帶狀組織的形成與成分偏析和TMCP工藝有密切關(guān)系，受工藝波動(dòng)帶狀組織呈現(xiàn)出不同級(jí)別。本文通過(guò)對(duì)管線鋼卷板和鋼管的工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，以及不同帶狀組織級(jí)別樣品的對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)帶狀組織級(jí)別與材料強(qiáng)度、沖擊功、DWTT剪切面積等力學(xué)性能指標(biāo)無(wú)明顯相關(guān)性，對(duì)材料各向異性、制管的包申格效應(yīng)和落錘斷口無(wú)明顯影響，而對(duì)抗HIC性能具有一定影響。

帶狀組織 管線鋼 DWTT HIC

0 引言

一般來(lái)說(shuō)，熱軋低碳鋼的帶狀組織是指沿鋼材軋制方向形成的，以先共析鐵素體為主的帶與以珠光體為主的帶彼此交替排列而成的組織形態(tài)，其形成原因，主要是鋼材熱軋后冷卻過(guò)程中發(fā)生相變時(shí)，鐵素體優(yōu)先在由枝晶偏析和非金屬夾雜延伸而成的條帶中形成，導(dǎo)致鐵素體形成條帶，鐵素體條帶之間為珠光體帶，二者相間分布。帶狀組織的存在使鋼的組織不均勻，并對(duì)鋼的各向異性、沖擊韌性等有著重要影響，因此通常將帶狀組織列入檢驗(yàn)規(guī)范，其評(píng)級(jí)辦法一般采用GB/T 13299。

對(duì)于X60－X70級(jí)別管線鋼而言，其組織類型通常為貧珠光體型(組織為PF+P+GB)，其帶狀組織主要是厚度1/2處的中心偏析造成的較嚴(yán)重的帶狀，這種帶狀往往呈不連續(xù)分布，形態(tài)復(fù)雜多樣，與鐵素體－珠光體帶有著明顯區(qū)別。行業(yè)內(nèi)對(duì)高強(qiáng)度級(jí)別管線鋼帶狀組織評(píng)級(jí)通常是采用中石油企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)此評(píng)級(jí)辦法，貧珠光體型管線鋼有時(shí)出現(xiàn)3級(jí)甚至大于3級(jí)的帶狀組織。然而，對(duì)于這種中心偏析引起的帶狀組織，其級(jí)別對(duì)產(chǎn)品性能的影響程度，目前還少有研究。下面筆者就安鋼管線鋼工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，不同級(jí)別的帶狀組織對(duì)制管前后力學(xué)性能、抗HIC性能等方面的影響進(jìn)行分析闡述。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為安鋼批量生產(chǎn)的X60級(jí)別管線鋼，鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 化學(xué)成分 wt%

板卷采用TMCP工藝生產(chǎn)，制管工藝為螺旋埋弧焊。對(duì)管線鋼板卷和加工后的鋼管，均按照ASTM標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了各項(xiàng)力學(xué)性能檢驗(yàn)，并按照中石油企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了帶狀組織的評(píng)級(jí)。

首先對(duì)不同級(jí)別的帶狀組織形貌進(jìn)行了光學(xué)顯微鏡(OM)觀察，并對(duì)成分偏析情況通過(guò)SEM進(jìn)行了能譜分析。為考察帶狀組織級(jí)別與材料力學(xué)性能指標(biāo)的關(guān)系，選取一定批量的板卷工業(yè)生產(chǎn)檢測(cè)數(shù)據(jù)和鋼管工業(yè)生產(chǎn)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比統(tǒng)計(jì)分析。由于帶狀組織級(jí)別存在微觀的不均勻性，因此采用統(tǒng)計(jì)分析方法更加可靠。

此外，在板卷上各取帶狀組織為1級(jí)、2級(jí)和3.5級(jí)的三套試樣(編號(hào)分別為 A、B、C)，考查了各向異性、制管后包申格效應(yīng)值、韌脆轉(zhuǎn)變曲線、落錘斷口及抗HIC性能等方面與帶狀組織級(jí)別的關(guān)系。

2 分析討論

2.1 帶狀組織形貌及形成原因

管線鋼的帶狀組織，一般是由于合金元素偏析引起［1－5］。根據(jù)試驗(yàn)材料的化學(xué)成分，通過(guò)SEM在條帶和基體上對(duì)Mn元素進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖1所示，元素含量百分比見(jiàn)表2。

