周 峰，吳開明

(1. 武漢科技大學(xué)高性能鋼鐵材料及其應(yīng)用湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢，430081；2.湖南華菱漣源鋼鐵有限公司，湖南 婁底，417009)

采用管道輸送原油和天然氣的明顯經(jīng)濟優(yōu)勢不僅導(dǎo)致大量管線網(wǎng)絡(luò)的強力需求，而且也對提高目前管線的輸送能力提出了更高要求[1]。為了滿足輸送能力的提高，必須鋪設(shè)大口徑高性能壓力管線，因此需要采用厚壁或高強度鋼材[2-3]。提高管線鋼強度，能顯著降低管道壁厚，從而減低總重量，帶來明顯的經(jīng)濟效益[4]。國內(nèi)外對研制X80管線鋼進行了大量的研究[5-7]，開發(fā)出貝氏體組織、馬氏體組織、針狀鐵素體及其復(fù)合組織管線鋼。當(dāng)采用針狀鐵素體組織作為主體組織時，為了達到X80鋼的強韌性匹配要求，必須提高針狀鐵素體組織的強度，通常采用微合金化元素實現(xiàn)固溶強化和析出強化來提高其強度。Nb是最常用的能較經(jīng)濟地提高強度的合金元素之一[8]。然而在傳統(tǒng)的微合金鋼中，通常w(Nb)為0.02%～0.04%，國內(nèi)外對管線鋼的最高w(Nb)限制為0.06%。隨著管道工程的要求和管線鋼冶煉技術(shù)的進步，鋼中含碳量逐漸降低。由于鋼中含碳量的降低，提高了Nb在奧氏體相中固溶度積，可允許添加較高的Nb含量[9]。

當(dāng)鋼中添加較高的Nb含量時，在奧氏體中Nb以Nb(C,N)析出，析出物的數(shù)量依賴溫度和C、N的含量。細小的Nb(C,N)通過在晶界的釘扎機制，阻止晶粒長大，從而使相變組織晶粒細化，改善其強韌性。固溶的Nb能明顯提高奧氏體的再結(jié)晶溫度，有利于高溫區(qū)的大壓下變形，產(chǎn)生大量位錯、亞晶界和晶界，在后續(xù)冷卻過程中形成細化的相變組織結(jié)構(gòu)。固溶在鋼中的Nb在α相中析出細小的Nb(C,N)，產(chǎn)生沉淀硬化作用提高強度[10]；同時，固溶的Nb能通過固溶強化提高強度，尤其是抗拉強度[11]。為此，本文研究一種w(Nb)為0.086%的X80管線鋼在超快速冷卻溫度下組織與性能的關(guān)系，并分析Nb在提高鋼材抗拉強度和降低其屈強比方面的作用規(guī)律。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗材料采用210 t轉(zhuǎn)爐冶煉、LF+RH精煉處理，并連鑄成230mm板坯，其化學(xué)組成如表1所示。經(jīng)過合理的軋制工藝進行軋制，并軋制成厚度為17.5 mm的板坯。采用超快速冷卻工藝進行軋后冷卻，并編號為1#、2#試樣。1#試樣的超快速冷卻的終冷溫度為400～500 ℃，2#試樣的超快速冷卻的終冷溫度為300～400 ℃。

表1 試驗鋼的化學(xué)組成(wB/%)Table 1 Chemical compositions of experimental steel

1.2 檢測方法

對鋼板垂直于軋制方向取樣并加工成拉伸試樣，在萬能試驗機上進行拉伸性能試驗。在鋼板上沿垂直于軋制方向切取沖擊試樣，在-20 ℃測試其低溫沖擊功，同時進行-15 ℃落錘試驗測量其剪切面積。為了確保檢測試樣的代表性，將X80管線鋼鋼卷送到橫切線進行開卷取樣，對應(yīng)卷取溫度曲線，對溫度波動大的尾部切除20 m后進行取樣，以確保其實際溫度與本文所設(shè)定的溫度一致。拉伸試樣對應(yīng)鋼管橫向取樣，取樣位置位于板卷寬度1/2處，沖擊試樣分別對應(yīng)鋼管橫向和板卷橫向取樣，取樣位置位于板卷寬度1/4處。

