韓 晨，孫付濤

洛陽(yáng)有色金屬加工設(shè)計(jì)研究院，河南 洛陽(yáng) 471039

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冷卻速度和Nb含量對(duì)X80管線(xiàn)鋼MA島的影響

韓 晨，孫付濤

洛陽(yáng)有色金屬加工設(shè)計(jì)研究院，河南 洛陽(yáng) 471039

以高Nb X80管線(xiàn)鋼為研究對(duì)象，利用金相顯微鏡、掃描電鏡和透射電鏡等實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)鋼中MA島的尺寸、形貌及分布特征進(jìn)行了研究和分析.研究結(jié)果表明，高Nb X80管線(xiàn)鋼熱軋后，適當(dāng)提高冷卻速度可使鋼中MA島的形貌和分布更為細(xì)小和均勻，高的Nb含量促進(jìn)了條狀MA島的生成.通過(guò)調(diào)整高Nb X80管線(xiàn)鋼的合金成分和熱軋后的冷卻速度，均可減少M(fèi)A島對(duì)鋼性能產(chǎn)生的不利影響.

X80管線(xiàn)鋼；MA島；高Nb含量；冷卻速度；熱模擬試驗(yàn)

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，以長(zhǎng)距離、高壓力和大管徑為特征的管道越來(lái)越多的出現(xiàn)在石油天然氣輸送工程中，對(duì)管線(xiàn)用鋼的綜合力學(xué)性能，尤其是強(qiáng)度和韌性提出了更高的要求[1-3].

MA島(martensite and austenite，馬氏體和奧氏體島狀物)是低C微合金鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w時(shí)，在形成板條鐵素體的過(guò)程中，C在剩余奧氏體內(nèi)逐漸富集而形成的一種成分.對(duì)于高Nb X80管線(xiàn)鋼而言，MA島主要是由于富C奧氏體難以保留至室溫，在冷卻時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體而形成的.MA島組織與F-P鋼中的珠光體不同，后者是高溫共析轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，尺寸較大，分布于鐵素體晶粒的交會(huì)點(diǎn)，而貝氏體鋼中富C組成物的分布更為均勻，尺寸更為細(xì)小，這可能也是貝氏體鋼在保持高強(qiáng)度水平的同時(shí)仍具有良好的韌性的原因之一.由于MA島是脆性組成物，它對(duì)管線(xiàn)鋼的韌性不利，因此，MA島也是低C貝氏體的一個(gè)組織特征，MA島的數(shù)量、大小、形態(tài)及分布狀態(tài)對(duì)管線(xiàn)鋼的強(qiáng)韌性及HIC抗力有一定的影響[4-6].目前，關(guān)于MA島特征影響因素的研究較少，主要是針對(duì)其成分和冷卻速度進(jìn)行研究.

本文利用Gleeble-2000熱模擬試驗(yàn)機(jī)、金相顯微鏡、掃描電鏡及透射電鏡等儀器，對(duì)某企業(yè)生產(chǎn)的高Nb X80管線(xiàn)鋼中MA島的尺寸、形貌及分布特征進(jìn)行了觀(guān)察分析，并與低Nb X80管線(xiàn)鋼中的MA島進(jìn)行對(duì)比，得出了Nb含量與MA島的關(guān)系，并提出了減少M(fèi)A島對(duì)管線(xiàn)鋼強(qiáng)韌性不利影響的工藝措施.

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為某企業(yè)生產(chǎn)的高、低Nb X80管線(xiàn)鋼連鑄坯，切割后鍛打成90 mm×120 mm×250 mm的試樣，其主要化學(xué)成分及含量列于表1.

1.2 試驗(yàn)方法

為了更好地反映生產(chǎn)實(shí)際，熱模擬試驗(yàn)進(jìn)行了兩階段的變形和相應(yīng)的冷卻工藝，變形分別在奧氏體再結(jié)晶區(qū)及未再結(jié)晶區(qū)進(jìn)行.

控軋控冷工藝規(guī)程如下：分別將直徑10 mm，長(zhǎng)15 mm的高、低Nb X80管線(xiàn)鋼熱模擬試樣以50 ℃/s加熱到1100 ℃，然后再以10 ℃/s加熱到1220 ℃并保溫3 min，以2 ℃/s冷卻到1100 ℃，進(jìn)行第一道次壓下，壓下量為5 mm(壓下率33.3%)，應(yīng)變速率3 s-1.然后再以2 ℃/s冷卻到930 ℃進(jìn)行第二道次壓下，壓下量為5 mm(壓下率50.0%)，應(yīng)變速率10 s-1.其中：降溫到1100 ℃和930 ℃時(shí)，在壓下前各保溫10 s，以消除溫度梯度.變形結(jié)束后以2 ℃/s冷卻到850 ℃，再以15 ℃/s和25 ℃/s冷卻到530 ℃，然后空冷至室溫.

