X100高鋼級(jí)管線鋼的組織特征及其對(duì)強(qiáng)韌性性能的影響

張小立,范積偉,張振國,馮耀榮,劉迎來

(1.中原工學(xué)院,鄭州450007;2.中國石油天然氣集團(tuán)公司管材研究所,西安710065)

X100高鋼級(jí)管線鋼的組織特征及其對(duì)強(qiáng)韌性性能的影響

張小立1,范積偉1,張振國1,馮耀榮2,劉迎來2

(1.中原工學(xué)院,鄭州450007;2.中國石油天然氣集團(tuán)公司管材研究所,西安710065)

對(duì)兩種化學(xué)成分相近但SEM組織差異較大的X100管線鋼的SEM、TEM、EBSD組織特征研究和CVN測試分析表明,X100管線鋼的組織特征為具有少量滲碳體、大量MA島、馬氏體板條和大量位錯(cuò)包.較低的奧氏體溫度、塑性變形溫度及較高的冷卻速度是獲得具有彌散分布的MA島的關(guān)鍵因素.具有這種組織的X100管線鋼具有優(yōu)良的強(qiáng)韌性匹配性能.

X100高鋼級(jí)管線鋼;組織特征;強(qiáng)韌性;MA島

石油和天然氣作為主要能源在世界經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的作用越來越重要.隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和經(jīng)濟(jì)總量的增加,石油、天然氣需求量不斷增加,管道的輸送壓力也不斷增加,輸送管線向著大口徑、高壓輸送方向發(fā)展已成為近期管線建設(shè)的趨勢.

X100級(jí)管線鋼在20世紀(jì)80年代中期已完成了試驗(yàn),但那時(shí)尚無實(shí)際應(yīng)用的需求;到1995年,幾家石油和天然氣公司開始設(shè)計(jì) X100級(jí)的材料.歐洲自1995年開始進(jìn)行 X100管線鋼的開發(fā)試制,采用了TMCP工藝,到2002年已生產(chǎn)了數(shù)百噸壁厚12.7～25.4 mm的X100管線鋼.

控制軋制—控制冷卻技術(shù)的采用極大促進(jìn)了管線鋼的開發(fā)進(jìn)程.該技術(shù)利用變形和相變相結(jié)合的原理,將熱變形細(xì)化的組織保持到隨后的冷卻相變過程中,為相變細(xì)化組織創(chuàng)造條件,最終得到細(xì)化的微合金鋼晶粒,從而滿足高鋼級(jí)管線鋼的高強(qiáng)度、高韌性要求.

貝氏體組織現(xiàn)在愈來愈廣泛地用于生產(chǎn)、制備強(qiáng)度和韌性較高的高強(qiáng)或超高強(qiáng)管線鋼.為了得到X100管線鋼的目標(biāo)性能,不僅細(xì)的或超細(xì)的貝氏體鐵素體有效的結(jié)構(gòu)細(xì)化是必須的,而且正確的貝氏體類型的形成也極其重要.

2002年,TCPL在加拿大建成了一條管徑1219 mm、壁厚14.3 mm、X100鋼級(jí)的 1 km試驗(yàn)段[1];同年,新版的 CSZ245-1-2002中首次將Grade690(X100)列入加拿大國家標(biāo)準(zhǔn);2004年,Exxon Mobil石油公司采用與日本新月鐵合作研制的X120鋼級(jí)焊管在加拿大建成了一條管徑914 mm、壁厚16 mm、1.6 km長的試驗(yàn)段.截至目前,國內(nèi)鞍鋼公司已率先成功研制開發(fā)出X100管線鋼,使管線鋼鋼級(jí)形成了 X60、X65、X70、X80和 X100系列 ,為角逐國內(nèi)外高端管線鋼市場奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).

