牛鵬勇,王 昕,王社斌,b
(太原理工大學(xué)a.材料科學(xué)與工程學(xué)院;b.新材料界面科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030024)
近年來,隨著國內(nèi)石油、天然氣和煤層氣工業(yè)的快速發(fā)展,管線鋼用量和級別不斷提高。為滿足管線鋼日益惡化的服役條件,對其質(zhì)量提出愈來愈苛刻的“超高純,超均質(zhì),超細(xì)化”要求;對其使用性能提出 “高強(qiáng)度,高韌性,可焊接性強(qiáng)”的要求,超高強(qiáng)度管線鋼管的應(yīng)用也顯著地節(jié)省長距離天然氣輸送管線的總成本[1]。因此,近年來對超高強(qiáng)鋼的研制與開發(fā)得到了國際同行的高度重視。
高級別管線鋼以針狀鐵素體(AF)+馬奧島(M/A)雙相組織為主,但在生產(chǎn)應(yīng)用過程中組織發(fā)生的相變會對鋼材的性能產(chǎn)生較大影響,國內(nèi)外鋼鐵企業(yè)主要利用TMCP(Thermo Mechanical Control Process)工藝控制 AF、GF(粒狀鐵素體)、QF(塊狀鐵素體)和M/A微觀組織比例,提高其力學(xué)性能[2]。高真風(fēng)等人對高級別管線鋼組織與韌性的關(guān)系進(jìn)行了大量的研究[3-7],而研究開發(fā)高強(qiáng)度、高韌性、可焊接性強(qiáng)的高級別管線鋼的適宜金相組織,及其該組織在連鑄、軋制和焊接過程中的演變規(guī)律鮮見報(bào)道。
本研究用真空感應(yīng)爐熔煉4組含不同微量Ce的試樣鋼,研究、分析和探討微量Ce元素對退火高級別管線鋼顯微組織的影響及其機(jī)理,以期為低成本開發(fā)高強(qiáng)韌性、可焊接性強(qiáng)的高級別管線鋼,為拓展稀土元素在鋼中應(yīng)用范圍提供基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
用ZG0.025-100-2.5型真空感應(yīng)爐在800Pa的Ar氣氛中熔煉4組不同Ce含量的鋼棒,然后把鋼棒加熱到1373±20K,鍛造成?18mm的棒材(終鍛溫度為1023~1123K),自然冷卻至室溫。其化學(xué)成分如表1所示。
表1 實(shí)驗(yàn)鋼的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %
用線切割從棒材上截取27mm×10mm×10mm的試樣,分別放入SX3-6-14電阻爐中,按10K/min升溫至1223K后,保溫30min,隨爐冷卻至室溫。
分別用不同型號水磨砂紙對試樣橫斷面依次研磨、拋光,用蒸餾水和酒精棉清洗,待試樣烘干后,用4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精浸蝕。采用GX60型高級三目倒置金相顯微鏡觀察其金相組織,用JSU-6700F掃描電鏡(SEM)和EDAXGENESIS型能譜分析儀(EDS)觀察、分析和表征其微觀組織和夾雜物形貌、尺寸、數(shù)量、分布及物相。
2.1.1 Ce含量對鐵素體晶粒尺寸的影響
