MA對高鋼級厚壁X80管線鋼性能影響的研究

·試驗研究·

MA對高鋼級厚壁X80管線鋼性能影響的研究

徐鋒孔君華徐進橋崔雷李利巍鄒航

(武漢鋼鐵(集團)公司研究院湖北武漢430080)

摘要：通過顯微組織分析方法，研究了MA百分含量、形狀、尺寸及分布情況對高鋼級X80管線鋼強度和韌性的影響規(guī)律。結(jié)果表明：MA是提高高強管線鋼強度的重要手段之一，隨著其含量的增加，管線鋼的屈服和抗拉強度均增大；韌性主要取決于MA的形狀系數(shù)，隨著L/W比值增大，沖擊韌性及落錘纖維率明顯惡化。當(dāng)MA尺寸在1μm左右、形狀呈橢球狀、均勻、彌散的分布于晶界處時，高鋼級厚壁X80管線鋼低溫落錘SA%在95%以上，沖擊功在300 J以上。

關(guān)鍵詞：MA;百分含量;形狀系數(shù);橢球狀

作者簡介：第一徐鋒，男，1986年生，工程師，2011年畢業(yè)于東北大學(xué)RAL國家重點實驗室，目前在武漢鋼鐵研究院從事高性能管線鋼的研究與開發(fā)。E-mail：xufeng1986923@163.com

文章編號：中圖法分類號：TG113

收稿日期：(2015-05-07編輯：屈憶欣)

基金項目：教育部重點實驗室基金(2010STS04)

The Study of MA Impact on the Performance of X80 Pipeline Steel with High Grade Thick Wall XU FengKONG JunHuaXU JinqiaoCUI LeiLI Liwei ZOU Hang

(ResearchandDevelopmentCenterofWUHANIronandSteel(Group)Corp.Wuhan,Hubei430080,China)

Abstract：Through the microstructure analysis method to study the MA percentage, shape, size and distribution of high grade X80 pipeline steel with thick wall the influence law of strength and toughness. The results show that MA is one of the important means to improve the strength of high strength pipeline steel, with the increase of the contente, the yield and tensile strength pipeline steel increase; toughness is mainly depends on the MA shape factor, with the L/W ratio increases, the toughness and DWTT was significantly worsen. When MA size around 1μm, ellipsoid shape is spherical, uniform, dispersion in the distribution of grain boundary, high grade X80 pipeline steel DWTT test SA% over 95%, the impact energy is more than 300 J.

Key word：MA, Percentage, shape fator, ellipsoidal

0引言

國脈工程“西氣東輸二線”的全面建成投產(chǎn)標(biāo)志著我國的高強管線鋼的研發(fā)與生產(chǎn)水平達到了國際先進水平。目前已開工建設(shè)的西三線及規(guī)劃中的四、五、六線已明確將加大輸氣壓力、擴大口徑、增加安全系數(shù)。大壁厚、高韌性、高鋼級管線鋼是未來的發(fā)展趨勢[1~3]。

MA廣泛存在于高強管線鋼中，其含量、分布、形態(tài)對管線鋼的強韌性有著極大的影響。組織類型對管線鋼強韌性的影響[4~5]，國內(nèi)外已研究頗多；但關(guān)于MA的相關(guān)文獻報道仍較少，且大多僅限于利用Gleebe-1500熱模擬試驗機完成[6]，定性的探討了變形量、冷卻速度、開冷溫度對MA形態(tài)的影響[7~11]，無法定量揭示MA對高鋼級X80管線鋼強韌性影響。

本文通過實驗室Ф800 mm軋機模擬20 mmX80軋制過程，在成分和控軋工藝不變的情況下，通過改變控冷工藝，研究在不同冷卻條件下MA的形態(tài)及對性能的影響規(guī)律。

1實驗材料及方法

本實驗采用500 kg真空感應(yīng)爐冶煉，澆鑄成錠，鍛造、鋸切成230 mm×300 mm×200 mm厚矩形坯，化學(xué)成分為C：≤0.08%，Si：0.2%~0.35%，Mn：1.6%~1.9%，P：≤0.015%，S：≤0.001 4%，Nb：0.04%~0.08%，V：0.02%~0.06%，Cu+ Cr+Mo適量，微Ti處理，其余為Fe及不可避免的雜質(zhì)元素。