我國已竣工的西氣東輸一線工程中采用的是X70鋼級(jí)管線鋼,目前正在建設(shè)的西氣東輸二線工程中采用的是X80鋼級(jí)管線鋼,未來鋪設(shè)天然氣管線必然要采用更高鋼級(jí)的管線鋼.但由于X120鋼級(jí)管線鋼在技術(shù)準(zhǔn)備方面仍然不夠成熟,其選擇也必然是X80到X100之間的管線鋼.因而,要開發(fā) X100高鋼級(jí)管線鋼,其組織特征及其與強(qiáng)韌性的關(guān)系研究就成為關(guān)鍵.

本文通過對(duì)比2種已開發(fā)的X100管線鋼組織的區(qū)別和及其強(qiáng)韌性的差異,得到了在該鋼級(jí)管線鋼組織設(shè)計(jì)和開發(fā)生產(chǎn)中需要考慮并控制的MA島在組織中所處的位置.

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

本研究采用2種 X100鋼級(jí)管線鋼,其編號(hào)和具體成分如表1所示.

試驗(yàn)中所使用的材料主要為國內(nèi)外各廠家的X80管線鋼(編號(hào)分別為BA、J F、HY、JL)及部分 X100管線鋼產(chǎn)品.夏比沖擊功的測定按照APISPEC 5L和ASTM E24規(guī)定進(jìn)行.在母材橫向和縱向分別取CVN試樣,試樣規(guī)格為10 mm×10 mm×55 mm的帶預(yù)制疲勞裂紋的三點(diǎn)彎曲試樣;利用擺錘、落錘等裝置進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載,測定金屬材料在沖擊載荷作用下的CVN值,V型缺口的缺口方向?yàn)檠睾穸确较?在-80℃～40℃的系列溫度下進(jìn)行夏比沖擊功的測試試驗(yàn),并評(píng)定各試樣斷口剪切面積.

表1 X100高鋼級(jí)管線鋼的化學(xué)成分 %

利用金相顯微電鏡、SEM、TEM和先進(jìn)的 EBSD技術(shù)進(jìn)行組織研究.用于組織研究的樣品取自管體橫向垂直于扎制方向.樣品經(jīng)機(jī)械拋光、腐蝕后進(jìn)行金相顯微鏡分析、掃描電鏡(SEM)分析,化學(xué)減薄后進(jìn)行透射電鏡(TEM)分析.試樣經(jīng)電解拋光后進(jìn)行背散射電子顯微鏡(EBSD)圖像和數(shù)據(jù)分析.

金相組織觀察在MEF4M金相顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)上進(jìn)行,觀察面為平行軋向的樣品正面,經(jīng)粗磨、細(xì)磨、拋光和3%硝酸酒精腐蝕而成.

采用S360型掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)試驗(yàn)鋼的微觀形貌進(jìn)行觀察與分析.

采用QTS136XL背散射 EBSD掃描電鏡進(jìn)行管線鋼相成分、分布、形態(tài)的確認(rèn).掃描區(qū)域?yàn)?00×200個(gè)點(diǎn),步長為0.3μm.

利用J EM-200CX透射電子顯微鏡對(duì)各鋼級(jí)管線鋼TEM微觀組織特征進(jìn)行分析.

2 X100管線鋼的組織特征

2.1 組織特征

對(duì)1#和2#管線鋼試樣進(jìn)行掃描電鏡組織觀察,結(jié)果如圖1所示.可以看出,X100管線鋼的掃描組織主要為粒狀貝氏體.對(duì)比2種管線鋼的SEM組織,可以看出,1#試樣中MA島數(shù)量較多,晶界線較為模糊,MA島多數(shù)處于晶界內(nèi),且分布均勻;2#試樣中晶界明顯,MA島數(shù)量較少,有典型的針狀鐵素體存在,MA島多數(shù)處于晶界或晶界匯聚之處.

一般來說,隨著奧氏體晶粒增大,貝氏體轉(zhuǎn)變孕育期增長,轉(zhuǎn)變速度減慢.圖2所示是高碳錳鋼奧氏體晶粒大小和形成一定量貝氏體所需時(shí)間的關(guān)系.由圖2可知,隨著奧氏體晶粒增大,形成一定量貝氏體所需的時(shí)間增加.這表明,奧氏體晶界是貝氏體形核的優(yōu)先部位[1].

