X80高鋼級(jí)管線鋼組織圖譜

張小立

(中原工學(xué)院,鄭州 450007)

X80高鋼級(jí)管線鋼組織圖譜

張小立

(中原工學(xué)院,鄭州 450007)

對(duì)X80管線鋼的各種組織形態(tài)進(jìn)行了歸納和總結(jié),探討了有效晶粒對(duì)X80鋼級(jí)管線鋼韌性指標(biāo)的影響,利用EBSD研究了管線鋼中第二相的分布和與強(qiáng)韌性的關(guān)系,利用原位電鏡技術(shù)研究了該鋼級(jí)管線鋼的斷裂機(jī)理.

X80鋼級(jí)管線鋼;圖譜;SEM;EBSD;原位動(dòng)態(tài)拉伸;MA島;針狀鐵素體;條狀鐵素體

1985年,API標(biāo)準(zhǔn)中增加了 X80鋼級(jí),隨后在一些管線工程中X80鋼開始部分使用.為節(jié)省管線工程的建設(shè)投資、降低運(yùn)輸費(fèi)用,采用高強(qiáng)度等級(jí)的管線鋼更加經(jīng)濟(jì)和合理,并對(duì)管道用鋼管可靠性的要求越來(lái)越高,要求其具有高強(qiáng)度、高的低溫止裂韌性以及良好的焊接性,對(duì)特殊地區(qū)的管線鋼還要求具有抗 H2S腐蝕及抗大應(yīng)變的能力.目前,全球已建立的X80管線長(zhǎng)約2 000 km,如表1所示.

我國(guó)已建西氣東輸工程中采用的是X70鋼級(jí)管線鋼,在擬將建設(shè)的西氣東輸二線工程及中亞管線工程中計(jì)劃全部采用X80鋼級(jí)管線鋼.其中二線工程干線長(zhǎng)為3 959 km,支線長(zhǎng)為2 842 km,總用量為430萬(wàn)t.可以預(yù)料,今后幾年我國(guó)即將建設(shè)的中土、中哈和中俄等洲際天然氣長(zhǎng)輸管線將首選X80鋼級(jí),總輸氣量是西氣東輸工程的5～6倍,建設(shè)規(guī)模將大大超過(guò)西氣東輸一線工程.

表1 全球已建設(shè)的X80管線項(xiàng)目

在西氣東輸X70管線鋼應(yīng)用基礎(chǔ)研究中,曾對(duì)管線鋼的組織及成分、組織與性能相關(guān)性進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究,在管線鋼的開發(fā)與性能優(yōu)化方面取得了良好的效果.從目前國(guó)內(nèi)進(jìn)行的X80管線鋼及管線鋼管的試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果來(lái)看,存在組織/性能不均勻、性能不穩(wěn)定、有的性能指標(biāo)偏低,甚至出現(xiàn)不合格現(xiàn)象,對(duì)于X80及以上鋼級(jí)管線鋼的組織、成分、組織與性能相關(guān)性有必要進(jìn)行深入研究,進(jìn)一步掌握高強(qiáng)度管線鋼成分、組織和性能之間的內(nèi)在聯(lián)系,以期通過(guò)恰當(dāng)?shù)墓に嚝@得組織和性能優(yōu)異的X80管線鋼及管線鋼管.

本文對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有若干廠家 X80鋼管的各種組織及組織組成進(jìn)行了總結(jié)和研究,編制了X80管線鋼的組織圖譜,期望對(duì)西氣東輸二線工程和其他管線工程X80級(jí)鋼管用鋼提供借鑒和指導(dǎo).

1 試 驗(yàn)

在對(duì)系列管線鋼各種組織的研究中,主要選擇了國(guó)內(nèi)4個(gè)廠家的X80級(jí)鋼和1個(gè)國(guó)外廠家的X80級(jí)鋼進(jìn)行研究.分析手段有金相顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡、EBSD和原位動(dòng)態(tài)拉伸掃描分析等.

透射電鏡分析表明,X80管線鋼中MA島較少,鐵素體類型主要為等軸狀、條狀和針狀.

2 X80管線鋼金相組織類型

現(xiàn)有X80管線鋼的金相組織均為粒狀貝氏體、多邊鐵素體和珠光體的混合組織,只是各相組成的含量和尺寸有差異.金相分析結(jié)果表明,現(xiàn)有X80管線鋼晶粒度為12.0級(jí)和11.6級(jí),如圖1所示.

3 X80管線鋼掃描組織

為了準(zhǔn)確掌握各高鋼級(jí)管線鋼的相組織形態(tài),進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行了SEM掃描電鏡觀察,其組織見圖2.從圖2可以看出,X80管線鋼之間的區(qū)別在于貝氏體相的多少.