在二輥可逆式試驗軋機上將鋼錠軋制成20 mm鋼板，具體軋制工藝參數(shù)為：將鋼錠加熱至1 180 ℃，保溫1h。軋制分兩階段完成，再結(jié)晶區(qū)開軋溫度為1 100℃，終軋溫度1 010 ℃，累積變形量為75%；未再結(jié)晶區(qū)開軋溫度940 ℃，終軋溫度830 ℃，累計變形量為65%，軋后立即水冷，冷卻工藝參數(shù)如表1所示。

沿縱向截取圓棒拉伸試樣，金相試樣經(jīng)拋光后，用3%的硝酸酒精溶液和Lepera試劑腐蝕(4%偏重亞硫酸鈉+1%的苦味酸1:1混合)后，利用DMI5000M觀察金相組織及MA形態(tài)，利用線切割沿試樣橫向上切取0.3 mm薄片，利用JEM-2100F透射電鏡觀察MA微觀精細結(jié)構(gòu)。

表1　冷卻工藝參數(shù)

2實驗結(jié)果及討論

圖1為不同冷卻工藝條件下試驗鋼1/4壁厚處金相組織。從圖中可以看出，四組試樣鋼組織主要為貝氏體。對比四組試驗鋼組織可以看出：1#、4#試樣為針狀體素體+粒狀貝氏體，MA及碳化物尺寸均較小，彌散分布；2#、3#試樣為粒狀貝氏體+準(zhǔn)多邊形鐵素體，碳化物主要集中于晶界處，且粗化明顯，MA較粗大。

圖2為用Lepera試劑腐蝕后試樣MA的形貌圖，除MA呈白亮色外，其余基體組織為黑色，可以清楚的看出四組實驗鋼MA的數(shù)量及形態(tài)，用Image Plus軟件對四組試驗鋼顯微組織中的MA進行數(shù)理統(tǒng)計，確定其體積分?jǐn)?shù)、形狀、尺寸，結(jié)果如表2所示。

不同冷卻工藝下試驗鋼力學(xué)性能如表2所示，從表中可以看出四組試驗鋼強度均能滿足API 5L X80技術(shù)要求，但2#、3#DWTT斷口纖維率SA僅為70%、67.5%，不能滿足一般技術(shù)要求。

圖1　不同冷卻工藝下試驗鋼金相組織

鋼板編號Rt0.5/MPaRm/MPaRt0.5/RmA50%-20℃,KV2/J-15℃,DWTT,SA/%尺寸/μmMA百分含量%技術(shù)要求555~705625~825≤0.93-----1#6367500.8524304951.32,L/W:1.07.32#6217280.852621770L:3.5,W:1.56 L/W:2.246.23#6077190.842718265L:5.6,W:2.0 L/W:2.805.24#6067110.85283461001.17,L/W:1.03.4

2.1MA含量對性能的影響

選取組織類型和MA形態(tài)、尺寸大致相同1#、4#試樣進行對比分析MA含量對強度及韌性的影響規(guī)律。從圖3(a)可以看出，隨著試驗鋼顯微組織中MA含量的增加，屈服和抗拉強度均呈增加的趨勢。當(dāng)MA的含量從3.4%增加到7.3%，試驗鋼的屈服強度增加30 MPa，抗拉強度增加39 MPa。呈橢球狀、細小彌散的MA島，廣泛分布于貝氏體晶界處時，其對強度的貢獻機理類似于第二相粒子析出強化。故隨著MA含量的增加，試驗鋼強度增加。同時，由于屈服和抗拉增加的幅度基本保持一致，故細小的MA含量的變化對屈強比影響不大。

從圖4(b)~(d)可以看出，隨著MA含量的增加，試驗鋼的韌性指標(biāo)全部呈下降趨勢。當(dāng)呈橢球狀的MA含量從3.4%增加到7.3%時，沖擊功下降42J，DWTT纖維率下降5%，延伸率A50%下降4%，下降幅度并不大，仍能滿足API 5L的技術(shù)要求。MA作為基體中的硬相存在于晶界處，當(dāng)試驗鋼受外力作用時，由于MA和基體的塑性不同，無法達到相同的變形程度，故裂紋會優(yōu)先萌生于兩相接觸面處。含量越多，則裂紋起源的位置越多，在持續(xù)受力過程中微裂紋越多，則彼此間相互連接成片的機率則增加，故隨著MA含量的增加，試驗鋼的韌性會有所下降。

