周文浩

(湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司技術(shù)質(zhì)量部，湖南 湘潭 411101)

為降低石油、天然氣長輸管道運(yùn)行成本，提高輸送效率，管線鋼不斷向高強(qiáng)韌、大壁厚、大口徑等方向發(fā)展[1]。落錘撕裂試驗(yàn)(Drop Weight Tear Test，DWTT)性能是確保管線鋼安全運(yùn)行的關(guān)鍵指標(biāo)，API Spec 5L、ISO 3183、GB/T 9711等標(biāo)準(zhǔn)均要求管線鋼的DWTT斷口剪切面積不低于85%[2-3]。然而隨著管線鋼強(qiáng)度提高、厚度增加、管徑更大、服役溫度更低，DWTT性能已成為管線鋼工程應(yīng)用的瓶頸[4-5]。

對管線鋼DWTT性能的組織機(jī)理已有大量研究。劉清友等人[6-7]證實(shí)了相變前奧氏體晶粒尺寸和室溫組織中的馬奧島是影響厚規(guī)格X80管線鋼DWTT性能的兩大主要因素；同時(shí)指出有效晶粒尺寸(取向差15°以上的大角度晶粒)對衡量管線鋼DWTT性能有著至關(guān)重要的作用，有效晶粒尺寸越細(xì)小，DWTT斷口剪切面積越高。張小立等人[8]利用EBSD對影響管線鋼韌性的晶體學(xué)參數(shù)進(jìn)行了研究，同樣得到晶粒尺寸越細(xì)、有效晶粒越小、大角度晶界比例越高，管線鋼的韌性越好的結(jié)論。張偉衛(wèi)等人[9]認(rèn)為消除帶狀組織、減小組織的不均勻性對改善厚壁管線鋼低溫落錘性能有顯著作用，而高硬度粗大的馬奧島組織帶會(huì)嚴(yán)重惡化DWTT性能。楊小龍等人[10]也指出珠光體等扁平細(xì)長條狀組織對DWTT性能不利，容易導(dǎo)致出現(xiàn)斷口分離現(xiàn)象；同時(shí)研究了織構(gòu)取向?qū)g性的影響，指出{001}織構(gòu)是對韌性不利的組分，而{112}織構(gòu)是對韌性有利的組分。Yu[11]也表明了這一觀點(diǎn)，{112}織構(gòu)取向能夠顯著減小鋼板各向異性并具有良好的止裂能力，此時(shí)解理面易于形成分支裂紋，可以顯著減小裂紋前端的應(yīng)力擴(kuò)大系數(shù)，提高鋼板阻滯裂紋傳播的能力。由此可見，獲得細(xì)小均勻的組織、減小有效晶粒尺寸、增加大角度晶界比例、減少粗大馬奧島數(shù)量和條帶狀組織、以及獲得{112}有利取向織構(gòu)等均有利于提高DWTT性能。而這些組織的獲得又與原始奧氏體晶粒尺寸及其狀態(tài)密切相關(guān)。已有研究表明[12-13]，粗大、不均勻的原始奧氏體組織相變后獲得的組織也較粗大、不均勻，容易出現(xiàn)大尺寸的多邊形鐵素體和粒狀貝氏體；粗大、形變大的原始奧氏體晶粒更加穩(wěn)定，馬奧島數(shù)量增加，尺寸變大，并且容易產(chǎn)生帶狀組織。孫憲進(jìn)等人[14]認(rèn)為原始奧氏體晶?？纱碛行ЬЯ?，原始奧氏體晶粒細(xì)小時(shí)，奧氏體內(nèi)部的變體選擇對大角度晶界密度有明顯貢獻(xiàn)。劉文月等人[15]在總結(jié)控軋控冷對織構(gòu)及韌性的影響時(shí)，指出變形既強(qiáng)化了有利于韌性的{112}織構(gòu)，同時(shí)也增加了不利于韌性的{001}織構(gòu)。馬慧君[16]認(rèn)為適當(dāng)?shù)脑紛W氏體變形有利于{001}、{111}、{112}等織構(gòu)的產(chǎn)生，但變形量從30%提高至50%時(shí)織構(gòu)密度變化很小。章傳國等人[17]在研究精軋壓縮比對厚規(guī)格管線鋼DWTT性能的影響時(shí)，也表明采用適當(dāng)?shù)木垑嚎s比有利于獲得細(xì)小均勻的以大角度晶界為主的室溫組織，而過小或過大的精軋壓縮比均對提高DWTT性能不利?？梢娺^量的原始奧氏體形變不一定能獲得韌性的改善，但Sung等人[18]表明終軋?jiān)诮咏R界轉(zhuǎn)變溫度變形時(shí)可以強(qiáng)化{112}織構(gòu)，有利于X80管線鋼落錘撕裂性能的提高。總之，原始奧氏體晶粒尺寸及其形變程度、變形溫度等對管線鋼DWTT性能有著重要影響。然而對大壁厚大口徑高強(qiáng)韌管線鋼，由于鋼板板厚較厚、寬度又寬，因此如何設(shè)定合理的生產(chǎn)工藝以獲得有利于DWTT性能的原始奧氏體組織仍需要更多的工業(yè)試驗(yàn)研究。

