MA形成過程和分布對高強度管線鋼力學性能的影響

馬 璇，王 慧，劉剛偉，蘆 琳，楊 俊，鄭 浩 編譯

（1.國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008；3.寶雞鋼管西安石油專用管分公司，西安710201；4.西安航空學院 能源與建筑學院，西安 710089）

MA形成過程和分布對高強度管線鋼力學性能的影響

馬 璇1,2，王 慧1,2，劉剛偉1,2，蘆 琳1,2，楊 俊3，鄭 浩4編譯

（1.國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008；3.寶雞鋼管西安石油專用管分公司，西安710201；4.西安航空學院 能源與建筑學院，西安 710089）

為了使抗大變形管線鋼具有良好的力學性能，了解MA形成過程對管線鋼力學性能的影響，研究了在線熱處理和離線熱處理工藝下試樣MA的顯微組織結(jié)構(gòu)和力學性能。研究結(jié)果表明，馬氏體是MA的主要組成部分，MA的分布和形狀在兩種熱處理工藝下都不同，試樣MA中出現(xiàn)碳富集，在線熱處理試樣MA中的碳濃度高于離線熱處理試樣，不同形態(tài)的MA和基體使材料在裂紋擴展中表現(xiàn)出不同的韌性，在線熱處理試樣其形成的MA結(jié)構(gòu)具有良好的力學性能。

管線鋼；抗大變形；MA；熱處理；韌性

隨著石油天然氣能源需求的不斷增加，人們對管線鋼的強度、韌性、焊接性和耐腐蝕性能提出了更高的要求。為了確保惡劣環(huán)境下管線鋼管的正常運行，鋼管行業(yè)采用應(yīng)變設(shè)計理念來評估管線鋼管的塑性形變，并以此設(shè)計出抗大變形管線鋼管?？勾笞冃喂芫€鋼的組織狀態(tài)一般為雙相組織，分別為鐵素體+貝氏體組織和貝氏體+馬氏體奧氏體（MA）組織。具有這些組織的管線鋼對于因地面運動而引起的大應(yīng)變具有較高的抗彎折和抗斷裂能力。

貝氏體+MA組織可以通過在線熱處理和離線熱處理工藝來實現(xiàn)。有效利用MA組元是開發(fā)高性能材料的方法之一。

本研究對不同熱處理工藝下試樣MA的結(jié)構(gòu)和力學性能進行了分析，從而確定MA的結(jié)構(gòu)對材料韌性的影響。

1 試驗材料及方法

1.1 試樣材料

試樣采用厚度為25mm的熱軋鋼板，其主要化學成分見表1。

表1 試驗鋼板主要化學成分 %

對試樣進行兩種不同的熱處理得到了兩種雙相組織管線鋼。一種是在線熱處理，即將試樣1加速冷卻至600℃以下，再通過高頻加熱爐加熱至650℃以上，最后空冷至室溫；另一種是離線熱處理，即將試樣2和試樣3加速冷卻至200℃以下，再分別加熱至730℃和800℃，分別保溫30 min，最后空冷至室溫。試驗中測得的Ac1和Ac3溫度分別是720℃和840℃。

1.2 力學性能檢測

拉伸試驗以及夏比沖擊試驗的試樣均取自鋼板的中間位置。在鋼板的橫向切取標距長度25mm、直徑6.0mm的圓棒拉伸試樣，在室溫下以2mm/min的速度進行拉伸試驗。在垂直于橫向位置對標準夏比V形缺口試樣進行夏比沖擊試驗，試驗溫度為-120℃、-80℃、-40℃以及 0℃。

1.3 顯微組織檢測

通過使用掃描電鏡（SEM）、電子背散射衍射儀（EBSD）、X射線能譜儀（EDS） 和透射電鏡（TEM）對試樣、夏比斷裂表面和第二相的微觀組織結(jié)構(gòu)進行觀察。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 力學性能

拉伸試驗結(jié)果及試樣的延伸率如圖1所示。從圖1中的曲線可以看出，3個試樣的抗拉強度、屈服強度以及延伸率的測試值基本相同。

圖1 拉伸試驗結(jié)果及試樣延伸率

圖2 試樣夏比沖擊試驗結(jié)果

圖2所示為是試樣的夏比沖擊試驗結(jié)果。根據(jù)這些結(jié)果對3個試樣的韌脆轉(zhuǎn)變溫度進行估算，分別為-60℃，-70℃和-125℃。即使在強度性能幾乎相同的情況下，與試樣2和試樣3相比，試樣1仍然具有良好的韌性。圖3為夏比沖擊試樣斷口表面及其橫截面的SEM顯微組織。由圖3可以看出，與試樣2相比，試樣1的斷口表面較為粗糙，試樣2的裂紋沿基體和第二相（MA）之間的晶界擴散。有分析稱，微觀組織的不同會導致力學性能的差異，因此采用SEM和TEM對試樣1和試樣2進行微觀組織分析，詳細了解MA的差異。

圖3 夏比沖擊試樣斷口SEM顯微組織

2.2 MA的顯微組織

圖4為試樣1和試樣2的SEM掃描電鏡圖像，圖中箭頭所指的明亮區(qū)域為MA。由圖4可以看出，試樣1的MA呈島狀，并隨機分布在已發(fā)生輕微形變的鐵素體—貝氏體組織中；試樣2的MA呈圓形，沿多邊形鐵素體晶粒形成。對試樣采用EBSD進行分析，步長0.15μm，結(jié)果見圖5。圖5中在黑暗區(qū)域可見第二相，這表明該區(qū)域內(nèi)有高應(yīng)變。對試樣進行TEM顯微組織分析，如圖6所示，圖6中箭頭所指為馬氏體組織。試樣MA的碳濃度測定結(jié)果如圖7所示。從圖7看出兩個試樣在基體位置的碳濃度基本一致，在MA中出現(xiàn)碳富集，試樣1的MA中碳濃度高于試樣2。