圖1 條帶和基體上Mn元素的能譜分析

表2 條帶與基體的能譜分析

由圖1、表2可以看出，材料中Mn元素明顯存在著中心偏析。帶狀組織的產(chǎn)生，在于連鑄坯在凝固過(guò)程中碳和其他元素一起發(fā)生枝晶偏析，使鋼中各區(qū)域存在化學(xué)成分的不均勻，從而各個(gè)區(qū)域的Ar3點(diǎn)溫度不同。當(dāng)從奧氏體區(qū)冷卻發(fā)生相變時(shí)，鐵素體優(yōu)先發(fā)生于臨界點(diǎn)較高的貧碳貧合金元素帶上，鐵素體的形成把碳進(jìn)一步排斥到富碳、富合金帶中，最后轉(zhuǎn)變形成富碳的組織帶。因此帶狀組織與控軋控冷的條件有密切關(guān)系［3］。隨著終冷溫度、冷卻速度等參數(shù)的波動(dòng)，帶狀組織的條數(shù)、寬度和分布集中度等隨之變化。根據(jù)對(duì)一定批量試驗(yàn)材料的帶狀組織形貌進(jìn)行觀察，帶狀組織主要出現(xiàn)在試樣厚度1/2處，在試樣表層和1/4處幾乎未出現(xiàn)帶狀組織。帶狀組織以珠光體帶為主，伴有少量M/A相。帶狀組織的連續(xù)性、密實(shí)程度、寬度和分布集中度呈現(xiàn)出復(fù)雜多樣的特點(diǎn)，其中3.5級(jí)帶狀組織相比于較輕微的帶狀組織，其特點(diǎn)主要在于條數(shù)較多且分布集中度較高。圖2所示帶狀組織級(jí)別為3.5級(jí)。

圖2 3.5級(jí)帶狀組織

2.2 帶狀組織與材料拉伸性能及包申格效應(yīng)

表3為板卷檢驗(yàn)和鋼管檢驗(yàn)時(shí)不同帶狀級(jí)別的力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)平均值，表4為不同帶狀組織級(jí)別的三組試樣A、B、C在制管后因包申格效應(yīng)引起的強(qiáng)度變化?？梢?jiàn)，無(wú)論是管線鋼板卷檢驗(yàn)結(jié)果，還是加工后的鋼管檢驗(yàn)結(jié)果，不同帶狀組織級(jí)別的拉伸性能差異均在性能的正常波動(dòng)范圍內(nèi)。

表3 板卷檢驗(yàn)和鋼管檢驗(yàn)時(shí)不同帶狀組織級(jí)別的拉伸性能

表4 不同帶狀組織級(jí)別下包申格效應(yīng)引起的強(qiáng)度變化

可以認(rèn)為，帶狀組織級(jí)別與強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率等拉伸試驗(yàn)性能指標(biāo)，以及與制管后包申格效應(yīng)引起的強(qiáng)度變化值，均無(wú)明顯相關(guān)性。

2.3 帶狀組織與材料沖擊性能、DWTT性能

表5為板卷檢驗(yàn)時(shí)不同帶狀級(jí)別的沖擊性能統(tǒng)計(jì)平均值，表6為鋼管檢驗(yàn)時(shí)不同帶狀級(jí)別的沖擊性能統(tǒng)計(jì)平均值，圖3為不同帶狀組織級(jí)別的三組試樣A、B、C，在各試驗(yàn)溫度下的沖擊功曲線。表7為板卷檢驗(yàn)和鋼管檢驗(yàn)時(shí)不同帶狀級(jí)別的DWTT性能統(tǒng)計(jì)平均值。

表5 板卷檢驗(yàn)時(shí)不同帶狀組織級(jí)別的沖擊性能

表6 鋼管檢測(cè)時(shí)不同帶狀組織級(jí)別的沖擊性能

圖3 不同帶狀組織級(jí)別各溫度下的沖擊功

表7 板卷檢測(cè)和鋼管檢測(cè)時(shí)不同帶狀組織級(jí)別的DWTT性能

可見(jiàn)，不同帶狀組織級(jí)別的沖擊性能和DWTT性能指標(biāo)差異值均很小，較高的帶狀組織級(jí)別并沒(méi)有引起沖擊功和DWTT的顯著惡化?？梢哉J(rèn)為，帶狀組織級(jí)別與沖擊性能和DWTT性能無(wú)明顯相關(guān)性。

2.4 帶狀組織與各向異性

表8給出了不同帶狀組織級(jí)別的A、B、C三組試樣，分別在橫向、縱向和45°方向的性能，并采用縱向、45°方向性能與橫向性能的比值作為考察各向異性的指標(biāo)?？梢?jiàn)，材料的各向異性情況均呈現(xiàn)出相似規(guī)律，帶狀組織級(jí)別對(duì)材料各向異性無(wú)明顯影響。