圖1為不同Ce含量退火試樣的金相顯微組織照片,可以看出它主要由大量鐵素體(灰白色)+少量珠光體(黑色)組成。采用Nano Measure 1.2粒徑分布計(jì)算軟件測算得出:當(dāng)Ce的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%時(shí),退火試樣的平均鐵素體晶粒尺寸為9.28μm;當(dāng)Ce的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0374%時(shí),其平均晶粒尺寸降至5.58μm。由此可知,在鋼液中添加微量Ce元素,可使試樣的晶粒尺寸減小近一倍左右。鋼液中的表面活性元素Ce即使有微量的增加,也可增大鋼材相變時(shí)的過冷度,增加形核驅(qū)動力和單位體積的形核數(shù)量[8-9]。同時(shí),在奧氏體變?yōu)棣粒獸e3C的相變過程中,比Fe原子半徑(Fe共價(jià)半徑為0.1210 nm)大55%的Ce原子(Ce共價(jià)半徑0.1650nm)偏聚于晶界、亞晶界處,有效地拖拽著Fe原子向相變前沿?cái)U(kuò)散遷移而限制晶粒的長大。熱力學(xué)與動力學(xué)的作用可有效抑制晶粒長大,從而細(xì)化鋼材基體組織,為提高鋼材的強(qiáng)韌性能奠定了基礎(chǔ)。
圖1 不同Ce含量試樣退火后的金相照片
2.1.2 Ce含量對M/A島微觀組織形貌的影響
由圖2可見,M/A島呈亮白色浮凸?fàn)?,灰白的塊狀組織是塊狀鐵素體(QF),黑色的基底是針狀鐵素體(AF)被腐蝕后留下的形貌組織。
由圖2可知,當(dāng)w[Ce]=0%時(shí),試樣鋼組織中鐵素體基體內(nèi)M/A島呈塊狀且分布不均勻,其平均尺寸為2.22μm;當(dāng)w[Ce]=0.0052%時(shí),試樣鋼組織中M/A島呈點(diǎn)狀且均勻分布,其平均尺寸降為2.09μm。隨著Ce含量的增加,當(dāng)w[Ce]=0.0167%和w[Ce]=0.0374%時(shí),其中 M/A島的分布十分彌散。對X100、X120級管線鋼而言,這樣彌散的組織特征被證明是最佳選擇[10]。當(dāng)w[Ce]=0.0167%時(shí),平均粒徑為5.85μm,M/A島呈點(diǎn)狀或少量細(xì)條狀彌散分布,平均尺寸為1.40μm;當(dāng)w[Ce]=0.0374%時(shí),平均粒徑為5.58μm,M/A島呈點(diǎn)狀或細(xì)條狀彌散分布于晶粒內(nèi)部,平均尺寸為1.23μm。隨著Ce含量的增加,M/A島形狀的分布大大提高了管線鋼的強(qiáng)韌性。不同Ce含量的退火后試樣鋼,所得組織中M/A島的微觀特征參數(shù)如表2所示。
圖2 不同Ce含量試樣退火后M/A的SEM照片
表2 不同Ce含量試樣中M/A島的微觀特征參數(shù)
2.2.1 Ce含量對夾雜物形態(tài)的影響
鋼基體中的夾雜物形態(tài)對其韌性有很大影響,所以有必要通過掃描電鏡和能譜儀對夾雜物的形貌和物相進(jìn)行分析。
圖3(a,e)是退火后w[Ce]=0%的試樣中典型夾雜物的SEM像和EDS能譜圖。從中可知,當(dāng)w[Ce]=0%時(shí),夾雜物呈不規(guī)則形態(tài),且平均尺寸為2.39μm,棱角鮮明,尺寸較大,形成 MnS-SiO2系,加工時(shí)發(fā)生熱脆,使鋼材的性能惡化;圖3(b,f)是w(Ce)=0.0052%的試樣中典型夾雜物的SEM像和EDS能譜圖,夾雜物平均尺寸為2.11μm大小的類橢球狀物,體積依然較大,但棱角慢慢消失,邊緣出現(xiàn)鈍化,形成Si-Ti-Ce-O系;圖3(c,g)是w(Ce)=0.0167%的試樣中典型夾雜物的SEM像和EDS能譜圖,此時(shí)夾雜物顯示為平均尺寸2.02μm的球狀物,與圖3(a,b)中的夾雜物相比有顯著變化,尺寸非常小,且呈球狀,形成MnS-Ce-O系,說明Ce元素把長條不規(guī)則的MnS轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙畹腗nS,球狀MnS各向同性,能明顯提高鋼材的韌性;圖3(d,h)是w(Ce)=0.0374%的試樣中典型夾雜物的SEM像和EDS能譜圖,其夾雜物平均尺寸為1.86μm左右的球狀物,尺寸也明顯減小,形貌為球狀,無尖角,可能不會影響鋼材的韌性,會變成有益的組織,形成MnS-Ti-Ce-O系。
