張小立,馮耀榮,王亮亮

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

高鋼級管線鋼TEM顯微組織分析

張小立1,馮耀榮2,王亮亮1

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

對X70到X100鋼級管線鋼的透射組織進行了微觀分析和研究,并對其組織和力學(xué)性能的對應(yīng)關(guān)系進行了研究.結(jié)果表明,隨著鋼級的提高,微觀組織中針狀鐵素體增加,MA島數(shù)量增加,位錯密度增加.該結(jié)果和管線鋼的力學(xué)性能變化相對應(yīng),和其所對應(yīng)的TMCP工藝相吻合.

高鋼級管線鋼;TEM顯微組織;力學(xué)性能;MA島

中國隨著經(jīng)濟的強勁增長,對石油天然氣等能源的需求也相應(yīng)增加.這意味著從中亞和西伯利亞到中國東北部有必要建設(shè)一巨大的長距離管線輸送網(wǎng)絡(luò)工程.而長距離管線輸送的關(guān)鍵在于不斷提高其工作壓力,降低單位輸送成本,且通過減少其管壁厚度來減少鋼材用量及相關(guān)建設(shè)費用.鑒于此,長距離輸送則要求更高鋼級的高強度管線鋼管,同時還要求鋼管有高韌性,特別是很高的CVN.因此,近年來開發(fā)更高強度管線鋼的經(jīng)濟驅(qū)動力不斷增加.曾在國際標準中處于最高鋼級的X70已被X80所取代,X100和X120國際標準的草稿業(yè)已推出.

我國的高鋼級管線鋼發(fā)展應(yīng)該說剛剛起步,西氣東輸管道工程在我國首次成功使用了 X70鋼級管線管,陜京二線輸氣管道和正在建設(shè)的中石化出川管線使用了同樣管材.今后會有更多的輸氣管道使用高鋼級管材.

管線鋼組織和性能的研究是一個傳統(tǒng)的話題,也是連接材料使用與制備的一個承上啟下的重要環(huán)節(jié).在一些有關(guān)于新一代傳統(tǒng)材料專門研究的高校里,有該方面的專業(yè)設(shè)置方向,如組織與性能的關(guān)系,制備與加工過程的工藝優(yōu)化,顯微組織的定量表征與組織-性能定量關(guān)系等.

在材料組織性能及其相互間關(guān)系(如圖1所示)研究中,由于鋼鐵生產(chǎn)過程的復(fù)雜性,顯微組織與力學(xué)性能的演變及關(guān)系是控制產(chǎn)品質(zhì)量的重要一環(huán),也是為達到生產(chǎn)出高質(zhì)量產(chǎn)品而進行的基礎(chǔ)研究.

圖1 組織與性能研究的關(guān)系

本文主要對系列管線鋼 TEM組織特征進行分析研究.

1 試驗方法

選擇了國內(nèi)3個廠家的X80級管線鋼和1個國外廠家的X70和X80級管線鋼及國外X100級管線鋼進行研究.利用JEM-200CX透射電子顯微鏡進行各鋼級管線鋼TEM組織特征分析.

2 試驗結(jié)果

透射電鏡分析表明,X80管線鋼中MA島較少,鐵素體類型為等軸狀、條狀和針狀.而X70管線鋼中,以等軸鐵素體為主,存在馬氏體島、部分針狀鐵素體和少量條狀鐵素體.在X100管線鋼中,針狀鐵素體內(nèi)部存在大量的MA島,在鐵素體晶界有MA島存在,也有部分馬氏體條;同時也以針狀鐵素體為主,存在部分條狀鐵素體,位錯密度增加.

可見,隨著鋼級的增加,鐵素體由等軸狀向針狀過渡并增加,MA島數(shù)量增加(如圖2所示),位錯密度增加.從而使得隨著鋼級的增加,強度不斷提高,而又能保持一定的韌性值.

圖2 管線鋼中的MA島

2.1 X70管線鋼 TEM顯微組織分析

X70鋼的組織主要呈現(xiàn)鐵素體+馬氏體小島,如圖3所示.其鐵素體形態(tài)主要為等軸形貌,而條狀鐵素體很少,如圖4所示.在觀察中同時發(fā)現(xiàn)馬氏體島較大,如圖5所示.

2.2 X80管線鋼 TEM顯微組織形貌

研究表明,國內(nèi) X80鋼級管線鋼屬于半成熟產(chǎn)品.對幾個不同廠家的X80管線鋼的 TEM組織研究表明,組織略有不同.這和作者以前所報道的其力學(xué)性能的變化是一致的[1].

(1)1#廠家X80管線鋼的組織形貌主要呈現(xiàn)鐵素體+MA島,如圖6所示.

鐵素體有呈等軸狀的,也有呈條狀的,如圖7、圖8所示.總體觀察,M A島較少.(2)2#廠家X80管線鋼的組織形貌主要呈條狀、針狀和等軸鐵素體的共存形貌,并且鐵素體較寬,約500 nm,如圖9-圖11所示.

同時,發(fā)現(xiàn)MA島少而小,并伴有Fe3C條以及馬氏體島,馬氏體島有大有小,如圖12-圖15.

該X80鋼組織形貌主要呈條狀鐵素體+等軸鐵素體,在鐵素體條界上存在馬氏體島.同時可觀察到,條狀鐵素體明顯多于等軸鐵素體,并且晶粒比較粗大,如圖16、圖17所示.

