·試驗(yàn)研究·

MA對(duì)高鋼級(jí)厚壁X80管線鋼性能影響的研究

徐鋒孔君華徐進(jìn)橋崔雷李利巍鄒航

(武漢鋼鐵(集團(tuán))公司研究院湖北武漢430080)

摘要：通過(guò)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(duì)高鋼級(jí)X80管線鋼強(qiáng)度和韌性的影響規(guī)律。結(jié)果表明：MA是提高高強(qiáng)管線鋼強(qiáng)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(qiáng)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(shí)，高鋼級(jí)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(jiǎn)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，目前在武漢鋼鐵研究院從事高性能管線鋼的研究與開(kāi)發(fā)。E-mail：xufeng1986923@163.com

文章編號(hào)：中圖法分類號(hào)：TG113

收稿日期：(2015-05-07編輯：屈憶欣)

基金項(xiàng)目：教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guó)脈工程“西氣東輸二線”的全面建成投產(chǎn)標(biāo)志著我國(guó)的高強(qiáng)管線鋼的研發(fā)與生產(chǎn)水平達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。目前已開(kāi)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(kuò)大口徑、增加安全系數(shù)。大壁厚、高韌性、高鋼級(jí)管線鋼是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)[1~3]。

MA廣泛存在于高強(qiáng)管線鋼中，其含量、分布、形態(tài)對(duì)管線鋼的強(qiáng)韌性有著極大的影響。組織類型對(duì)管線鋼強(qiáng)韌性的影響[4~5]，國(guó)內(nèi)外已研究頗多；但關(guān)于MA的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道仍較少，且大多僅限于利用Gleebe-1500熱模擬試驗(yàn)機(jī)完成[6]，定性的探討了變形量、冷卻速度、開(kāi)冷溫度對(duì)MA形態(tài)的影響[7~11]，無(wú)法定量揭示MA對(duì)高鋼級(jí)X80管線鋼強(qiáng)韌性影響。

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)室Ф800 mm軋機(jī)模擬20 mmX80軋制過(guò)程，在成分和控軋工藝不變的情況下，通過(guò)改變控冷工藝，研究在不同冷卻條件下MA的形態(tài)及對(duì)性能的影響規(guī)律。

1實(shí)驗(yàn)材料及方法

本實(shí)驗(yàn)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(yàn)軋機(jī)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(kāi)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(kāi)軋溫度940 ℃，終軋溫度830 ℃，累計(jì)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(xì)結(jié)構(gòu)。

表1　冷卻工藝參數(shù)

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

圖1為不同冷卻工藝條件下試驗(yàn)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(duì)比四組試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)鋼MA的數(shù)量及形態(tài)，用Image Plus軟件對(duì)四組試驗(yàn)鋼顯微組織中的MA進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，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(yàn)鋼力學(xué)性能如表2所示，從表中可以看出四組試驗(yàn)鋼強(qiáng)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(yàn)鋼金相組織

鋼板編號(hào)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(duì)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(jìn)行對(duì)比分析MA含量對(duì)強(qiáng)度及韌性的影響規(guī)律。從圖3(a)可以看出，隨著試驗(yàn)鋼顯微組織中MA含量的增加，屈服和抗拉強(qiáng)度均呈增加的趨勢(shì)。當(dāng)MA的含量從3.4%增加到7.3%，試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度增加30 MPa，抗拉強(qiáng)度增加39 MPa。呈橢球狀、細(xì)小彌散的MA島，廣泛分布于貝氏體晶界處時(shí)，其對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)機(jī)理類似于第二相粒子析出強(qiáng)化。故隨著MA含量的增加，試驗(yàn)鋼強(qiáng)度增加。同時(shí)，由于屈服和抗拉增加的幅度基本保持一致，故細(xì)小的MA含量的變化對(duì)屈強(qiáng)比影響不大。

從圖4(b)~(d)可以看出，隨著MA含量的增加，試驗(yàn)鋼的韌性指標(biāo)全部呈下降趨勢(shì)。當(dāng)呈橢球狀的MA含量從3.4%增加到7.3%時(shí)，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(yàn)鋼受外力作用時(shí)，由于MA和基體的塑性不同，無(wú)法達(dá)到相同的變形程度，故裂紋會(huì)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(guò)程中微裂紋越多，則彼此間相互連接成片的機(jī)率則增加，故隨著MA含量的增加，試驗(yàn)鋼的韌性會(huì)有所下降。

圖3　MA含量對(duì)試驗(yàn)鋼性能的影響

2.2MA形狀系數(shù)對(duì)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(jìn)行對(duì)比分析MA形態(tài)變化對(duì)性能的影響。

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

形狀系數(shù)=MA長(zhǎng)度/寬度,用L/W的值進(jìn)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(zhǎng)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(yàn)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(yàn)鋼精細(xì)組織結(jié)構(gòu)。對(duì)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(guò)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(shí)，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(guò)程中，裂紋沿著界面擴(kuò)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(duì)試驗(yàn)鋼沖擊功及落錘撕裂性能的影響

圖5　微觀組織精細(xì)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(shì)，且增長(zhǎng)幅度基本一致，對(duì)屈強(qiáng)比影響較小。

(2)MA形態(tài)對(duì)試驗(yàn)鋼強(qiáng)度的影響較小，隨形狀系數(shù)L/W的增大，試驗(yàn)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(shí)，高鋼級(jí)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(xiàn)

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