表1 試驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分及含量

將經(jīng)熱模擬試驗(yàn)后的試樣沿兩個(gè)熱電偶所在的平面進(jìn)行分切，然后根據(jù)試驗(yàn)需要進(jìn)行制樣、研磨、浸蝕或拋光，并將樣品分別置于金相顯微鏡、掃描電鏡和透射電鏡下進(jìn)行微觀(guān)組織的觀(guān)察和分析.

2 高Nb鋼的MA島組織特征

以15 ℃/s從850 ℃冷卻到530 ℃的高Nb X80管線(xiàn)鋼的金相顯微組織、掃描電鏡組織(SEM)如圖1所示.

圖1 試驗(yàn)用高Nb X80管線(xiàn)鋼的微觀(guān)組織(a)金相顯微組織；(b)掃描電鏡組織Fig.1 Microstructure of the high-Nb X80 pipeline tested steel(a) metallurgical microstructure；(b) SEM image

從圖1(a)可以看出，高Nb X80管線(xiàn)鋼的晶粒尺寸較小，組織中存在粒狀貝氏體、針狀鐵素體和塊狀鐵素體，并以粒狀貝氏體為主.從圖1(b)中可以看出，鋼中的MA島組織多為點(diǎn)狀或長(zhǎng)條狀，尺寸較小，分布也很均勻，主要以彌散狀態(tài)分布在貝氏體和鐵素體的晶界和晶內(nèi).

高Nb X80管線(xiàn)鋼在冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w時(shí)，在形成板條狀鐵素體的過(guò)程中，C在剩余奧氏體內(nèi)逐漸富集.由于相變溫度高，相變驅(qū)動(dòng)力小，轉(zhuǎn)變不能進(jìn)行到底，會(huì)有少量奧氏體殘留下來(lái)，以島的形式分布于板條間，同時(shí)在大角度晶界上也常有小島存在，這主要是由于C沿晶界擴(kuò)散較快.

3 MA島組織的影響因素及成因分析

軋后冷卻速度對(duì)微合金鋼的組織和性能的影響較大.在相同的變形條件及溫度控制下，隨軋后冷卻速度的提高，鋼的晶粒明顯變細(xì).當(dāng)鋼中含有一定量的Mn，Nb和Mo等元素時(shí)，隨冷卻速度的提高，先共析的鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變被抑制，組織中將出現(xiàn)貝氏體和MA島組織等低溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，鋼的力學(xué)性能尤其是屈服強(qiáng)度顯著提高[7].本試驗(yàn)設(shè)定了15 ℃/s和25 ℃/s兩個(gè)冷卻速度，以分析冷卻速度對(duì)高Nb X80管線(xiàn)鋼中MA島的影響.采用相同的控軋控冷工藝，分析了Nb含量對(duì)X80管線(xiàn)鋼中MA島的大小、形狀及分布等特征的影響.

3.1 冷卻速度對(duì)高Nb鋼中MA島的影響

圖2為在15 ℃/s和25 ℃/s冷卻速度下，高Nb X80管線(xiàn)鋼的掃描電鏡組織.從圖2可以看出，當(dāng)冷卻速度從15 ℃/s提高到25 ℃/s時(shí)，高Nb X80管線(xiàn)鋼組織中尺寸較大的粒狀貝氏體和塊狀鐵素體變得細(xì)小和均勻，MA島組織變得更為細(xì)小和均勻，接近球形或橢圓形，并以彌散狀態(tài)分布，細(xì)小均勻的MA島組織可有效地提高管線(xiàn)鋼的強(qiáng)韌性，進(jìn)而提高其綜合力學(xué)性能.在控軋控冷其它工藝參數(shù)相同的條件下，冷卻速度越大，形核激活能越大，形核速率也越大，其相變后的晶粒越細(xì)小、均勻.因此，冷卻速度越大，MA島越細(xì)小，形狀越接近球形.但冷卻速度過(guò)大，溫度降低太快的話(huà)，低溫會(huì)使C擴(kuò)散困難，不利于形成一定量的先共析鐵素體，會(huì)影響鋼材的韌性.