對(duì)于1#和2#X80管線鋼,鐵素體形狀都顯示被拉長(zhǎng),成細(xì)條狀,呈典型的針狀鐵素體形貌,而3#和4#X80管線鋼的鐵素體晶粒呈等軸多邊形;在鐵素體晶粒內(nèi)和晶粒界面處,以上高鋼級(jí)管線鋼都存在由MA島構(gòu)成的貝氏體粒,所不同的是2#和4#的貝氏體粒細(xì)小彌散,而1#和3#的貝氏體粒較為粗大,成片狀.同以上各X80管線鋼相比,3#的貝氏體組織所占比例很高.因而由以上可見,2#X80管線鋼應(yīng)該擁有極佳的力學(xué)性能,而3#X80管線鋼應(yīng)搞擁有較高的強(qiáng)度和硬度.

目前,對(duì)于不同種類的高強(qiáng)度鋼,分別建立了“形變誘導(dǎo)鐵素體相變(D IFT)”、“馳豫析出控制相變(RPC)”和“針狀鐵素體”3種理論體系.針狀鐵素體管線鋼的形成過(guò)程為:低碳微合金管線鋼在奧氏體再結(jié)晶溫度區(qū)間粗軋后,在奧氏體未再結(jié)晶溫度 Tnr～Ar3的溫度區(qū)間進(jìn)行軋制,或進(jìn)入Ar3以下的γ+α兩相區(qū)進(jìn)行軋制,終軋后冷卻速度控制在10～30℃/s,終軋溫度在400～600℃,最終獲得超細(xì)化的針狀鐵素體結(jié)構(gòu).由于各廠家在生產(chǎn)高鋼級(jí)管線鋼的過(guò)程中,選擇的軋制工藝、冷卻速率及最終的熱處理工藝不同,致使管線鋼形成的針狀鐵素體晶粒度不同、含量不同.

針狀鐵素體是低碳鋼(C＜0.15%)典型的貝氏體組織,由帶有高位錯(cuò)密度的板條鐵素體晶粒組成,若干鐵素體板條平行排列構(gòu)成板條束,一個(gè)奧氏體晶?？尚纬珊芏喟鍡l束,板條界為小角度晶界,板條束界面則為大角度晶界.針狀鐵素體所以具有較高的韌性,是因?yàn)榱鸭y在擴(kuò)展過(guò)程中不斷受到彼此咬合、互相交錯(cuò)分布的針狀鐵素體的阻礙.而彌散分布的貝氏體粒,可以起到細(xì)晶強(qiáng)化和韌化的作用.

實(shí)際上,由位于晶界的細(xì)小彌散貝氏體粒和針狀鐵素體形成的高鋼級(jí)管線鋼組織,就相當(dāng)于短纖維增強(qiáng)和顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料.短纖維具有使裂紋偏轉(zhuǎn)反射的作用,而位于晶界的硬相—貝氏體?？梢允棺冃沃械奈诲e(cuò)釘扎,從而使強(qiáng)度進(jìn)一步提高.

在貝氏體中,C、M n含量都較鐵素體中高.M n具有降低鋼液中的氧含量,消除硫的有害影響,從而提高鋼的強(qiáng)度和硬度的作用.C是決定鋼材性能的最主要元素,C含量高意味著其強(qiáng)度、硬度增高[2].因而貝氏體中的高C、M n含量使得貝氏體相擁有較高的強(qiáng)度和硬度,增加組織中的貝氏體含量將使得鋼材整體強(qiáng)度和硬度提高.

4 X80管線鋼透射組織形貌

在X80管線鋼中,鐵素體有呈等軸狀的,也有呈條狀的,還有呈針狀的.其形貌分別如圖3、圖4、圖5所示.

圖5 X80管線鋼中的針狀鐵素體形貌

總體觀察,MA島較少.MA島的形貌如圖6、圖7所示.

在MA島中,同時(shí)能觀察到很多條狀組織,如圖8-圖11所示.

通過(guò)觀察還發(fā)現(xiàn),MA島少而小,并伴隨有Fe3C條以及馬氏體島,馬氏體島有大有小(如圖12、圖13所示);X80鋼斷口上的組織形貌主要顯示條狀、針狀和等軸鐵素體的共存形貌,并且鐵素體較寬,約500 nm.

5 X80管線鋼EBSD有效晶粒圖譜與材料韌性指標(biāo)

晶粒細(xì)小時(shí),外力可以由更多細(xì)小的晶粒所承受,晶粒內(nèi)部和晶界附近的應(yīng)變度相差小,因而材料受力均勻,應(yīng)力集中較小,裂紋不易產(chǎn)生.即使產(chǎn)生了微裂紋,由于晶粒細(xì)小,晶界較多,而且相鄰晶粒具有不同的位向,于是當(dāng)塑性變形或微裂紋由一個(gè)晶粒穿越晶界進(jìn)入另一晶粒時(shí),塑性變形或微裂紋將在晶界受阻.同時(shí),一旦塑性變形或微裂紋穿過(guò)晶界后,滑移方向或裂紋擴(kuò)展方向發(fā)生改變時(shí),必然消耗更多的能量.