隨著奧氏體溫度升高,貝氏體轉(zhuǎn)變速度先降后增.奧氏體化時(shí)間對(duì)貝氏體轉(zhuǎn)變也有類似影響,亦即時(shí)間延長先降后增.

圖2 奧氏體晶粒大小對(duì)貝氏體轉(zhuǎn)變的影響

變形溫度的影響可以分為兩種不同的情況:①在較高溫度(800～1000℃)范圍內(nèi)對(duì)奧氏體進(jìn)行塑性變形,將使奧氏體向貝氏體轉(zhuǎn)變的孕育期增長,轉(zhuǎn)變速度減慢,轉(zhuǎn)變的不完全程度增加;②在較低溫度(300～350℃)范圍內(nèi)對(duì)奧氏體進(jìn)行塑性變形,則結(jié)果正好相反.

在高溫變形時(shí)可能產(chǎn)生兩種相反的作用:一種是變形使奧氏體中的晶體學(xué)缺陷密度增加,有利于Fe原子的擴(kuò)散;另一種是奧氏體在變形后會(huì)產(chǎn)生多邊化亞結(jié)構(gòu),這種亞結(jié)構(gòu)對(duì)貝氏體中鐵素體的共格成長是不利的,從而使貝氏體轉(zhuǎn)變速度減慢.在350～300℃范圍內(nèi)對(duì)奧氏體進(jìn)行塑性變形,使奧氏體中的晶體學(xué)缺陷密度更大,促進(jìn)了碳的擴(kuò)散,并使奧氏體中的應(yīng)力增加,有利于貝氏體鐵素體按馬氏體型轉(zhuǎn)變機(jī)理形成,結(jié)果使貝氏體轉(zhuǎn)變速度加快[3].

因而,1#和2#試樣組織差異的原因主要?dú)w結(jié)為不同的奧氏體溫度和變形溫度的影響.由于貝氏體優(yōu)先在晶界然后在晶粒內(nèi)部缺陷處形核,前者 TMCP工藝中溫度為較低的奧氏體溫度和塑性變形溫度,從而使得粒狀貝氏體含量高,而且分布均勻.后者由于奧氏體溫度及其變形溫度較高,使得貝氏體轉(zhuǎn)變速度緩慢,并且MA多在晶界交界處,數(shù)量少.

X100管線鋼TEM組織主要是條狀鐵素體和針狀鐵素體,其中條狀鐵素體含有滲碳體,針狀鐵素體含有MA島,并且MA島含量較多,在組織中同時(shí)可觀察到板條馬氏體,如圖3所示.

我們知道,粒狀貝氏體可分為塊型和條束型兩種類型.奧氏體化溫度愈高,冷速愈大,等溫溫度愈低,愈有利于條束型粒狀貝氏體形成.粒狀貝氏體島內(nèi)組織可以是奧氏體(A)、馬氏體(M)+奧氏體(A)或其他中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物.島內(nèi)的M可分別是位錯(cuò)型M與孿晶型M,兩種類型M也可同時(shí)存在.增加冷卻速度能夠降低奧氏體的相變溫度,增加過冷度,從而增加形變的形核率,以致于控制相變組織形態(tài),并且能夠阻止微合金碳氮化物在冷卻過程中過早析出,使其在較低溫度析出,因而更彌散更細(xì)小.

此外,可觀察到由于變形位錯(cuò)密度增加,有位錯(cuò)繞結(jié)和位錯(cuò)包出現(xiàn),如圖4、圖5所示.

相對(duì)于X80管線鋼而言,X100管線鋼中位錯(cuò)密度高,并且存在大量的MA島,這是由于大應(yīng)變軋制和較高的冷卻速度造成的.從 TEM和SEM組織分析可知,1#試樣較2#試樣擁有更高的過冷度和冷卻速度.