圖2 試驗(yàn)用高Nb X80管線(xiàn)鋼在不同冷速下的SEM組織(a)冷速15 ℃/s；(b)冷速25 ℃/sFig.2 SEM images of the high-Nb X80 pipeline tested steel at different cooling rates(a) cooling rate of 15 ℃/s；(b) cooling rate of 25 ℃/s

3.2 含Nb量對(duì)MA島的影響

圖3為低Nb X80管線(xiàn)鋼在15 ℃/s和25 ℃/s冷卻速度下的掃描電鏡組織.由圖2和圖3可見(jiàn)，當(dāng)冷卻速度為15 ℃/s時(shí)，高Nb X80管線(xiàn)鋼中的MA島以條狀為主，多分布在板條狀貝氏體和鐵素體的內(nèi)部，且有一定的方向性(圖2(a))，而在此冷速下，低Nb X80管線(xiàn)鋼中的MA島以點(diǎn)狀和塊狀為主，在鐵素體晶內(nèi)及晶界處均有分布，所含長(zhǎng)條狀MA島的數(shù)量遠(yuǎn)低于高Nb X80管線(xiàn)鋼(圖3(a)).當(dāng)冷卻速度為25 ℃/s時(shí)，高Nb和低Nb X80管線(xiàn)鋼中的MA島數(shù)量均有所增加，尺寸更為細(xì)小圓滑，分布也更均勻.在25 ℃/s冷速下，兩種鋼中的MA島的形貌差異更為明顯，但基本不存在異形的MA島.高Nb X80管線(xiàn)鋼中幾乎全部為長(zhǎng)條狀MA島，分布在板條狀貝氏體和鐵素體的內(nèi)部或之間，構(gòu)成小角度晶界(圖2(b))，而低Nb X80管線(xiàn)鋼中的MA島仍以點(diǎn)狀和塊狀為主(圖3(b)).

圖3 試驗(yàn)用低Nb X80管線(xiàn)鋼在不同冷速下的SEM組織(a)冷速15 ℃/s；(b)冷速25 ℃/sFig.3 SEM images of low-Nb X80 pipeline test steel at different cooling rates(a) cooling rate of 15 ℃/s；(b) cooling rate of 25 ℃/s

由此可見(jiàn)，冷卻速度對(duì)高Nb X80管線(xiàn)鋼中的MA島的影響更明顯，適當(dāng)提高冷卻速度可使鋼中的MA島尺寸減小，變得較為規(guī)則，且分布較為彌散，這對(duì)高Nb X80管線(xiàn)鋼性能的提高是有利的.

3.3 X80管線(xiàn)鋼中MA島的成因及控制措施

MA島的形狀、大小及分布等特征主要是受鋼的成分和冷卻速度的影響.成分對(duì)MA島特征的影響主要體現(xiàn)在C含量以及所添加的微量元素在鋼中所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù).

MA島是富C組織，一般而言，在相同的條件下，C含量越多，MA島的數(shù)量也越多，而C含量對(duì)MA島形貌的影響不大.通過(guò)掃描電鏡可觀(guān)察到低Nb X80管線(xiàn)鋼中的MA數(shù)量明顯多于高Nb X80管線(xiàn)鋼的，而實(shí)際上低Nb X80管線(xiàn)鋼中的C含量是高于高Nb鋼的(表1)，也就是說(shuō)C含量對(duì)MA島數(shù)量的影響理論分析和試驗(yàn)結(jié)果是一致的.

由于兩種X80管線(xiàn)鋼中都沒(méi)有添加元素V，而Ti含量基本相同，鈦在高溫下形成的TiN粒子具有很高的熱力學(xué)穩(wěn)定性，很難固溶于再加熱態(tài)的連鑄坯中.因此，元素Nb的含量是影響MA島特征的主要因素.由于兩種鋼的熱模擬試驗(yàn)參數(shù)完全一致，所以鋼中MA島形貌等特征的差異主要是由元素Nb含量的不同造成的.Nb含量的增加促進(jìn)了條狀MA島的出現(xiàn)，且主要分布在板條狀貝氏體和鐵素體束的內(nèi)部或板條束之間.這是因?yàn)槲⒑辖鹪豊b和Ti在增加管線(xiàn)鋼奧氏體穩(wěn)定性的同時(shí)，能夠使鐵素體板條化傾向更為顯著，從而導(dǎo)致MA島多分布于板條間且呈長(zhǎng)條狀.

MA島作為一種硬質(zhì)相，其尺寸大小、形態(tài)、分布和數(shù)量對(duì)于鋼的性能尤其是強(qiáng)韌性影響很大.對(duì)于所研究的高Nb X80管線(xiàn)鋼而言，一定數(shù)量的、長(zhǎng)寬比相對(duì)較小的MA島對(duì)鋼的性能尤其是強(qiáng)度的提高非常有利.而在試驗(yàn)研究中，利用透射電鏡在高Nb X80管線(xiàn)鋼中也發(fā)現(xiàn)了一些尺寸較大，形狀不規(guī)則，存在尖角的MA島.由于MA島為富C組織，所以其含C量高于基體，因此，顏色比基體深一些(圖4).研究結(jié)果表明，當(dāng)MA島的長(zhǎng)寬比大于4時(shí)，會(huì)給鋼的性能帶來(lái)不利的影響.

