X 7 0管線鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變規(guī)律的試驗(yàn)研究

供稿|靳芳芳，李鈞正，劉守顯 / JIN Fang-fang, LI Jun-zheng, LIU Shou-xian

管線鋼是一種控制軋制和控制冷卻技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行生產(chǎn)的一種低碳微合金化鋼，不同的工藝條件下，管線鋼中存在多種組織，如多邊形鐵素體、準(zhǔn)多邊形鐵素體、珠光體、針狀鐵素體等。管線鋼中的針狀鐵素體實(shí)質(zhì)上是粒狀貝氏體、貝氏體鐵素體或是粒狀貝氏體與貝氏體鐵素體組成的復(fù)相組織[1]。以針狀鐵素體為主的組織結(jié)構(gòu)能夠優(yōu)化材料的強(qiáng)韌性，一定成分的鋼種形成針狀鐵素體需要合理控制軋后控冷工藝。

本文利用Gleeble-3500熱/力模擬試驗(yàn)機(jī)研究X70管線鋼連續(xù)冷卻過(guò)程中組織轉(zhuǎn)變的規(guī)律，為X70軋后控冷工藝的制定及改進(jìn)提供幫助。

控制軋制和控制冷卻技術(shù)結(jié)合起來(lái)，能夠進(jìn)一步提高鋼材的強(qiáng)韌性和獲得合理的綜合性能，并能夠降低合金元素含量和碳含量，節(jié)約貴重的合金元素，降低生產(chǎn)成本。

試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為X70連鑄坯，其化學(xué)成分如表1所示，試樣尺寸如圖1所示。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

試驗(yàn)方法

熱模擬試驗(yàn)在Gleeble-3500熱/力模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試樣以10 ℃/s的速度加熱至1180 ℃，保溫5 min；以5 ℃/s的速度冷卻到1100 ℃，保溫30 s，變形量60%，應(yīng)變速率為7 s-1，以5 ℃/s的速度冷卻到850 ℃，保溫30 s，變形量60%，應(yīng)變速率為8 s-1，然后分別以0.1~50 ℃/s不同的冷卻速度冷卻至室溫。試驗(yàn)過(guò)程中采集溫度、膨脹量數(shù)據(jù)，采用膨脹法繪制膨脹量—溫度曲線，根據(jù)冷卻過(guò)程中膨脹量—溫度曲線上出現(xiàn)的拐點(diǎn)測(cè)定相變開(kāi)始點(diǎn)與結(jié)束點(diǎn)。磨制拋光試樣，然后進(jìn)行浸蝕，使用LEICA Q550MW型圖像分析儀觀察分析金相組織，確定組織類型。 根據(jù)相變開(kāi)始溫度、結(jié)束溫度以及對(duì)應(yīng)的組織類型，繪制試驗(yàn)鋼種的動(dòng)態(tài)CCT曲線。

圖1 試樣尺寸

試驗(yàn)結(jié)果與分析

連續(xù)冷卻過(guò)程中相變點(diǎn)的測(cè)定

冷卻過(guò)程中發(fā)生相變時(shí)，在膨脹量—溫度曲線上將出現(xiàn)拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)相變開(kāi)始點(diǎn)與結(jié)束點(diǎn)，利用切線法確定各相的轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度與結(jié)束溫度。圖2為冷速為15 ℃/s、25 ℃/s時(shí)的CGauge-T曲線。