本文以板厚為30.8 mm、管徑為1 422 mm的X80M管線鋼為研究對象，對5種軋制工藝試制的管線鋼板進(jìn)行微觀組織和DWTT性能對比分析，為優(yōu)選大壁厚大口徑高強(qiáng)韌管線鋼的控軋工藝提供依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料為中俄東線用X80M管線鋼，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical compositions of experimental steel (wt.%)

實(shí)驗(yàn)采用連鑄坯，鑄坯尺寸為300 mm×2 280 mm，即壓縮比為9.74、展寬比為1.91。鑄坯采用冷裝入爐，加熱工藝基本保持一致，出爐溫度控制在(1 180±10) ℃左右。出爐除鱗后進(jìn)行粗軋和精軋的兩階段控制軋制，中間坯為90 mm。軋后均以15～20 ℃/s的冷速加速冷卻至320～380 ℃。具體控制軋制工藝參數(shù)如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)鋼的控軋工藝Table 2 Controlled rolling processes of experimental steel

工藝1～工藝3的精軋工藝基本相同，采用低速多道次低壓下率的軋制方式，精軋共進(jìn)行13道次、道次最大軋制速度低于4.0 m/s、最大壓下率在10.5%以下，同時(shí)采用低溫軋制，控制精軋終軋溫度在(760±5)℃的范圍。但是3個(gè)工藝的粗軋工藝相差較大，工藝1的粗軋采用高溫軋制，粗軋結(jié)束溫度高；工藝2的粗軋采用增加軋制道次數(shù)以控制結(jié)束溫度在較低溫度；工藝3的粗軋同樣保證在較低的結(jié)束溫度軋制，為此采用倒數(shù)第二道次和倒數(shù)第一道次軋制前都待溫較長時(shí)間的方式來實(shí)現(xiàn)。

工藝4和工藝5的粗軋工藝與工藝3的粗軋工藝基本一致，控制倒數(shù)第二道次軋制前待溫時(shí)間在(200±10) s左右、倒數(shù)第一道次軋制前待溫時(shí)間在(50±10) s左右，使粗軋結(jié)束溫度控制在(980±5)℃的范圍。但兩種工藝的精軋工藝變化較大，工藝4的精軋采用典型的“低溫大壓下”軋制方式，減少軋制道次數(shù)至9道，同時(shí)降低開軋溫度、提高道次壓下率和軋制速度、縮短道次間隔時(shí)間，使精軋終軋溫度保持與工藝3一致，并獲得較多的壓扁形變組織；而工藝5的精軋采用“高溫軋制”方式，同樣采用較少的軋制道次數(shù)和較高的道次壓下率和軋制速度，但提高精軋開軋溫度使終軋溫度提高至820 ℃。

將每塊試制鋼板頭部切除1 000 mm左右，然后從頭部板寬1/4處取2個(gè)全厚度橫向DWTT試樣，依據(jù)SY/T 6476標(biāo)準(zhǔn)在JL-50000落錘試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行-20 ℃的DWTT試驗(yàn)，檢測各試樣斷口的纖維撕裂面積。在每塊試制鋼板板厚1/4處取橫向金相試樣，經(jīng)機(jī)械研磨、拋光后，工藝1～工藝3試樣采用3%體積分?jǐn)?shù)的硝酸酒精腐蝕，然后利用Imager M2m光學(xué)顯微鏡對微觀組織進(jìn)行觀察；工藝3～工藝5試樣在高氯酸、乙酸混合溶液中進(jìn)行電解拋光，然后借助電子背散射衍射(Electron back-scatter diffraction, EBSD)進(jìn)行晶粒取向掃描，并使用EDAX-TSL EBSD分析軟件對所測的EBSD數(shù)據(jù)進(jìn)行有效晶粒度、晶界特性及相分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同控軋工藝對實(shí)驗(yàn)鋼DWTT性能的影響

圖1示出了5種控軋工藝鋼板的DWTT性能檢測結(jié)果。結(jié)果表明，工藝3鋼板的DWTT性能最優(yōu)，DWTT斷口剪切面積均值為94%；工藝2鋼板次之；而工藝4鋼板已不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；工藝1和工藝5鋼板的DWTT性能則明顯惡化。