圖4 試樣掃描電鏡照片

圖5 試樣EBSD影像圖

圖6 MA組織TEM顯微組織分析

圖7 試樣MA的碳濃度測定結(jié)果

2.3 在線和離線熱處理MA成型工藝

試樣1在熱軋后加速冷卻的過程中部分組織由γ相轉(zhuǎn)變?yōu)棣料?，該結(jié)構(gòu)包含貝氏體和未轉(zhuǎn)變奧氏體相，通過在線熱處理，試樣1組織從γ相到α相的轉(zhuǎn)變停止，貝氏體中多余的碳擴散到未轉(zhuǎn)變的γ相中，空冷過程從富碳的奧氏體到未轉(zhuǎn)變奧氏體的過程中產(chǎn)生了貝氏體和馬氏體（MA）的轉(zhuǎn)變。在此過程中，貝氏體+鐵素體組織基體中發(fā)現(xiàn)了島狀MA。在冷卻過程中，逐漸變成MA的殘余γ相的周圍分布著許多K-S取向的貝氏體組織。

在離線熱處理前試樣是貝氏體+鐵素體組織，特別是晶界，當溫度加熱至740℃或800℃時，部分組織發(fā)生從α相到γ相部分逆轉(zhuǎn)變。高溫下，γ晶粒沿含有α基體的隨機晶界方向發(fā)展，并向著從α相到γ相產(chǎn)生多余碳的方向生長。通過高溫熱處理，貝氏體變成柔軟的多邊形鐵素體，逆變奧氏體在冷卻過程中收縮，與鐵素體一同保持隨機方向，最后在低于Ar3的溫度下，殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。在這個過程中，逆變奧氏體不含K-S取向的矩陣，每個方向的晶界長度都很長。殘余奧氏體被較短的K-S取向晶界分割，因此在線熱處理試樣中的MA呈島狀分布；逆變奧氏體帶有較長的隨機取向晶界，因此離線熱處理試樣中的MA周圍分布著鐵素體晶粒。

2.4 顯微組織和韌性的關(guān)系

試樣MA組織形態(tài)的不同會對其力學性能產(chǎn)生不同影響。由于許多裂紋是在MA和基體的界面進行擴展，因此，MA和基體之間的晶粒邊界是材料韌性下降的原因。圖8為應(yīng)變約為5%的兩種試樣EBSD分析圖像。從圖8可看出，試樣1中MA周圍應(yīng)力分布較為均衡，試樣2中MA周圍局部應(yīng)力分布不均勻。試樣1中如果裂紋始于一個晶粒邊界，由于方向不同，裂紋很容易止于另一個晶粒邊界。由于局部應(yīng)變可以在同方向晶界上傳播，因此試樣2中裂紋始于薄弱晶粒邊界處。

圖8 試樣EBSD分析圖像

3 結(jié) 論

（1）本研究觀察到的MA主要包含馬氏體，MA的分布、形狀以及晶粒邊界特點在在線和離線兩種熱處理工藝下都不同。

（2）兩種試樣MA中均觀察到碳富集，在線熱處理試樣MA中的碳濃度比離線熱處理試樣MA中的碳濃度高。

（3）不同形態(tài)的MA和基體使材料在裂紋擴展中顯示出不同的韌性，在線熱處理形成的MA結(jié)構(gòu)具有良好的力學性能。

譯自：TSUYAMA SEISHI.Effects of distribution and the formation process of MA on deformation and toughness of high strength linepipe steel[J].ISIJ International,2013，53（2）：317-322.

Effects of Distribution and the Formation Process of MA on Deformation and Toughness of High Strength Linepipe Steel

Edited and Translated by MA Xuan1,2,WANG Hui1,2,LIU Gangwei1,2,LU Ling1,2,YANG Jun3,ZHENG Hao4
（1.National Petroleum and Gas Tubular Goods Engineering Technology Research Center，Baoji 721008，Shaanxi，China；2.Steel Pipe Research Institute,Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China;3.Xi’an OCTG Company of BSG Group,Xi’an 710201,China；4.School of Energy and Architecture,Xi’an Institute of Aviation,Xi’an 710089,China）

In order to obtain good mechanical properties for pipeline steel with high deformability,for understanding the formation process and its effect on mechanical properties,microstructural analysis of the MA formed through two different heat treatments(on-line heat process and off-line heat process)is conducted.Based on SEM and TEM observation,it is found that the MA consisted mainly of martensite and its distributions and shapes are different between on-line and off-line heat process samples.Carbon concentration occurs in MA of sample,the carbon concentration of on-line heat treatment sample is higher than that of off-line heat treatment,the MA with different shape and substrate material show different toughness in the crack propagation,MA structure formed by on-line heat treatment is with good mechanical properties.

pipeline steel;high deformability;MA;heat treatment;toughness

TE973.1 文獻標志碼：B DOI:10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.05.012

馬 璇（1983—），女，碩士，主要從事管材科技信息編輯工作。

2015-12-8

李 超