張小立

（中原工學(xué)院材料與化工學(xué)院，鄭州450007）

0 引 言

在大口徑長(zhǎng)距離天然氣輸氣管道建設(shè)中常常需要使用大量的感應(yīng)加熱彎管，用以改變管線的敷設(shè)方向，其中彎管的質(zhì)量將直接影響到管道的運(yùn)行安全。目前，感應(yīng)加熱彎管制備技術(shù)中主要有三種熱處理［1］：完全淬火、局部淬火和回火以及完全淬火和回火。其中，最常采用的就是局部淬火和回火。也就是說(shuō)淬火只應(yīng)用于彎管部位，整個(gè)管子包括直管段都進(jìn)行回火，稱之為Q－T型彎制工藝。

由于在感應(yīng)加熱彎管制備中，母管經(jīng)過(guò)了再加熱，這時(shí)管線鋼組織和性能會(huì)發(fā)生變化。如果再加熱時(shí)的加熱工藝控制不當(dāng)，其強(qiáng)度將會(huì)損失50%以上，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂［2］。

在我國(guó)“西氣東輸”二線工程中已全部使用了X80管線鋼，而X100管線鋼還處于試制階段，關(guān)于其再加熱后組織和性能變化規(guī)律的研究報(bào)道較少。針對(duì)這一現(xiàn)狀，作者采用Q－T型彎制工藝的加熱工藝對(duì)國(guó)外某品牌X100管線鋼進(jìn)行熱處理，并對(duì)其組織和硬度等的變化規(guī)律等進(jìn)行了研究，期望為制定X100管線鋼彎管的制備工藝提供參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)材料采用國(guó)外某品牌X100管線鋼，其供貨狀態(tài)為熱軋管，化學(xué)成分見(jiàn)表1，碳當(dāng)量wCeq＝0.492 5，焊接裂紋敏感性指數(shù)Pcm＝0.220 5，其中wCeq＝wC＋wMn／6＋w（Mo＋Cr＋V）／5＋w（Ni＋Cu）／15，Pcm＝w（C）＋wSi／30＋w（Mn＋Cu＋Cr）／20＋wMo／15＋wNi／60＋wV／10＋5wB。在上述管線鋼上截取尺寸為300mm×280mm的試樣用于后續(xù)試驗(yàn)。

取一部分試樣分別在850，950，1 050，1 150℃進(jìn)行淬火處理，淬火介質(zhì)為水，加熱時(shí)間為1h，然后分別在250，350，450，550℃（空冷）回火，加熱時(shí)間為30min，用以研究淬火和回火對(duì)彎管組織和性能的影響。

另取一部分試樣直接在250，350，550℃回火，加熱時(shí)間為30min，用以研究回火對(duì)直管組織和性能的影響。

表1 X100管線鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of X100pipeline steels（mass）%

1.2 試驗(yàn)方法

沿垂直于軋制方法在管體橫向截取金相試樣，經(jīng)機(jī)械拋光、3%（體積分?jǐn)?shù)）硝酸酒精腐蝕后，采用MEF4M型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織；采用HV－50型維氏硬度計(jì)測(cè)硬度，加載載荷為98N，加載時(shí)間為30s；按照GB 2975—1982加工規(guī)格為10mm×10mm×55mm的夏氏V型缺口沖擊試樣，在20，0，－20，－40，－60，－80，－100℃下參考 GB／T 229—1994在JB2300B型機(jī)械式半自動(dòng)沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行沖擊試驗(yàn)；采用QTS136XL型掃描電鏡觀察斷口形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 母管的組織與性能

由圖1可見(jiàn)，供貨態(tài)X100管線鋼（母管）的組織為粒狀貝氏體（含M／A島），其中彌散、均勻分布著細(xì)小的Fe3C。母材的硬度為265HV（強(qiáng)度與硬度成正比，以硬度替代強(qiáng)度）。

圖1 供貨態(tài)X100管線鋼的顯微組織Fig.1 Microstructure of X100 pipeline steels in delivery state

圖2 供貨態(tài)X100管線鋼的夏比沖擊功與纖維斷面率Fig.2 Sharpy impact energy and shearing rate of X100pipeline steels in delivery state

由圖2的沖擊功和纖維斷面率曲線可得出，供貨態(tài)X100管線鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度為－60℃。

2.2 淬火回火對(duì)彎管組織和性能的影響

從圖3可以看出，X100管線鋼在不同溫度淬火并在250℃回火后，隨淬火溫度的升高，所得到的顯微組織依次為PF（多邊形鐵素體）＋M（馬氏體）、M（馬氏體）和B（貝氏體）。

由圖4可見(jiàn)，隨著淬火溫度的升高，不同溫度回火后X100管線鋼的硬度均先升后降，其中850℃和1 050℃淬火并250℃回火后的硬度和供貨態(tài)的相匹配。

從圖5可以看出，X100管線鋼在不同溫度淬火并經(jīng)550℃回火后，隨淬火溫度的升高，所得到的顯微組織分別為PF＋P、B＋PF＋P、B。由圖4可以看出，經(jīng)在950℃淬火和550℃回火后，X100管線鋼的硬度和供貨態(tài)的也匹配。

多邊形鐵素體是一個(gè)韌性相［3］，珠光體是一種具有良好強(qiáng)度和韌性的物相。而貝氏體，特別是粒狀貝氏體，是馬氏體和殘余奧氏體的混合物，具有高的強(qiáng)度以及良好的韌性。