表8 不同帶狀組織級(jí)別下不同方向的性能

2.5 帶狀組織與落錘斷口

有文獻(xiàn)［3］認(rèn)為帶狀組織的邊界引起應(yīng)力集中，容易使DWTT斷口出現(xiàn)分離裂紋，從而導(dǎo)致DWTT剪切面積偏低。圖4為A、B、C三組樣品在－15℃下的DWTT斷口照片，可見(jiàn)均未發(fā)生斷口分離裂紋。其原因可能與帶狀組織的形貌特征有關(guān)。貧珠光體型管線鋼的帶狀組織，相比于典型的鐵素體－珠光體帶，其珠光體含量較少，帶狀與基體的硬度差異相對(duì)較小，且?guī)钸B續(xù)性不強(qiáng)，以致未引起嚴(yán)重的應(yīng)力集中，所以沒(méi)有出現(xiàn)分離裂紋。

2.6 帶狀組織與抗HIC性能

圖4 同帶狀組織級(jí)別的DWTT斷口

氫致裂紋HIC是指金屬材料在含H2S介質(zhì)的作用下，由電化學(xué)腐蝕過(guò)程中析出的氫進(jìn)入金屬材料內(nèi)部產(chǎn)生階梯型裂紋，這些裂紋的生長(zhǎng)發(fā)育最終導(dǎo)致金屬材料發(fā)生開(kāi)裂。對(duì)HIC敏感的冶金缺陷處，容易捕獲擴(kuò)散的氫原子并產(chǎn)生HIC裂紋。有文獻(xiàn)［1－2］指出，控制帶狀組織級(jí)別的要求，其主要目的正是出于對(duì)鋼材抗HIC性能的考慮。

對(duì)帶狀組織為1級(jí)、2級(jí)和3.5級(jí)的試樣各取2組(每組3個(gè)試樣)，分別采用NACE TM0284－2003 B溶液(人工海水H2S飽和溶液，pH=5)和NACE TM0284－2003 A溶液(NaCl+CH3COOH的H2S飽和溶液，pH=3)進(jìn)行HIC試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 帶狀組織級(jí)別與抗HIC性能的關(guān)系

圖5 帶狀組織3.5級(jí)試樣在A溶液中產(chǎn)生的氫致裂紋

在B溶液中，三組試樣均未出現(xiàn)氫致裂紋;在A溶液中，1級(jí)、2級(jí)帶狀組織試樣未出現(xiàn)氫致裂紋，而3.5級(jí)帶狀組織試樣出現(xiàn)了氫致裂紋，如圖5所示。氫致裂紋出現(xiàn)在試樣厚度1/2處，與帶狀組織出現(xiàn)的位置吻合，且氫致裂紋的擴(kuò)展方向基本沿帶狀方向，沒(méi)有向兩側(cè)擴(kuò)展。

根據(jù)API 5L，當(dāng)裂紋敏感率CLR≤15%，CTR≤5%，CSR≤2%，抗HIC性能符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。由表8結(jié)果可見(jiàn)，3.5級(jí)帶狀組織的試樣通過(guò)了A溶液的抗HIC試驗(yàn)。

試樣基體組織沒(méi)有出現(xiàn)氫致裂紋，以及氫致裂紋僅沿帶狀方向擴(kuò)展，沒(méi)有向兩側(cè)擴(kuò)展，此現(xiàn)象表明，基體組織具有較好的抗HIC性能。帶狀組織是此組織類型鋼中氫致裂紋產(chǎn)生并擴(kuò)展的重要因素。

目前氫致裂紋產(chǎn)生的機(jī)理還存在爭(zhēng)議，有文獻(xiàn)［7－8］認(rèn)為，對(duì)于少珠光體顯微組織，HIC 的裂紋源位置是M/A相聚集處或簇狀?yuàn)A雜物處，裂紋以準(zhǔn)解理的方式擴(kuò)展。單獨(dú)的M/A相由于晶粒尺寸太小而不能作為單獨(dú)的裂紋形核位置，當(dāng)M/A群島形成的裂紋尺寸達(dá)到準(zhǔn)解理裂紋擴(kuò)展的臨界值時(shí)，裂紋才得以擴(kuò)展。所以基體組織中雖然也存在M/A相，但尺寸太小不會(huì)成為裂紋形核位置。帶狀組織中M/A相含量較高且分布不均勻，容易出現(xiàn)較大尺寸的M/A群島，為氫致裂紋的形成與擴(kuò)展提供了有利條件，而M/A群島的分布狀況會(huì)對(duì)裂紋的擴(kuò)展產(chǎn)生影響，裂紋沿著連接硬M/A相的鐵素體晶粒擴(kuò)展，因此氫致裂紋與帶狀組織方向一致。