2.2 EBSD組織和有效晶粒

從晶界取向差為15°的 EBSD照片(圖6(a))中可以看出,X100管線鋼的晶界線不十分明顯,晶粒間位相差較大,這是典型的針狀鐵素體的特征.圖6(b)表明,小晶粒分布頻度較高,大晶粒較少,晶粒尺寸頻度分布曲線顯示,晶粒尺寸主要在≤5μm的范圍內(nèi),平均有效晶粒為2.1μm.圖6(c)、圖6(d)所示分別為殘余奧氏體和滲碳體的分布圖,可以看出X100管線鋼中分布著大量細(xì)小彌撒的MA島,測量得到這些彌散的MA島尺寸為0.7～0.8μm.從有效晶粒取向差頻度分布圖(圖6(e))可以明顯看出,小角度晶粒占的比例偏大.

3 X100管線鋼的CVN性能

粒狀貝氏體的組織參量,即“小島”的形狀、數(shù)量、尺寸和分布是X100管線鋼性能的決定因素:①隨著小島總量增加,小島弦長及島間距減小,強(qiáng)度增加;②隨著小島總量減少,小島弦長減小,島間距增加,韌性提高;③在一定成分范圍內(nèi),適當(dāng)控制小島數(shù)量及小島尺寸,可以得到強(qiáng)韌性良好配合的力學(xué)性能.

1#試樣的CVN如圖7所示,韌脆轉(zhuǎn)變溫度在-60℃左右.而2#試樣韌性很差,在-20℃時(shí)即發(fā)生脆性斷裂.這兩種X100管線鋼CVN實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的差異主要是由所形成的MA形態(tài)和數(shù)量及其位置決定的.

圖7 X100的夏比沖擊功

有文獻(xiàn)報(bào)道[3],MA對(duì)屈強(qiáng)比 Y/T的影響如圖8所示.隨著MA體積分?jǐn)?shù)的增加,Y/T逐漸降低,從而保證了材料的強(qiáng)韌性匹配.從兩種管線鋼SEM組織的分布情況我們就不難理解具有1#試樣組織特征的X100管線鋼擁有較高強(qiáng)韌性匹配的原因了.

圖8 MA體積分?jǐn)?shù)對(duì)Y/T的影響

4 結(jié) 語

X100管線鋼的組織特征為具有少量滲碳體、大量MA島、馬氏體板條和大量位錯(cuò)包.研究表明,較低的奧氏體溫度、較低的塑性變形溫度及較高的冷卻速度是獲得具有彌散分布的MA島的關(guān)鍵因素.具有這種組織的X100管線鋼有優(yōu)良的強(qiáng)韌性匹配性能.

[1] 劉云旭.金屬熱處理原理[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1980.

[2] 崔忠析.金屬學(xué)與熱處理[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[3] Demofonti G,Mannucci G,Hillebrand H G,et al.Evaluation of the Suitability of X100 Steel Pipes for High Pressure Gas Transportation Pipelines by Full Scale Tests[EB/OL].[2010-09-13].http:/www.eprg.net/exchange/news/p-news-42/news-detal.html.

The Characteristics of X100 High G rade Pipeline Steels and Its Effect on T oughness and Strength

ZHANG Xiao-li1,FAN Ji-wei1,ZHANG Zhen-guo1,FENG Yao-rong2,LIU Ying-lai2
(1.Zhongyuan University of T echnology,Zhengzhou 450007;2.Tubular Goods Research Centre,CNPC,Xi’an 710065,China)

By analysis of the microstructure of two kinds of X100 pipeling steel at SEM,TEM and EBSD,it was found that the characteristics of X100 are a little cemettite,large amout of MA islands,martensite strip and much dislocation fold.It was concluded that lower austenitic temperature and low plastic deformation temperature and high cooling speed are main parameters to gain dispersed MA island.And X100 pipeline steels with this kind of microstructure will have excellent toughness and srength matching.

X100 pipeline steel;microstructure;toughness and strength;MA island

TG142.1

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2011.04.002

1671-6906(2011)04-0006-05

2010-09-28

博士后基金項(xiàng)目(20060390319)

張小立(1969-),女,甘肅武威人,高級(jí)工程師,博士.