圖16 條狀鐵素體(20000×)

X80鋼中MA島形貌如圖18所示.

(3)3#廠家X80鋼的組織形貌主要是以等軸鐵素體、少量針狀鐵素體以及馬氏體島為主,很少能觀察到條狀鐵素體,其等軸鐵素體晶粒細小,約為 1～2μm,如圖 19、圖 20 所示.

針狀鐵素體的形貌如圖21所示;組織中馬氏體島的形貌如圖22所示.

2.3 X100管線鋼TEM顯微組織形貌

X100組織形貌主要是條狀鐵素體和針狀鐵素體,其中條狀鐵素體里含有滲碳體,針狀鐵素體里含有MA島,并且MA島含量較多,如圖23、圖24所示.

在組織中同時可觀察到板條馬氏體,如圖25所示.此外,可觀察到由于變形位錯密度增加,有位錯繞結(jié)和位錯包出現(xiàn),如圖26、圖27所示.

3 討 論

從各高級管線鋼的透射組織可以看出,隨著鋼級的增加,TMCP過程的冷卻速度增加.隨冷卻速度增加,過冷度增加,形核驅(qū)動力增加,從而增加了相變時鐵素體的形核率,細化了鐵素體組織.

由X70到X100管線鋼的透射組織表明,其組織特征逐漸由多邊鐵素體向針狀鐵素體發(fā)展,貝氏體含量逐漸增多.一般認為,多邊形鐵素體不是管線鋼理想的組織形態(tài).斷口金相分析表明,裂紋在通過多邊形鐵素體時,經(jīng)常呈直線擴展,在斷裂面出現(xiàn)較大的解理臺階.另外,珠光體也是需要控制的組織相.研究結(jié)果表明,隨著珠光體體積分數(shù)的增加,材料上平臺能下降.

資料表明[2],對于X80和X100管線鋼,盡管二者的Pcm值相當,但 X100管線鋼的抗拉強度(759～923 M Pa)比X80管線鋼的抗拉強度(646～805 M Pa)高許多,這表明控軋技術(shù)發(fā)揮了充分作用.

同時透射電鏡組織研究表明,奧氏體未在再結(jié)晶區(qū)變形,造成了以位錯、形變帶和胞狀組織等形式組成的應(yīng)變積累奧氏體.應(yīng)變積累不僅可以增加鐵素體形核位置和形核率,而且可以產(chǎn)生形變誘導(dǎo)鐵素體[3]和鐵素體的動態(tài)再結(jié)晶,使晶粒細化.

由于2#和3#X80管線鋼擁有較細小的鐵素體組織和細小彌散的MA島,其表現(xiàn)出優(yōu)異的強度性能和屈強比,如圖28、圖29所示.

M A的體積分數(shù)受化學(xué)成分、ACC及加熱狀況的影響[4].圖30、圖31表明了MA的體積分數(shù)對屈強比的影響.較低的屈強比(低于80%)可以通過增加MA的體積分數(shù)至5%以上而得到.該規(guī)律表明了管線鋼由X70到X100高鋼級發(fā)展的設(shè)計思路.

4 結(jié) 語

對X70、X80和X100管線鋼TEM顯微組織的分析表明,隨著管線鋼向高鋼級發(fā)展,針狀鐵素體含量逐漸增加,且位錯密度增加,MA島數(shù)量增加;各鋼級管線鋼TEM組織分析結(jié)果和其力學(xué)性能相對應(yīng).研究表明,X80管線鋼擁有較細小的針狀鐵素體組織和細小彌散的MA島時,表現(xiàn)出優(yōu)異的強度性能和屈強比;隨著管線鋼由X70到X100發(fā)展,MA島增加,強度增加而屈強比下降,這是管線鋼發(fā)展的組織設(shè)計思路.

[1]張小立.X80高鋼級管線組織圖譜[J].中原工學(xué)院學(xué)報,2010,21(4):4-10.

[2]張紅梅,王宏斌,劉振宇,等.X70微合金管線鋼組織中針狀鐵素體細化機制的研究[J].材料熱處理學(xué)報,2006,27(6):99-102.

[3]黃開文.X80和X100鋼級管線鋼的合金化原理和生產(chǎn)要點[J].軋鋼,2004,21(6):55-58.

[4]Mauro Pontremoli.A New generation of U ltra-high Strength X100/120 Pipelines:A Breakthrough fo r Economic Long-distance Gas Transportation[DB/OL].[2010-09-25](2005-06-19).http://www.isope.org/conference/2005/PAP-2005-0121-JPwe.pdf.

The TEM M icrostructure of High Grade Pipeline Steels

ZHANG Xiao-li1,FENG Yao-rong2,WANG Liang-liang1
(1.Zhongyuang University of Technology,Zhengzhou 450007;2.Tubular Goods Research Centre,CNPC,Xi’an 710065,China)

The TEM of X70 to X100 w ere studied in this paper,and the co rresponding relationship sw ith mechanical p ropertieswere also exp lored.The results showed that as the steel grade imp roved,the acicular ferrite increased,the amount of M A island increased,and the density of dislocation w ere increased too.These attainments are agreed w ith mechanical p roperties of pipeline steels and their TMCP p rocesses.

high grade pipe line steels;TEM;mechanical p roperties;MA island

TG142.1

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2011.01.001

1671-6906(2011)01-0001-06

2010-09-28

博士后基金項目(20060390319)

張小立(1969-),女,甘肅武威人,高級工程師,博士.