抗HIC性能的影響因素很多，一般來(lái)說(shuō)，采用TMCP工藝生產(chǎn)的貧珠光體型管線鋼，具有S含量、夾雜物等控制水平較好、晶粒細(xì)小均勻等有利因素，基體組織不容易出現(xiàn)氫致裂紋，而帶狀組織以伴有少量M/A相的珠光體帶為主，板條貝氏體、馬氏體等相含量非常小，因此1級(jí)、2級(jí)帶狀組織產(chǎn)生氫致裂紋的概率很小，3.5級(jí)帶狀組織雖產(chǎn)生氫致裂紋，但裂紋敏感率指標(biāo)仍能夠符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 結(jié)論

1)對(duì)于采用TMCP工藝生產(chǎn)的貧珠光體型管線鋼，其帶狀組織因成分偏析所致，主要出現(xiàn)在厚度中心，以珠光體帶為主，伴有少量M/A相，并受TMCP工藝參數(shù)波動(dòng)的影響，帶狀組織呈現(xiàn)出不同形貌和不同級(jí)別。

2)帶狀組織與管線鋼卷板及鋼管的強(qiáng)度、延伸率、沖擊功、DWTT剪切面積等性能指標(biāo)無(wú)明顯相關(guān)性，對(duì)鋼的各向異性、制管的包申格效應(yīng)無(wú)明顯影響。

3)帶狀組織并不顯著導(dǎo)致DWTT斷口出現(xiàn)分離裂紋，這與貧珠光體型管線鋼帶狀組織的形貌特征有關(guān)。

4)帶狀組織對(duì)材料抗HIC性能具有一定影響，但由于基體組織具有 較好的抗HIC性能，以及帶狀組織中除珠光體外其他硬相含量較小等原因，裂紋敏感率指標(biāo)能夠符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

［1］ 李平全，霍春勇，李金風(fēng)，等.兩種組織類型的X70鋼級(jí)管線鋼的帶狀組織淺析(一).鋼管，2006，35(2):15 －20.

［2］ 李平全，霍春勇，李金風(fēng)，等.兩種組織類型的X70鋼級(jí)管線鋼的帶狀組織淺析(二).鋼管，2006，35(3):13 －17.

［3］ 李家鼎，麻慶申，姜中行，等.高級(jí)別管線鋼中幾種常見(jiàn)帶狀組織淺析［J］.軋鋼，2009，26(6):16 －21.

［4］ 李鶴林，郭生武，馮耀榮，等.高強(qiáng)度微合金管線鋼顯微組織分析與鑒別圖譜［M］.北京:石油化工出版社，2006.59 －62.

［5］ 殷光虹，施青，孫元寧，等.管線用鋼氫致裂紋影響因素分析［J］.鋼管，2004，33(6):20 －26.

［6］ 顧寶蘭，徐學(xué)東，周莉，等.管線用鋼顯微組織對(duì)氫致裂紋影響的研究［J］.理化檢驗(yàn) －物理分冊(cè)，2006，42(1):8－11.

［7］ Gyu Tae Park，Sung Ung Koh，Hwan Gyo Jung，Kyoo Young Kim.Determination of the hydrogen induced cracking(HIC)initiation sites of API X65 grade steel plate.Gyeongju:The 3rd International Conference on Advanced Structural Steels，2006:470 －475.

［8］ Hwan Gyo Jung，Ki Bong Kang.Development of high strength linepipe steels with improved HIC resistance.Gyeongju:The 3rd International Conference on Advanced Structural Steels，2006:263－268.

STUDY ON EFFECT OF BAND MICROSTRUCTURES OF DEFICIENT PEARLITE PIPELINE STEEL ON PROPERTY

Zhou Maoqi Guo Shibao Zhang Zhenshen Guan Liuhui

(Anyang Iron and Steel Group Co.，Ltd)

The band microstructures of deficient pearlite pipeline steel were studied by SEM and TEM，and it was found that the band microstructures mainly appeared in the thickness center of steel，and contained pearlite bands with small amount of M/A.The formation of band structures was closely related to the composition segregation and TMCP process，and band microstructure by process fluctuations showed different levels.Combining to industry production and contrast test between different levels，it was also found that the band of different levels had little influence on the anisotropy，bauschinger effect，DWTT facture surface and mechanical property such as strength，Akv and DWTT SA% ，but had influence on HIC properties.

band microstructure pipeline steelDWTT HIC

*

聯(lián)系人:周茂奇，工程師，工學(xué)碩士，河南.安陽(yáng)(455004)，安陽(yáng)鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心;

2011—4—19