采用SEM和TEM對試樣的顯微組織形貌及析出物數(shù)量和大小進行檢測分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 試樣的力學(xué)性能分析

表2為不同超快速冷卻溫度下X80管線鋼的力學(xué)性能。由表2可看出，在不同超快速冷卻溫度下，1#、2#試樣在-20 ℃時的低溫沖擊功穩(wěn)定，均值分別為296、302 J。由-15 ℃落錘試驗剪切面積可看出，1#、2#試樣的剪切面積分別為93%和97%，表明試驗用鋼均具有良好的低溫韌性。1#、2#試樣的屈服強度和抗拉強度均在API SPEC 5L標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)(屈服強度為555～690 MPa和抗拉強度為625～825 MPa)，滿足了X80管線鋼的性能要求。1#試樣屈服強度略比2#試樣低15 MPa，但1#試樣的抗拉強度比2#試樣低40 MPa，這就導(dǎo)致兩類試樣的屈強比存在差異。同時，1#、2#試樣的延伸率均為38%，其具有良好的延伸性能。

表2 X80管線鋼的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of X80 pipeline steel

2.2 試樣的顯微組織分析

圖1為1#、2#試樣垂直于軋制方向1/4處的顯微組織SEM照片。由圖1可看出，主體組織由晶界相互交錯、方向各異的針狀鐵素體組成。

(a)1#試樣

(b)2#試樣圖1 試樣顯微組織的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM images of Samples 1# and 2#

通過顯微組織對比發(fā)現(xiàn)，1#試樣組織較為粗大，有少量的多邊形鐵素體存在，組織中M/A島含量較小。圖2 為1#、2#試樣垂直于軋制方向1/4處的M/A島腐蝕對比SEM照片。由圖2可看出，2#試樣針狀鐵素體特征明顯，其組織比1#試樣更加細小均勻，組織中M/A島含量較多，且呈細小彌散均勻分布。圖3為1#、2#試樣垂直于軋制方向1/4處的顯微組織TEM照片。由圖3可看出，1#試樣板條內(nèi)位錯非常發(fā)達，可以觀察到大量的位錯塞積(見圖3(a))，晶界上有大量的位錯塞積現(xiàn)象(見圖3(b))；2#試樣位錯也非常發(fā)達，可以觀察到大量的位錯塞積(見圖3(c))，晶界上位錯塞積比1#試樣多(見圖3(d))。

(a)1#試樣

(b)2#試樣圖2 試樣的M/A島腐蝕SEM照片

Fig.2SEMimagesofM/AislandcorrosionforSamples1#and2#

(a)1#試樣

(b)1#試樣

(c)2#試樣

(d)2#試樣圖3 試樣顯微組織的TEM照片F(xiàn)ig.3 TEM images of Samples 1# and 2#

2.3 試樣的析出物分析

圖4為1#試樣垂直于軋制方向1/4處的析出物TEM照片。由圖4可看出，1#試樣析出粒子分布較為均勻，典型粒子(見圖4(b))的大小在40nm左右，為一個圓形粒子和一個方形粒子的復(fù)合型析出。通過能譜分析發(fā)現(xiàn)，析出物均為含Nb、Ti的碳氮化物析出，x(Nb)/x(Ti)為13.9。

(a)1#試樣

(b)1#試樣

(c)能譜分析圖4 1#試樣析出物的TEM照片及能譜分析

Fig.4TEMimagesandEDSspectrumoftheprecipitatesforSample1#

圖5 為2#試樣垂直于軋制方向1/4處的析出物TEM照片。由圖5可看出，2#試樣析出粒子數(shù)量較1#試樣少(見圖5(a))，粒子尺寸也相對較小(見圖5(b))，粒子分布不均勻，析出類型大多為Nb、Ti碳氮化物的復(fù)合析出。通過能譜分析可知，方形粒子中Ti含量較高、圓形粒子中Nb含量較高，x(Nb)/x(Ti)為0.3。