圖1 不同控軋工藝鋼板的DWTT性能Fig.1 DWTT properties of steel plates produced by different controlled rolling processes

觀察DWTT斷口形貌，如圖2所示。工藝1試樣的DWTT斷口出現(xiàn)明顯的三角脆性區(qū)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)按正常斷口評(píng)定DWTT剪切面積；工藝2試樣的DWTT斷口為典型的異常斷口，缺口側(cè)主要發(fā)生韌性斷裂，應(yīng)按照異常斷口評(píng)定方法，將缺口側(cè)和錘擊側(cè)各扣除19 mm后再評(píng)定，其DWTT性能可以評(píng)定合格，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；工藝3試樣的DWTT斷口主要為纖維斷口，僅在錘擊側(cè)出現(xiàn)少量解理形貌；工藝4試樣的DWTT斷口為傾斜斷口，斷口表面附近有大量區(qū)域與軋面呈一定角度撕裂，但中心的脆性斷裂幾乎貫穿；工藝5試樣的DWTT斷口主要發(fā)生脆性斷裂，大部分區(qū)域呈現(xiàn)光澤或結(jié)晶狀，僅在表面附近有少量韌性區(qū)域。

圖2 5種控軋工藝鋼板的DWTT斷口形貌Fig.2 DWTT fracture morphologies of steel plates produced by five kinds of controlled rolling processes: (a) process 1; (b) process 2; (c) process 3; (d) process 4; (e) process 5

結(jié)合控軋工藝分析，粗軋采用高溫軋制，DWTT斷口容易出現(xiàn)三角脆性區(qū)；采用低溫軋制，DWTT斷口由正常斷口向異常斷口轉(zhuǎn)變，使DWTT性能的評(píng)定方法改變，DWTT性能大幅提升；同時(shí)采用較大的道次壓下率，并使軋制后有足夠的時(shí)間發(fā)生充分再結(jié)晶，DWTT性能能夠得到進(jìn)一步改善。精軋采用較多道次，并降低道次壓下率、提高軋制速度、延長軋后間隔時(shí)間，使軋制變形產(chǎn)生較小的加工硬化，并通過較充分的回復(fù)使之有較低的位錯(cuò)密度，這種“回復(fù)-變形”的軋制方式比傳統(tǒng)的低溫大壓下軋制方式使大壁厚X80M管線鋼有著更優(yōu)異的DWTT性能；而精軋采用高溫軋制對DWTT性能極為不利。

2.2 不同粗軋工藝鋼板的微觀組織特征

對工藝1～工藝3鋼板的微觀組織進(jìn)行對比分析，如圖3所示。由于再結(jié)晶晶粒及其長大受溫度的影響頗大[19]，經(jīng)工藝1高溫粗軋后，奧氏體晶粒尺寸較大。隨后未再結(jié)晶區(qū)精軋時(shí)，大晶粒壓扁變形，并在晶界處聚集較多位錯(cuò)等缺陷。加速冷卻過程中，鐵素體和貝氏體易在能量較高的晶界上形核，導(dǎo)致相變完成后仍能在金相組織中觀察到呈壓扁狀態(tài)的原奧氏體晶界，如圖3(a)中白色箭頭所示。而這種帶方向性的面缺陷在落錘撕裂破壞過程中易成為裂紋擴(kuò)展的通道，使材料發(fā)生脆性的沿晶斷裂，尤為對材料的低溫DWTT性能不利，因此粗軋的終軋溫度應(yīng)控制在較低溫度；工藝2和工藝3均符合這一思路，但工藝2采用的增加軋制道次數(shù)將使軋制的道次壓下率變小。由軋制溫度和道次壓下率對再結(jié)晶分?jǐn)?shù)的影響規(guī)律可知[20]，再結(jié)晶充分完成時(shí)間需要更長的時(shí)間，這可能導(dǎo)致發(fā)生部分再結(jié)晶而出現(xiàn)混晶，冷卻后較大尺寸的晶粒將形成硬相的貝氏體，如圖3(b)中白色圓圈所示。這種不均勻的組織對DWTT性能有一定影響；而工藝3在后兩道的低溫軋制時(shí)，保證有足夠的間隔時(shí)間使再結(jié)晶發(fā)生完全，并獲得較細(xì)小的奧氏體晶粒，從而最終得到有利于DWTT性能的細(xì)小均勻組織(圖3(c))。

圖3 3種不同粗軋工藝鋼板的微觀組織Fig.3 Microstructure of steel plates produced by three different roughing processes: (a) process 1; (b) process 2; (c) process 3