圖3 不同溫度淬火和250℃回火后X100管線鋼的顯微組織Fig.3 Microstructure of X100pipeline steels after quenching at different temperatures and tempering at 250℃

圖4 X100管線鋼在不同溫度淬火、回火后的硬度Fig.4 Hardness of X100pipeline steels after quenching and tempering at different temperatures

在彎管制備的再加熱后，如果淬火處理使馬氏體含量增多，那么材料的強(qiáng)度會(huì)大大提高，肯定可以滿足管件標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)度指標(biāo)的規(guī)定，但是馬氏體的增多使材料的韌性下降。因此，淬火后采用250℃回火能使彎管得到馬氏體組織，但馬氏體組織并不是熱處理要得到的最終組織。因?yàn)轳R氏體組織和鐵素體組織相比，其作用主要是提高強(qiáng)度；雖然回火處理能使材料的彈性和強(qiáng)韌性增加，但是為了最終緩解屈服強(qiáng)度和韌性指標(biāo)之間的矛盾［4］就需要控制馬氏體的形成。而550℃回火后獲得的貝氏體組織具有良好的強(qiáng)度和韌性匹配，與鐵素體相比強(qiáng)度和硬度較高。

圖5 不同溫度淬火和550℃回火后X100管線鋼的顯微組織Fig.5 Microstructure of X100pipeline steel after quenching at different temperatures and tempering at 550℃

正因?yàn)槎噙呰F素體、貝氏體及其珠光體是強(qiáng)韌性相，能夠完全滿足X100級(jí)彎管對(duì)強(qiáng)度與韌性指標(biāo)的需求，所以B＋PF＋P組織為X100管線鋼彎管的理想組織［5］。從圖3和圖5可知，X100管線鋼在950℃淬火再在550℃回火可以得到理想的組織。

雖然，在彎管段采用850℃或1 050℃淬火并經(jīng)250℃回火，能使熱彎管達(dá)到與母管良好的強(qiáng)韌性匹配，但這時(shí)組織為PF＋M或B，彎管段在服役過(guò)程中容易開(kāi)裂，另外這樣一種再加熱工藝會(huì)導(dǎo)致工藝復(fù)雜，操作困難，成本提高等。

2.3 回火工藝對(duì)直管組織與性能的影響

由圖6可知，X100管線鋼直接在250℃回火后，其顯微組織主要為回火馬氏體，且很不均勻，還存在帶狀結(jié)構(gòu)；隨著回火溫度的升高（350，550℃），顯微組織主要為回火索氏體，組織的均勻性逐漸改善，帶狀組織消失，顯微組織也變得更加均勻。當(dāng)回火溫度升高到550℃后，其組織均勻性最好。

圖6 X100管線鋼在不同溫度直接回火后的顯微組織Fig.6 Microstructure of X100pipeline steel after direct tempering at different temperatures

文獻(xiàn)［6］的研究表明，對(duì)于高鋼級(jí)管線鋼，其組織均勻性愈高，材料的強(qiáng)韌性匹配愈好。因此可知，當(dāng)X100管線鋼直接在550℃回火后可獲得較高的強(qiáng)韌性匹配。由圖7可以看出，當(dāng)回火溫度為550℃時(shí)，X100管線鋼的硬度適中，并且可與母管相匹配。

2.4 沖擊性能與斷口形貌

由圖8，9可知，X100管線鋼經(jīng)950℃淬火和550℃回火后，在－20℃下的沖擊斷口中纖維區(qū)韌窩被拉長(zhǎng)，呈拋物線形，韌窩稍淺，這表明即使在－20℃時(shí)，該管線鋼的塑性也較好；剪切區(qū)韌窩較深，放射區(qū)斷口亦被拉長(zhǎng)，其韌窩比纖維區(qū)的更深；其斷口形貌與母管的非常接近，這說(shuō)明兩者的沖擊韌性也較接近。由此表明，在該再加熱工藝下，X100管線鋼彎管與母管可以實(shí)現(xiàn)良好的強(qiáng)韌性匹配。

圖7 X100管線鋼在不同溫度直接回火后的硬度Fig.7 Hardness of X100pipeline steel after direct tempering at different temperatures

3 結(jié) 論

（1）X100管線鋼經(jīng)950℃淬火和550℃回火的再加熱工藝處理后，其顯微組織為B＋PF＋P，且其硬度適中，沖擊斷口的纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切區(qū)均具有良好的韌窩形貌，可與母管實(shí)現(xiàn)良好的強(qiáng)韌性匹配。

（2）X100管線鋼直接經(jīng)550℃回火后，組織為回火索氏體，組織的均勻性最好，硬度適中，可與母材相匹配。

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［2］馬永山.控軋鋼UOE管熱煨彎管彎制工藝研究［D］.天津：天津大學(xué)，2004.

［3］王英杰.金屬材料及熱處理［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［4］劉迎來(lái)，池強(qiáng)，王鵬.加熱溫度對(duì)X80彎管鋼組織與性能的影響［J］.金屬熱處理，2010，35（10）：25－30.

［5］張小立，張勇，李剛.X80級(jí)彎管熱處理工藝和組織性能相關(guān)性研究［J］.中原工學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，22（2）：8－13.

［6］張小立，馮耀榮，趙文軫，等.X80級(jí)管線鋼的組織和力學(xué)性能［J］.特殊鋼，2006，27（3）：11－13.