圖4 試驗(yàn)用高Nb X80管線(xiàn)鋼中不規(guī)則MA島形貌Fig.4 Irregular morphology of MA island in the high-Nb X80 pipeline tested steel

鋼在變形時(shí)會(huì)集中大量的應(yīng)變，應(yīng)變的分配與鋼中MA島的數(shù)量密切相關(guān)，MA島的數(shù)量越多，所承受的應(yīng)變量也越大，變形后組織的位錯(cuò)密度就越高.因此，在一定體積范圍內(nèi)提高M(jìn)A島的數(shù)量可以有效地提高鋼材的強(qiáng)度和韌性.當(dāng)組織中MA島的體積分?jǐn)?shù)一定時(shí)，MA島的尺寸越大，對(duì)位錯(cuò)起有效阻礙的粒子越少，在組織中能塞積的位錯(cuò)數(shù)量少，鋼材的強(qiáng)度就低.而當(dāng)MA島的體積分?jǐn)?shù)和大小一定時(shí)，其形狀對(duì)鋼的強(qiáng)度和韌性也有較大的影響.有尖角的方形或三角形的MA島比點(diǎn)狀或圓形的MA島在變形時(shí)更容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而誘發(fā)裂紋，降低了材料的強(qiáng)度和DWTT(落錘撕裂性能)值.如果MA島在晶界呈鏈狀或網(wǎng)狀分布，對(duì)鋼的強(qiáng)韌性非常有害.因?yàn)樵谕饬Φ淖饔孟拢鸭y可以沿著相界迅速擴(kuò)展，引起脆性斷裂，而細(xì)小彌散分布的MA島組織則不易出現(xiàn)裂紋.理想的MA島應(yīng)該是數(shù)量少、尺寸小、分布均勻，形狀接近無(wú)尖角的圓形或球狀.

在實(shí)際生產(chǎn)中，通過(guò)調(diào)整成分或工藝參數(shù)來(lái)減少或抑制不規(guī)則、尖角、長(zhǎng)寬比大于4的MA島的產(chǎn)生.根據(jù)高Nb X80管線(xiàn)鋼的成分和實(shí)際生產(chǎn)條件，在Nb含量比較高(0.095%)的情況下，為避免MA島對(duì)鋼的性能可能帶來(lái)的不利影響，通過(guò)進(jìn)一步降低C含量(≤0.03%)來(lái)控制MA島的數(shù)量，或在控制N含量低于30ppm的前提下，按TiN的理論化學(xué)配比值3.42，調(diào)整鋼中的Ti含量[8]，較低的Ti含量可降低高Nb X80管線(xiàn)鋼中MA島的長(zhǎng)寬比.研究結(jié)果表明，Ti元素在X80管線(xiàn)鋼中的含量小于0.015%時(shí)，鋼的性能較為理想[9-10].

4 結(jié) 論

(1)當(dāng)冷速?gòu)?5 ℃/s提高到25 ℃/s時(shí)，MA島不僅尺寸變小，而且分布更為彌散、均勻，形狀趨于無(wú)尖角的圓形或球狀，對(duì)管線(xiàn)鋼的力學(xué)性能有利.

(2)在相同的冷卻速度下，提高Nb含量，鋼中出現(xiàn)了更多的條狀MA島，多分布在板條狀貝氏體和鐵素體內(nèi)部或板條之間，表明高Nb含量促進(jìn)了MA島從點(diǎn)、塊狀向條狀轉(zhuǎn)變.

(3)通過(guò)成因分析并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，對(duì)C，N和Ti的加入量進(jìn)行合理調(diào)整，可減少高Nb X80管線(xiàn)鋼中帶有尖角或長(zhǎng)寬比較大的MA島的數(shù)量，以提高X80管線(xiàn)鋼的性能.

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Effect on the island of X80 pipeline steel by cooling rate and Nb content

HAN Chen，SUN Futao

LuoyangEngineeringandResearchInstituteforNon-ferrousMetalsProcessing，Luoyang471039，China

The size and morphology and distribution feature of MA (marttensite and austenite) islands in the high-Nb X80 pipeline steel were investigated and analyzed by the OM(optical microscope), SEM(scanning electron microscope) and TEM(transmission electron microscope). MA islands of the high-Nb X80 pipeline steel became more fine and uniform when cooling rate was increased after hot rolled and high-Nb content could promoted formation of the strip morphology MA island. The adverse effects on the high-Nb X80 pipeline steel properties of the MA island could be reduced when the composition and cooling rate were adjusted.

X80 pipeline steel；MA island；high-Nb content；cooling rate；thermal simulation

2015-01-09

韓晨(1982-)，男，河南正陽(yáng)人，工程師，碩士.

1673-9981(2015)02-0120-05

TG146.22

A