圖3　MA含量對試驗鋼性能的影響

2.2MA形狀系數(shù)對性能的影響

選取基體組織類型均為粒狀貝氏體+準(zhǔn)多邊形鐵素體，且MA含量差別不大的2#、3#試樣進行對比分析MA形態(tài)變化對性能的影響。

從表2可以看出2#、3#試樣的屈服和抗拉強度相差僅為14MPa和9MPa，說明MA形態(tài)差異對強度的影響不明顯。

形狀系數(shù)=MA長度/寬度,用L/W的值進行表示；形狀系數(shù)可以定量表征MA島的形態(tài)，隨著L/W的增大，MA島形態(tài)由橢球狀向長條狀分布轉(zhuǎn)變，由表2可知， 2#、3#試樣的形狀系數(shù)分別為2.24、2.80。

從圖4(a)、(b)可以看出。隨著L/W的增大，試驗鋼的韌性惡化明顯。當(dāng)形狀系數(shù)從2.24增加到2.80，沖擊功下降35J，DWTT纖維率下降5%。

圖5為3#、4#試驗鋼精細組織結(jié)構(gòu)。對比可以看出3#試樣M/A島分布于針狀鐵素體晶界處，呈刀柄狀，M/A島的形狀系數(shù)明顯較大；4#試樣M/A島分布于針狀鐵素體晶界處，呈近似橢球狀，其形狀系數(shù)近似為1.0。

在受沖擊力的過程中，由于MA和針狀鐵素體、準(zhǔn)多邊形鐵素體基體兩相硬度差很大，裂紋起源于兩相界面處，MA形狀系數(shù)越大，越不規(guī)則，則兩相有效接觸面越大，裂紋萌生位置越多；同時，形狀系數(shù)越大則存在尖角部位的接觸面越多，越容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，受力過程中，裂紋沿著界面擴展，故MA形狀系數(shù)越大，則韌性越差。

圖4　MA含量及形態(tài)對試驗鋼沖擊功及落錘撕裂性能的影響

圖5　微觀組織精細結(jié)構(gòu)

3結(jié)論

(1)隨著MA含量的增加，屈服和抗拉均呈增加趨勢，且增長幅度基本一致，對屈強比影響較小。

(2)MA形態(tài)對試驗鋼強度的影響較小，隨形狀系數(shù)L/W的增大，試驗鋼韌性惡化明顯。隨著MA尺寸減小，形狀規(guī)則、圓整及彌散分布的程度增加，管線鋼的低溫落錘和沖擊韌性大幅提高。

(3)本研究表明當(dāng)MA尺寸在1μm左右、形狀呈橢球狀、分布均勻、彌散時，高鋼級X80鋼落錘SA%在95%以上，沖擊功在300J以上，滿足性能要求。

參 考 文 獻

[1] 張偉衛(wèi), 熊慶人, 吉玲康. 國內(nèi)管線鋼生產(chǎn)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].焊管,2011,34(1)：5-8.

[2] 孫宏,王慶強. 國際高強度管線鋼管的研究進展[J].壓力容器,2012,29(1)：32-38.

[3] 王曉香,李延豐. 高強度管線鋼管開發(fā)在中國的新進展[J].鋼管,2011,40(1)：12-18.

[4] 夏佃秀,王學(xué)林,李秀程.X90級別第三代管線鋼的力學(xué)性能與組織特征[J].金屬學(xué)報,2013,49(3)：271-276.

[5] Sang Yong Shi, Byoung chu Hwang. Correlation of microstructure and charpy impact properties in API X70 and X80 line-pipe steels[J].Materials Science and Engineering A,2007,485：281-289.

[6] Zhiping Zhao, Zhen ming Wang. Effect of deformation and cooling rate on the transformation behavior and microstructure of X70 steels[J]. Journal of University of Science and Technology Beijing,2007,14(5)：410-413.

[7] Chun ming Wang, Xing fang Wu,Jie Liu. Study on M/A islands in pipeline steel X70[J]. Journal of University of Science and Technology Beijing,2005,12(1)：43-47.

[8] 楊旭寧,康永林,于浩.X70針狀鐵素體管線鋼中MA島的工藝控制[J]軋鋼,2007,24(4)：7-10.

[9] 阮紅志, 趙愛民, 趙征志.高鋼X100管線鋼中的MA島[J].北京科技大學(xué)學(xué)報.2013,35(4)：474-480.

[10] 楊景紅, 劉清友, 孫冬柏,等. 軋制工藝對微合金管線鋼組織MA島的影響[J]. 北京科技大學(xué)學(xué)報,2009,31 (2):180-185.

[11] 焦多田，蔡慶伍，武會賓.軋后冷卻制度對X80級抗大變形管線鋼組織和屈強比的影響[J].金屬學(xué)報,2009,45(9)：1111-1116.