由以上分析可見,隨鋼液中Ce含量的增加,夾雜物不僅改變了形貌(由棱角鮮明的不規(guī)則形狀變成了球形)、減小了尺度(由2.39μm 減到1.86 μm),而且其組成也發(fā)生變化。說明在高級別管線鋼中加入Ce元素,可實(shí)現(xiàn)夾雜物變形,并減小夾雜物尺寸[5],為提高鋼的力學(xué)性能奠定了基礎(chǔ)。
2.2.2 Ce含量對晶內(nèi)鐵素體形成的影響
鋼中含Ce復(fù)合夾雜可以有效誘導(dǎo)晶內(nèi)鐵素體形核析出,改善鋼的組織和性能[11-14]。同時(shí),晶內(nèi)鐵素體的形核與形核夾雜物的類型、尺寸、形狀及奧氏體晶粒大小、冷卻速率等因素均有密切關(guān)系。
在光學(xué)顯微鏡下,觀察退火后不同Ce含量的試樣中夾雜物誘導(dǎo)晶內(nèi)鐵素體形核的情況,如圖4(a)所示??梢钥闯?,在w[Ce]=0.0347%時(shí),試樣中存在許多由夾雜物(如A)誘導(dǎo)形核呈放射狀分布的晶內(nèi)針狀鐵素體組織(IAF);并可看到在針狀鐵素體片條間又長出了新的針狀鐵素體,即針狀鐵素體的感生形核現(xiàn)象[15]。晶內(nèi)鐵素體的感生形核是由于一次晶內(nèi)鐵素體在夾雜物上形核后有較高的界面能及高密度的位錯(cuò),具有高的應(yīng)力-應(yīng)變能,促進(jìn)了二次晶內(nèi)鐵素體形核長大[16]。一次針狀鐵素體和感生形核二次鐵素體均在原奧氏體晶內(nèi)形核、長大,故可使組織進(jìn)一步得到細(xì)化。
通過SEM、EDS觀察夾雜物尺寸和組成對晶內(nèi)鐵素體形核的影響進(jìn)行研究,如圖4-b所示。從圖中可以看出,具有誘導(dǎo)晶內(nèi)鐵素體形核作用的夾雜物(如B)主要為球形Ce-O-Ti及MnS復(fù)合夾雜物,夾雜物尺寸多在1~3μm之間。
圖4 含Ce退火試樣鋼以夾雜物為形核點(diǎn)的形貌
綜上所述,不同Ce含量的試樣鋼存在大量細(xì)小彌散分布的含Ce復(fù)合夾雜物,可作為晶內(nèi)鐵素體的形核核心,誘導(dǎo)晶內(nèi)鐵素體形核,形核夾雜物尺寸多在1~3μm之間。此外,晶內(nèi)部分針狀鐵素體可促進(jìn)感生形核現(xiàn)象細(xì)化組織,這種相互交叉、互鎖連接的鐵素體板條,能夠更好地提高鋼材的強(qiáng)度和韌性[17]。
高級別管線鋼試樣經(jīng)(1223K,30min)退火處理后,隨著Ce含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的增加(0~0.0374%),針狀鐵素體尺寸由9.28μm降為5.58μm,組織得到了明顯細(xì)化;M/A島形狀由塊狀不均勻分布變成點(diǎn)狀或細(xì)條狀彌散分布,且平均尺寸由2.22 μm降為1.23μm,大大提高了鋼的強(qiáng)韌性;獲得了較多細(xì)小、彌散分布的含Ce復(fù)合夾雜物,可作為晶內(nèi)鐵素體的異質(zhì)形核核心誘導(dǎo)晶內(nèi)鐵素體形成,并可促使出現(xiàn)感生形核現(xiàn)象,具有形核效果的夾雜物一般在1~3μm之間。
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