(a)2#試樣

(b)2#試樣

(c)能譜分析圖5 2#試樣析出物的TEM照片及能譜分析

Fig.5TEMimagesandEDSspectrumoftheprecipitatesforSample2#

3 討論

3.1 針狀鐵素體組織對試樣強韌性的影響

由于針狀鐵素體之間為大角度晶界、相互交錯的聯(lián)鎖組織，同時組織內(nèi)部含有大量的位錯，這些使得組織內(nèi)的微裂紋解理跨越針狀鐵素體聯(lián)鎖組織時發(fā)生偏轉(zhuǎn)，擴展需要消耗更高的能量，能非常有效地提高材料韌性。這種具有高密度位錯、大角度晶界、細小晶粒尺寸和相互交錯的鐵素體聯(lián)鎖組織具有非常有效的晶粒細化效果，有效地提高了材料強韌性。本研究中的1#、2#試樣均為針狀鐵素體為主的組織，使得X80管線鋼具有較高的強度、良好的低溫沖擊韌性和極高的剪切面積。

3.2 快速冷卻條件下Nb固溶強化對試樣強度的影響

管線鋼的強化機制有固溶強化、細晶強化、沉淀強化和位錯強化。鋼板卷取之后，鋼卷的冷卻速度會降低，不同超快速冷卻的終冷溫度下卷取對鋼卷的組織和析出有較大影響。對于高Nb的X80管線鋼而言，1#試樣在較高溫度下卷取時，卷取終冷溫度較高，冷卻速度較慢。在較慢的冷速下，較高溫形成的細小多邊形鐵素體逐漸長大，形成塊狀；同時針狀鐵素體組織也會發(fā)生粗化，晶粒尺寸變大。較高的Nb含量使得在奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變過程中以及在單相的鐵素體相區(qū)析出Nb的碳氮化物。這些細小的Nb(C,N)均勻彌散分布在晶粒內(nèi)部，能有效通過沉淀強化來提高鋼材強度[9]。在卷取終冷溫度較低時，冷卻速度較快。在較快的冷卻速度下，針狀鐵素體組織比較細小，通過細晶強化提高鋼材強度。同時在組織內(nèi)部彌散分布大量細小尺寸M/A島和大量的位錯，通過析出強化和位錯強化來提高鋼材強度。

固溶強化是利用間隙型溶質(zhì)原子或置換型溶質(zhì)原子提高固溶體強度的方法[11]，在較小影響屈服強度的情況下大幅度提高抗拉強度。置換型溶質(zhì)原子Nb能引起鐵素體晶格的球面對稱畸變，具有一定的強化效果。但這種置換導(dǎo)致的強化效果遠小于其他幾種機制，管線鋼合金化設(shè)計時，更著眼于晶粒細化和沉淀強化等強化機制。然而，間隙型溶質(zhì)原子C、N等元素在α相中引起不對稱的點陣畸變所產(chǎn)生的強化效果遠遠大于置換型溶質(zhì)原子所引起的球面對稱畸變，間隙固溶強化是非常有效的強化方式[12]。本研究中低溫卷取時冷卻速度較快，使得大量的Nb在鋼中不能有效析出。1#試樣x(Nb)/x(Ti)為13.9，2#試樣x(Nb)/x(Ti)為0.3，相對于1#試樣而言，2#試樣中Nb的固溶強化對X80鋼的強度有著一定的作用，未能和Nb一起析出的C、N原子也固溶在α相中，這些溶質(zhì)原子存在于晶格間隙，大幅度提高鋼材強度，尤其是抗拉強度。本研究結(jié)果表明，析出物較少的2#試樣抗拉強度遠大于1#試樣，從而獲得低屈強比高Nb微合金化X80管線鋼。

4 結(jié)論

(1)通過高Nb微合金化設(shè)計以及控制軋制和控制冷卻得到了以細小針狀鐵素體為主體的微觀組織結(jié)構(gòu)。采用較低的溫度卷取，冷卻速度較快使得鋼中Nb未能充分析出，聯(lián)合相應(yīng)的C、N原子通過固溶強化，能有效提高鋼材抗拉強度，獲得了低屈強比X80管線鋼。

(2)研制的低屈強比X80管線鋼具有較高的強度、良好的低溫沖擊韌性和極高的剪切面積，可以有效提高管線鋼的變形能力，適合于抗大變形管線鋼的制造。

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