2.3 不同精軋工藝鋼板的微觀組織特征

圖4示出了工藝3～工藝5這3種不同精軋工藝鋼板的EBSD組織的有效晶粒度情況。所測的晶粒度為尺寸大于2 μm的bcc大角度晶粒，圖中同一種顏色代表同一種取向，紅色為{001}、藍(lán)色為{111}、綠色為{110}、青色為{112}。

圖4 3種不同精軋工藝鋼板的EBSD有效晶粒圖Fig.4 EBSD of effective grain size of steel plates produced by three different finishing processes: (a) process 3; (b) process 4; (c) process 5

從測量的結(jié)果來看，采用高溫軋制的工藝5鋼板的晶粒較大；使用“回復(fù)-變形”工藝和“低溫大壓下”工藝的工藝3和工藝4鋼板的晶粒度相差不大，但“低溫大壓下”工藝鋼板的晶粒呈壓扁程度更大，紅色的{001}取向比例較高；而“回復(fù)-變形”工藝鋼板以青色{112}取向居多。這表明“回復(fù)-變形”軋制工藝可以控制有利織構(gòu)的形成，從而有利于改善鋼板的DWTT性能。3種不同精軋工藝鋼板的晶粒量化情況如表3所示。

表3 3種不同精軋工藝鋼板的有效晶粒度情況Table 3 Effective grain size of steel plates produced by three different finishing processes

3種不同精軋工藝鋼板的EBSD組織晶粒特性如圖5所示。圖中紅色線代表取向差為15°以上的，綠色線代表取向差為10°～15°，黑色代表取向差為2°～10°。由圖可見，鐵素體與鐵素體之間大部分為大角度晶界。這可能是在原始奧氏體晶界上形成的，同時(shí)鐵素體中小角度晶界很少，而貝氏體中較多。3種精軋工藝相比，“回復(fù)-變形”工藝鋼板的大角度晶界較多，取向差在10°以上的比例達(dá)到60%以上；而“高溫軋制”工藝和“低溫大壓下”工藝鋼板的小角度晶界較多。

圖5 3種不同精軋工藝鋼板的EBSD組織晶界特性Fig.5 EBSD of grain boundary characteristics of steel plates produced by three different finishing processes: (a) process 3; (b) process 4; (c) process 5

3種不同精軋工藝鋼板的EBSD組織相分析如圖6所示。圖中黑色地方為標(biāo)定率低的地方，一般為晶體缺陷較高的地方，紅色地方為殘余奧氏體，綠色地方為滲碳體。由相分析可知，“回復(fù)-變形”工藝鋼板的殘余奧氏體比較彌散分布；“低溫大壓下”工藝鋼板的黑色區(qū)域相對較多，形成的晶體缺陷更高，滲碳體含量較多，表明伴隨有滲碳體形成的中高溫相變較多，低溫相變的馬氏體及殘余奧氏體量較少，但多分布在晶體缺陷較高的地方；“高溫軋制”工藝鋼板的晶體缺陷較少，殘余奧氏體含量最高、滲碳體含量明顯降低，馬氏體相變趨勢增加?？梢?，殘余奧氏體量增加、馬氏體相變程度增大，不利于大壁厚大口徑X80M管線鋼的DWTT性能，而彌散細(xì)小分布的殘余奧氏體(馬奧島)對DWTT性能的影響較小。3種精軋工藝鋼板的EBSD組織相分析量化情況如表4所示。

圖6 3種不同精軋工藝鋼板的EBSD組織相分析Fig.6 EBSD phase analysis of steel plates produced by three different finishing processes: (a) process 3; (b) process 4; (c) process 5

表4 3種不同精軋工藝鋼板的EBSD組織相分析結(jié)果Table 4 EBSD phase analysis results of steel plates produced by three different finishing processes

3 結(jié) 論

1)控軋工藝對管線鋼的DWTT性能影響頗大。粗軋采用低溫軋制，并保證道次壓下率及軋后充分再結(jié)晶；精軋采用較小道次變形并充分回復(fù)后再變形的“回復(fù)-變形”的軋制方式，對提高大壁厚大口徑高強(qiáng)韌管線鋼X80M的DWTT性能有利。對壁厚為30.8 mm、管徑為1 422 mm的X80M管線鋼，-20 ℃溫度下的全厚度DWTT性能可達(dá)到94%，滿足管線鋼安全運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)要求。

2)進(jìn)一步闡明減小原始奧氏體晶粒尺寸、提高奧氏體晶粒均勻性、提高具有良好止裂能力的{112}取向晶粒數(shù)量、細(xì)化有效晶粒尺寸、增加大角度晶界比例、減少粗大馬奧島的數(shù)量和尺寸等，有利于提高DWTT性能。但生產(chǎn)工藝、組織表征、斷裂行為之間的內(nèi)在機(jī)理還需更深入的研究。