Naylo r J P在對(duì)有效晶粒的分析中,用數(shù)學(xué)式描述了裂紋通過(guò)這種有效晶粒的晶界時(shí)所需要的裂紋擴(kuò)展抗力σ[1],即

圖12 馬氏體島的特征

圖13 27000X Fe3 C條

式中:E—彈性模量;ac—裂紋臨界尺寸;W—板條界上偏斜塑性功;D—板條束寬度;d—板條寬度.可見,裂紋擴(kuò)展抗力σ與有效晶粒尺寸D-1/2具有線性關(guān)系,反映在韌脆轉(zhuǎn)變溫度曲線上,就是隨著有效晶粒尺寸的減小,韌脆轉(zhuǎn)變溫度降低.

觀察圖14-圖16可知,系列高鋼級(jí)管線鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度正是隨著有效晶粒度的降低(X65＞H YX80＞JFX70＞JFX80＞JLX80)而依次降低.

圖14 系列產(chǎn)品有效晶粒尺寸分布

對(duì)于有效晶粒尺寸相差不大的管線鋼(如表2所示)JFX80、JFX70、HYX80、X65,它們的晶粒取相差分布JFX80、H YX80、X65比較接近,而JFX70表現(xiàn)出較強(qiáng)的織構(gòu),如圖17所示.在JFX70中,這種形變織構(gòu)導(dǎo)致管線鋼的織構(gòu)強(qiáng)化,同樣也使韌性發(fā)生變化,一般認(rèn)為織構(gòu)的存在使得管線鋼的上階能降低,但是考慮到該管線鋼大角度晶界和小角度晶界的比值很高,所以該管線鋼表現(xiàn)出較好的韌性.

表2 系列高鋼級(jí)管線鋼大角度晶界數(shù)量與小角度晶界數(shù)量比率

對(duì)于X65和 H YX80,前者的大角度晶界和小角度晶界比率大于后者,可以看到,前者在韌脆轉(zhuǎn)變溫度以上表現(xiàn)出較高的沖擊功(如圖16所示),但是,大角度和小角度頻度比率對(duì)沖擊韌性的影響不像有效晶粒參量那樣規(guī)律性強(qiáng),只作為在相同金相組織下韌性比較的一個(gè)參考.因?yàn)閷?duì)高鋼級(jí)管線鋼來(lái)說(shuō),影響其韌性的因素還跟組織中貝氏體含量、尺寸等有關(guān).

圖17 X80管線鋼鐵素體晶界取向差分布圖

另外,上平臺(tái)能和圖17所示晶粒取向差的頻度分布,有一定的對(duì)應(yīng)性.當(dāng)有效晶粒度接近時(shí),在圖17中,50°以上晶粒的頻度越高,其上平臺(tái)能也越高.在圖14中,大角度晶粒頻度分布從低到高的順序是JFX80＜H YX80＜X65,與圖15中上平臺(tái)能由低到高的順序相同.這可能使高角度晶粒去相差,在裂紋擴(kuò)展中起到更加重要的作用,裂紋在這樣的晶界上擴(kuò)展時(shí),要耗費(fèi)更大的功,而且裂紋在擴(kuò)展中能夠更大地改變方向,從而增加擴(kuò)展路徑.

6 X80管線鋼中第二相分布

晶粒細(xì)化是鋼中最主要的強(qiáng)化方式之一,同時(shí),也是目前所知的唯一的既提高強(qiáng)度又提高韌性的強(qiáng)韌化方式[1].Petch提出晶粒直徑 D對(duì)韌脆轉(zhuǎn)變溫度 Tk具有如下關(guān)系[2]:

式中,A、B為常數(shù).

目前,生產(chǎn)中除了奧氏體晶粒超細(xì)化處理外,碳鋼中碳化物的超細(xì)化處理也同樣受到重視.這是因?yàn)樘蓟锏某叽纭⑿螒B(tài)、分布和數(shù)量對(duì)鋼的性能有著顯著影響.研究指出,高碳鋼中,當(dāng)碳化物直徑大于1μm時(shí),其斷裂韌性隨碳化物質(zhì)點(diǎn)平均距離的減小而增加.可見,細(xì)化碳化物并使之均勻分布,是改善高碳鋼強(qiáng)韌性的一個(gè)有效途徑.文獻(xiàn)研究表明,低溫、短時(shí)、快速淬火,有利于獲得細(xì)小、均勻、彌散的碳化物組織.

