供稿|吳國璽，劉艷超 /

作者單位：1. 東北大學(xué)冶金學(xué)院，遼寧 沈陽 110819；2. 遼寧科技學(xué)院，遼寧 本溪 117004

內(nèi)容導(dǎo)讀

厚規(guī)格管線鋼的韌性穩(wěn)定控制是研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)難題。為了提高心部淬透性，通常采用增加Mo合金的方法，但研究發(fā)現(xiàn)，隨著Mo含量的增加，貝氏體組織中MA組元增加，管線鋼韌性明顯降低。為了提高淬透性同時(shí)減少M(fèi)A組元形成。文章借助JMatPro軟件對不同合金進(jìn)行理論計(jì)算，最終發(fā)現(xiàn)Cr具有部分替代Mo的可能；借助金相顯微鏡、掃描電鏡以及力學(xué)性能測試等分析手段進(jìn)行研究分析，結(jié)果表明，采用Cr部分替代Mo，管線鋼依然可以獲得鐵素體+貝氏體為主的組織，同時(shí)，可有效避免MA組元形成，最終因Cr部分替代Mo使組織中MA組元總量明顯減少，進(jìn)而提高了管線鋼韌性，特別是DWTT性能，工業(yè)試制后達(dá)到了預(yù)期目的。

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，社會(huì)對能源的依賴程度也與日俱增，石油和天然氣是目前使用的最主要的能源介質(zhì)，其運(yùn)輸成本所占比例較高[1，2]。眾所周知，采用管道運(yùn)輸是最為經(jīng)濟(jì)、快捷的方法，而提高管徑、增加輸送壓力則是提高管道運(yùn)輸效率的最有效途徑。此前，相關(guān)研究多集中于如何提高管線鋼鋼級(jí)，采用提高管線鋼強(qiáng)度的方法實(shí)現(xiàn)高壓輸送[3]。然而，隨著強(qiáng)度的提高，韌性降低問題無法有效解決。X90以上鋼級(jí)管線鋼尚不具備批量使用的條件[4]。如今，管線鋼的研究熱點(diǎn)轉(zhuǎn)為寬幅厚規(guī)格產(chǎn)品的研發(fā)和穩(wěn)定生產(chǎn)方面。

國內(nèi)大多數(shù)具備卷板生產(chǎn)能力的企業(yè)均可穩(wěn)定生產(chǎn)X80及以下鋼級(jí)管線鋼，但能夠穩(wěn)定生產(chǎn)厚規(guī)格X70和X80管線鋼的企業(yè)卻寥寥無幾。即使部分企業(yè)能夠供貨，其成材率和穩(wěn)定性也存在很大問題。究其原因在于厚規(guī)格產(chǎn)品的韌性、尤其是DWTT性能無法穩(wěn)定控制，這已經(jīng)成為厚規(guī)格管線鋼產(chǎn)品生產(chǎn)的主要瓶頸[5]。厚規(guī)格管線鋼的韌性穩(wěn)定控制是一個(gè)很復(fù)雜的問題，本文針對這一問題在合金設(shè)計(jì)方面進(jìn)行研究和探討，并提出合理的合金設(shè)計(jì)理念，現(xiàn)場應(yīng)用獲得較理想的效果。

研究方法及測試技術(shù)

試樣制備

首先使用JMatPro軟件，通過理論計(jì)算研究Cr和Mo合金對相變的影響。然后，利用100 kg真空感應(yīng)爐分別冶煉不添加Cr和以及采用Cr部分替代Mo合金的試驗(yàn)鋼，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室鍛造，采用控軋控冷技術(shù)制備成18 mm厚板材，終軋溫度控制在880℃，冷卻到450℃后，移入馬弗爐中緩冷處理，以模擬卷取工藝。兩種成分的試驗(yàn)鋼均采用相同工藝生產(chǎn)，試驗(yàn)鋼成分如表1所示。

表1 試制鋼板的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

測試技術(shù)