圖2 不同冷速時(shí)的CGauge-T曲線。(a)15 ℃/s；(b)25 ℃/s

連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變組織的顯微特征

對(duì)金相組織進(jìn)行觀察，分析冷卻速度對(duì)組織轉(zhuǎn)變的影響。圖3為不同冷速時(shí)X70的轉(zhuǎn)變組織。冷速為0.1～1 ℃/s時(shí)，連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變組織為多邊形鐵素體及少量珠光體。多邊形鐵素體具有規(guī)則的外形，晶界清晰光滑平直，呈等軸或規(guī)則的多邊形狀。隨著冷卻速度的提高，多邊形鐵素體組織逐漸細(xì)化。當(dāng)冷速提高到5～25 ℃/s范圍內(nèi)時(shí)，珠光體退化消失，出現(xiàn)具有粗糙模糊凹凸不平的邊界，類似無(wú)特征的碎片，大小參差不齊，形狀不規(guī)則的準(zhǔn)多邊形鐵素體；部分鐵素體邊界及內(nèi)部可看到點(diǎn)狀或粒狀的M-A島組元無(wú)規(guī)則的分布在其中，此種組織即為粒狀貝氏體。在此冷速范圍內(nèi)，隨著冷卻速度的升高多邊形、準(zhǔn)多邊形鐵素體的含量減少，粒狀貝氏體量增加，晶粒細(xì)化。冷速在5～25 ℃/s范圍內(nèi)時(shí)轉(zhuǎn)變組織類型為多邊形鐵素體、準(zhǔn)多邊形鐵素體及粒狀貝氏體。在此冷速范圍內(nèi)，隨著冷卻速度的增大，奧氏體向多邊形鐵素體和準(zhǔn)多邊形鐵素體轉(zhuǎn)變得到了一定程度的抑制，逐漸減少，鐵素體晶粒進(jìn)一步細(xì)化，點(diǎn)狀或粒狀M-A島含量增加，粒狀貝氏體組織含量增加。冷卻速度提高到30 ℃/s時(shí)，抑制了奧氏體向多邊形鐵素體組織轉(zhuǎn)變，組織類型為準(zhǔn)多邊形鐵素體和粒狀貝氏體。粒狀貝氏體實(shí)際上是由鐵素體板條及M-A島組成，鐵素體板條并排成束。同一板條束中的條具有相同的晶體學(xué)位向，位向差為6～8°，板條之間為小角度晶界對(duì)侵蝕不敏感，板條界不清晰。使用光學(xué)顯微鏡觀察顯示為塊狀，在塊狀的內(nèi)部或邊界可觀察到呈粒狀或點(diǎn)狀的M-A島，使用透射電鏡才能清楚準(zhǔn)確的觀察鐵素體板條以及M-A島的形態(tài)。當(dāng)冷速提高到40～50 ℃/s范圍內(nèi)時(shí)，準(zhǔn)多邊形鐵素體組織轉(zhuǎn)變消失，組織中出現(xiàn)一定量的貝氏體鐵素體，組織類型為粒狀貝氏體和貝氏體鐵素體即針狀鐵素體。與粒狀貝氏體相似，貝氏體鐵素體中鐵素體呈板條狀平行排列，形成板條束，M-A島分布在鐵素體板條間，板條間為小角度晶界，板條束界為大角度晶界。在光學(xué)顯微鏡下依稀可見(jiàn)鐵素體板條，在透射電鏡下可清晰辨認(rèn)。

圖3 不同冷速下的顯微組織。(a)0.1 ℃/s；(b)5 ℃/s；(c)25 ℃/s；(d)30℃/s；(e)50℃/s

隨著冷卻速度的提高，X70管線鋼的過(guò)冷奧氏體依次轉(zhuǎn)變?yōu)槎噙呅舞F素體、準(zhǔn)多邊形鐵素體、粒狀貝氏體以及貝氏體鐵素體。多邊形鐵素體在高的轉(zhuǎn)變溫度，慢的冷卻速度下形成，屬于擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變，接近于平衡相。其生長(zhǎng)表現(xiàn)為置換原子的快速遷移及碳原子的長(zhǎng)程擴(kuò)散，生長(zhǎng)速度較慢，最終的晶粒呈規(guī)則的多邊形。準(zhǔn)多邊形鐵素體是在較多邊形鐵素體低的溫度、較快的冷卻速度下藉塊狀轉(zhuǎn)變而形成的，原子的置換與遷移發(fā)生在界面上，為短程擴(kuò)散，轉(zhuǎn)變速度快，晶粒形狀高度的不規(guī)則。粒狀貝氏體和貝氏體鐵素體均是通過(guò)切變和擴(kuò)散混合型轉(zhuǎn)變而成，都是由鐵素體板條平行排列成束，板條間分布著M-A島。光學(xué)顯微鏡下，粒狀貝氏體中的鐵素體板條分辨不清，貝氏體鐵素體中板條化傾向更為明顯，依稀可見(jiàn)[2]。粒狀貝氏體中的M-A島呈塊狀或條狀，貝氏體鐵素體中的M-A島呈針狀或薄膜狀。這兩種組織統(tǒng)稱為針狀鐵素體，具有高的位錯(cuò)密度以及較好的強(qiáng)韌性。

X70管線鋼的動(dòng)態(tài)CCT曲線

根據(jù)組織觀察分析以及冷卻過(guò)程中的膨脹曲線，確定相變點(diǎn)，最終繪制動(dòng)態(tài)CCT曲線如圖4所示。圖中P為珠光體，PF為多邊形鐵素體，QF為準(zhǔn)多邊形鐵素體，GB為粒狀貝氏體，BF為貝氏體鐵素體。

圖4 試驗(yàn)鋼的動(dòng)態(tài)CCT曲線

結(jié)論

(1) 冷卻速度在0.1～1 ℃/s時(shí)，X70管線試驗(yàn)鋼的組織類型為多邊形鐵素體與少量珠光體；冷速為5～25 ℃/s時(shí)，組織類型為多邊形鐵素體、準(zhǔn)多邊形鐵素體及粒狀貝氏體；當(dāng)冷速升高到30 ℃/s時(shí)，抑制了多邊形鐵素體的轉(zhuǎn)變，組織類型為準(zhǔn)多邊形鐵素體、粒狀貝氏體。

(2) 冷卻速度在大于40 ℃/s時(shí)，過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榱钬愂象w與貝氏體鐵素體的混合組織，即為針狀鐵素體，具有良好的強(qiáng)韌性，使試驗(yàn)鋼具有良好的力學(xué)性能。

[1] 馮耀榮, 高惠臨, 霍春勇, 等. 管線鋼顯微組織的分析與鑒別. 西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社, 2008

[2] 彭濤, 高惠臨. 管線鋼顯微組織的基本特征. 焊管, 2010, 22(7): 5