JF和 H Y的有效晶粒相近,這從圖18可以看出.但其碳化物含量差異較大,JF試樣中的碳化物含量明顯高于 HY,因而導(dǎo)致強(qiáng)度有明顯的差異,即JF的強(qiáng)度指標(biāo)明顯高于 HY,如圖19所示.對(duì)于JL,其C含量和分布與 H Y相近,但JL的有效晶粒明顯小于HY,所以其強(qiáng)度指標(biāo)明顯高于后者.

圖18 各X80管線鋼中Fe3 C的分布

圖19 各X80管線鋼強(qiáng)度分布

7 原位動(dòng)態(tài)拉伸圖譜

圖20所示為描述X80管線鋼斷裂過(guò)程的SEM照片.

斷裂理論認(rèn)為,如果裂紋控制在臨界裂紋范圍內(nèi),裂紋就不會(huì)擴(kuò)展.對(duì)于脆性斷裂而言,裂紋一旦達(dá)到啟裂時(shí)的臨界裂紋長(zhǎng)度,即失穩(wěn)擴(kuò)展,沒(méi)有明顯的穩(wěn)定擴(kuò)展階段,對(duì)于韌性斷裂而言,裂紋啟裂后,往往經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段才失穩(wěn)斷裂.

按照SM ITH裂紋形核理論,形核部位可以是夾雜物,也可以是其他第二相脆性質(zhì)點(diǎn).

裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力是系統(tǒng)釋放的彈性能,裂紋擴(kuò)展的阻力來(lái)源于裂面的表面能以及裂紋尖端發(fā)生塑性變形的塑性變形能.裂紋的擴(kuò)展過(guò)程是材料的能量消耗過(guò)程,因此裂紋擴(kuò)展的控制過(guò)程實(shí)質(zhì)上是材料韌性的控制過(guò)程.

管線鋼中的針狀鐵素體之所以是有利的顯微組織,原因之一是它的交叉分布形態(tài)對(duì)裂紋擴(kuò)展具有阻止作用.當(dāng)裂紋通過(guò)針狀鐵素體時(shí),由于不斷受到交叉分布的針狀鐵素體的阻礙而呈波浪起伏狀擴(kuò)展,裂紋擴(kuò)展速度降低,其對(duì)應(yīng)斷口呈撕裂韌窩狀.

由圖20可知,MA島對(duì)裂紋擴(kuò)展具有阻礙作用,裂紋為沿著島走;裂紋啟裂位置為晶粒邊界和MA島邊界處.對(duì)X80來(lái)說(shuō),存在較好的塑性變形能力,當(dāng)塑性變形區(qū)不斷擴(kuò)展,并且達(dá)到一定程度時(shí),裂紋連接并失穩(wěn)擴(kuò)展.

8 結(jié) 語(yǔ)

(1)X80管線鋼均為粒狀貝氏體、多邊鐵素體和珠光體的混合組織;

圖20 X80管線鋼斷裂機(jī)理

(2)X80管線鋼中,鐵素體有呈等軸狀的,有呈條狀的,還有呈針狀的;

(3)有效晶粒、晶粒取向差頻度和管線鋼韌性指標(biāo)有強(qiáng)烈的對(duì)應(yīng)關(guān)系;

(4)細(xì)化碳化物并使之均勻分布,是改善高碳鋼強(qiáng)韌性的一個(gè)有效途徑;

(5)MA島對(duì)裂紋擴(kuò)展具有阻礙作用,裂紋為沿著島走;裂紋啟裂位置為晶粒邊界和M A島邊界處.當(dāng)塑性變形區(qū)不斷擴(kuò)展,達(dá)到一定程度時(shí),裂紋連接并失穩(wěn)擴(kuò)展.

[1] 高惠臨.管線鋼組織、性能、焊接行為[M].西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社,1995.

[2] Byoungchul Hwang,Yang Gon Kim,Sunghak Lee,et al.Effective Grain Size and Charpy Impact Propertiesof High-Toughness X70 Pipeline Steels[J].Metallurgical and Materials Transactions A,2005,36(8):2107-2114.

M icrostructure Atlas of X80 Pipeline Steels

ZHANG Xiao-li
(Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou 450007,China)

In this paper,the kinds of microstructure morphology of X80 pipeline steel are summarized,the relationship of effective grain size are studied,and the relationship between it and CVN are p robed;the quantity and distrubution of second phase in X80 pipeline steel are studied,also its relationship w ith strength and toughness are discussed.By in-situ SEM,the f racture mechanism of X80 pipeline steel are detailed in this paper too.

X80 pipeline steel;atlas;SEM;EBSD;in-situ tesile analysis SEM;MA island;acicular ferrite;strip-like ferrite

TP0766+.1

A DO I:10.3969/j.issn.1671-6906.2010.04.002

1671-6906(2010)04-0004-07

2010-08-02

博士后基金項(xiàng)目(20060390319)

張小立(1969-),女,甘肅威武人,高級(jí)工程師,博士.