拉伸實(shí)驗(yàn)采用CMT30微機(jī)控制電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)，實(shí)驗(yàn)溫度為室溫(25℃)，結(jié)果按照GB/T 228—2002“金屬材料室溫拉伸實(shí)驗(yàn)方法”直接通過測試軟件得出。沖擊試驗(yàn)按照國標(biāo)GB/T 229—1994測試，試驗(yàn)設(shè)備為JBW-500沖擊試驗(yàn)機(jī)，沖擊能量為500 J·cm–2，測試溫度為–40℃。為了考察沖擊韌性的穩(wěn)定性，對兩樣品分別進(jìn)行30組沖擊試驗(yàn)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。金相組織和斷口組織分析使用金相顯微鏡(OLYMPUS-BX51)和掃描電鏡(SSX-550)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

組織與沖擊韌性

管線鋼沖擊韌性是最重要的指標(biāo)之一，厚規(guī)格管線鋼研發(fā)難度主要在韌性的穩(wěn)定控制方面。管線鋼組織對沖擊韌性影響非常明顯，這方面研究也相對較多[6]。一般認(rèn)為管線鋼以粒狀貝氏體為主，同時(shí)含有少量準(zhǔn)多邊形鐵素體和貝氏體鐵素體的混合組織對提高韌性有利，混合組織因大角度晶界較多，對裂紋擴(kuò)展阻礙作用顯著。

截取DWTT沖擊斷口下部組織進(jìn)行分析，如圖1所示。分析發(fā)現(xiàn)，厚規(guī)格管線鋼因淬透性較差，靠近心部組織以粒狀貝氏體為主，且組織中MA組元較多，尺寸較大，呈獨(dú)立分布形貌特征。經(jīng)掃描電鏡檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，二次裂紋大部分在MA組元位置萌生和擴(kuò)展。而且，靠近斷口位置MA組元萌生的裂紋已經(jīng)擴(kuò)展并連接到一起。進(jìn)而可以推斷，該樣品沖擊斷裂與MA組元有直接關(guān)系。

為了進(jìn)一步研究MA組元對沖擊韌性的影響，分別選取實(shí)際生產(chǎn)的不同沖擊韌性實(shí)驗(yàn)殘樣進(jìn)行金相組織分析，統(tǒng)計(jì)宏觀MA組元含量與沖擊韌性之間的關(guān)系，結(jié)果如圖2所示。隨著MA組元含量增加，沖擊韌性呈明顯降低趨勢。統(tǒng)計(jì)結(jié)果與金相分析結(jié)果一致，即管線鋼組織以粒狀貝氏體為主時(shí)，MA組元含量減少有利于提高沖擊韌性。

成分與組織

Mo是提高淬透性較理想的合金元素，特別是高級(jí)管線鋼，添加一定含量的Mo可以顯著推遲鐵素體轉(zhuǎn)變，獲得針狀鐵素體組織，有利于提高管線鋼韌性。但在研發(fā)厚規(guī)格管線鋼時(shí)發(fā)現(xiàn)，Mo含量添加過多韌性反而降低。對一批次23爐X80管線鋼現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)回歸發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Mo含量0.2%～0.3%時(shí)，隨著Mo含量增加，X80管線鋼沖擊韌性呈現(xiàn)降低趨勢。

圖1 管線鋼沖擊斷口組織形貌特征

圖2 MA組元含量對沖擊韌性的影響

對比同批次生產(chǎn)不同Mo含量管線鋼金相組織中MA組元情況，如圖3所示，當(dāng)Mo質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.21%增加至0.26%時(shí)，MA組元由6.1%增加至11.8%，沖擊韌性則由385 J降低至285 J。進(jìn)一步說明，Mo含量增加導(dǎo)致管線鋼中MA組元增加，引起沖擊韌性降低。因此，對于厚規(guī)格管線鋼，應(yīng)限制Mo合金的添加量，但為了保障心部組織淬透性，需要采用其他合金部分替代Mo合金。

因此，采用JMatPro軟件對多種合金進(jìn)行計(jì)算和分析，最終提出Cr合金可以部分替代管線鋼中Mo合金的方案，理論計(jì)算不同合金設(shè)計(jì)條件下管線鋼的CCT曲線如圖4所示，成分如表1所示。

圖3 不同Mo含量管線鋼中的MA組元含量

圖4 Cr部分替代Mo合金條件下管線鋼的CCT曲線

厚規(guī)格管線鋼實(shí)際生產(chǎn)采用的冷卻速率通常為25～40℃/s，理論計(jì)算結(jié)果表明，采用Cr部分替代Mo合金的成分設(shè)計(jì)，同樣可以獲得鐵素體、貝氏體混合組織，同時(shí)可以有效避免組織中形成馬氏體，即減少M(fèi)A組元的形成。因此，采用該成分設(shè)計(jì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室冶煉和軋制工作，制備18 mm厚度板材，進(jìn)行相關(guān)測試工作。

力學(xué)性能

對比兩種合金設(shè)計(jì)方案力學(xué)性能測試結(jié)果表明，添加Cr部分替代Mo合金，管線鋼的強(qiáng)度變化不明顯，但沖擊韌性發(fā)生顯著變化。–40℃沖擊試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，采用Cr部分替代Mo合金，管線鋼沖擊韌性明顯提升。此外，沖擊韌性數(shù)據(jù)波動(dòng)范圍也明顯變窄，即減少M(fèi)o合金，添加少量Cr合金后沖擊韌性穩(wěn)定提高。

對比不同成分設(shè)計(jì)試驗(yàn)鋼金相組織發(fā)現(xiàn)，Mo含量降低后，斷口組織中MA組元明顯減少，準(zhǔn)多邊形鐵素體略有提高，如圖5所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果一致，減少管線鋼中Mo合金含量，采用添加Cr合金的方式提高管線鋼淬透性，使得管線鋼組織中MA組元減少，進(jìn)而起到提高沖擊韌性的目的。

圖5 不同成分管線鋼沖擊斷口組織形貌特征

依據(jù)上述研究結(jié)果，現(xiàn)場進(jìn)行試制，對比前后兩批次不同成分設(shè)計(jì)管線鋼力學(xué)性能，采用Cr部分替代Mo合金化方法后，管線鋼沖擊韌性穩(wěn)定提高35 J，落錘撕裂性能DWTT數(shù)據(jù)穩(wěn)定，現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果相吻合。此后，在21.4 mm厚規(guī)格管線鋼的研發(fā)生產(chǎn)過程中，也采用了這項(xiàng)技術(shù)，所生產(chǎn)的厚規(guī)格管線鋼性能穩(wěn)定，DWTT性能提升顯著。

結(jié)束語

(1) 厚規(guī)格管線鋼DWTT性能不穩(wěn)定與組織中MA組元較多有關(guān)，斷口金相分析以及統(tǒng)計(jì)結(jié)果均表明，MA組元易萌生微裂紋并有利于裂紋擴(kuò)展，而隨著MA組元含量的增加，管線鋼韌性降低明顯。為了提高管線鋼韌性，尤其是DWTT性能，需要嚴(yán)格控制組織中MA組元的含量。

(2) 為了提高淬透性，管線鋼中需添加較多的Mo合金，有利于獲得準(zhǔn)多邊形鐵素體和粒狀貝氏體混合組織，對提高管線鋼強(qiáng)度和韌性有利，但Mo導(dǎo)致MA組元形成數(shù)量增加，對提高韌性不利。因此，厚規(guī)格管線鋼應(yīng)適當(dāng)控制Mo合金的添加量。

(3) 理論計(jì)算表明，Cr可以部分替代Mo合金，保障獲得足夠的準(zhǔn)多邊形鐵素體和粒狀貝氏體，同時(shí)有利于減少M(fèi)A組元形成。–40℃沖擊試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，采用Cr部分替代Mo合金后，管線鋼沖擊韌性明顯提升。此外，沖擊韌性數(shù)據(jù)波動(dòng)范圍也明顯變窄，即減少M(fèi)o合金，添加少量Cr合金以后沖擊韌性穩(wěn)定提高。

(4) 采用Cr部分替代Mo合金的成分設(shè)計(jì)，工業(yè)生產(chǎn)出性能穩(wěn)定的厚規(guī)格(21.4 mm)X80管線鋼。