X120管線鋼形變奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變特性的研究

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心 河北省汽車安全一體化與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河北保定 071000）

摘 要：采用Gleeble3500熱力學(xué)模擬試驗(yàn)機(jī)對X120管線鋼進(jìn)行雙道次熱壓縮變形試驗(yàn)，分析了其壓縮過程的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，在850 ℃以

1 s-1的應(yīng)變速率、變形量為30%進(jìn)行變形時(shí)，可發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。該文著重探討了控軋控冷工藝參數(shù)對X120管線鋼顯微組織、力學(xué)性能的影響規(guī)律，在快冷的條件下可以得到目標(biāo)組織-細(xì)小的板條組織（LB），試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能隨著冷卻速度的增加而呈現(xiàn)增大的趨勢。

關(guān)鍵詞：管線鋼 Gleeble3500 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶 板條組織 力學(xué)性能

中圖分類號：TG335 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1674-098X（2012）12（c）-000-02

近年來，隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對石油、天然氣的需求不斷增加。要求開發(fā)長距離輸送石油、天然氣的高強(qiáng)度等級管線鋼的經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)力也在不斷增加，由此產(chǎn)生的第一個(gè)結(jié)果就是目前在國際標(biāo)準(zhǔn)中曾長期處于最高鋼級的X70已被X80取代。另一方面，X100以及在小范圍的X120正處于積極的開發(fā)階段[1-3]。一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)在X120管線鋼研究過程中取得了一定的成果。

熱機(jī)械控制加工（Thermo Mechanical Controlling Processing，簡稱TMCP）國內(nèi)也稱為控軋控冷，是一種廣泛應(yīng)用于改善HSLA鋼組織性能的熱加工工藝，控制軋制和控制冷卻代表了高強(qiáng)度低合金鋼的發(fā)展方向[4]。近20年來，這項(xiàng)技術(shù)得到國際冶金界的極大重視，并在管線鋼的生產(chǎn)上取得了卓有成效的應(yīng)用。管線鋼經(jīng)控制軋制后再控制冷卻可以獲得組織和性能優(yōu)良的線材，可以滿足工程上的要求。該文研究的目的是基于不改變現(xiàn)有管線鋼化學(xué)成分的情況下，為優(yōu)化TMCP工藝，為得到滿足工程需要的優(yōu)質(zhì)管線鋼提供必要的數(shù)據(jù)和理論支持。

1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用鋼為武鋼提供的X120管線鋼，其化學(xué)成分見表1。

1.2 試驗(yàn)方法

將試樣（Φ10×85.5 mm）以10 ℃/s加熱到1200 ℃，保溫5 min后，以5 ℃/s冷卻到1100 ℃，保溫10 s后，以1 s-1的應(yīng)變速率進(jìn)行壓縮變形，變形量為35 %（第一階段變形工藝）；變形結(jié)束后，隨即以

5 ℃/s冷卻到850 ℃，保溫10 s后，以1 s-1的應(yīng)變速率進(jìn)行壓縮變形，變形量為30%（第二階段變形工藝）；軋后直接進(jìn)行冷卻，控制冷卻速度式溫度降到200 ℃，冷卻速度分別為0.5、1、2.5、5、7.5、10、15、20、25、30（℃/s）。試樣經(jīng)線切割、研磨和拋光后用4 %硝酸酒精侵蝕，采用ZEISS光學(xué)顯微鏡觀察并分析不同冷卻速度條件下的組織形貌，得到金相照片。用萊卡顯微硬度計(jì)測定不同冷卻速度下的試樣硬度，硬度是隨機(jī)在試樣上取五點(diǎn)，計(jì)算平均值得出的。其工藝曲線如圖1所示。

其中真應(yīng)力σ、真應(yīng)變?chǔ)排c載荷F、原始截面積、瞬時(shí)標(biāo)距長度L1、原始標(biāo)距L0有以下關(guān)系：

2 結(jié)果與討論

2.1 采用Origin軟件繪出應(yīng)力-應(yīng)變曲線，分析再結(jié)晶現(xiàn)象

圖2給出了試驗(yàn)鋼雙道次壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線，應(yīng)變速率為1 s-1。奧氏體熱加工是加工硬化和高溫動(dòng)態(tài)軟化同時(shí)進(jìn)行的過程[5]。在熱變形過程中可以出現(xiàn)兩類軟化曲線。第一類，隨著變形的進(jìn)行，流變應(yīng)力不斷增大，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定值后，σ-ε曲線出現(xiàn)平臺(tái)，沒有應(yīng)力下降現(xiàn)象，一般稱該類曲線為動(dòng)態(tài)回復(fù)型應(yīng)力應(yīng)變曲線，如本實(shí)驗(yàn)中的第一次軋制過程；第二類，隨著變形的進(jìn)行，材料的流變應(yīng)力不斷增加，逐漸達(dá)到一個(gè)峰值，然后流變應(yīng)力不斷下降至一穩(wěn)定態(tài)值后保持不變，該類曲線通常為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶型應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如本實(shí)驗(yàn)中第二次軋制過程。從圖2可以看出，第二條曲線中流變應(yīng)力隨變形量不斷增加，并在A點(diǎn)處出現(xiàn)一個(gè)峰值，隨后流變應(yīng)力下降。由此可以知道，實(shí)驗(yàn)鋼在850 ℃ 以1 s-1的應(yīng)變速率、變形量為30%進(jìn)行變形時(shí)，發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象。在熱軋過程中動(dòng)態(tài)再結(jié)晶可以有效地細(xì)化粗大的鑄態(tài)組織[6]，從而改善管線鋼的力學(xué)性能。

變形溫度從1100 ℃變到850 ℃時(shí)，變形溫度的降低，變形抗力增大[7]。高溫奧氏體變形中，加工硬化和動(dòng)態(tài)軟化兩種機(jī)制同時(shí)起作用[8]，在變形初期，加工硬化的作用占據(jù)主導(dǎo)地位，隨著變形溫度的增加，位錯(cuò)密度不斷增加，使變形應(yīng)力不斷上升。同時(shí)，由于變形在高溫下進(jìn)行，位錯(cuò)在變形過程中通過滑移和攀移的方式運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生動(dòng)態(tài)回復(fù)，加工硬化效應(yīng)逐漸減弱，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率減小。然后進(jìn)入第二階段，隨著變形量的繼續(xù)增加，位錯(cuò)密度不斷增加，內(nèi)部儲(chǔ)存能也繼續(xù)增加，當(dāng)變形量達(dá)到動(dòng)態(tài)再結(jié)晶臨界變形程度時(shí)，將發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶；隨后隨變形的繼續(xù)進(jìn)行，變形金屬內(nèi)部不斷發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，應(yīng)力不斷下降[9]。

2.2 試驗(yàn)鋼的顯微組織研究

圖3給出了在同一溫度下以相同的變形量和相同形變速率進(jìn)行壓縮變形，不同冷速下的顯微組織的變化。金相照片為放大500倍后的照片。當(dāng)冷卻速度為0.5 ℃/s時(shí)，組織中有大量的針狀組織（AF），少量的島狀組織（GB）和板條狀組織（LB）；當(dāng)冷速為1 ℃/s時(shí)，針狀組織（AF）減少，島狀組織（GB）和板條狀組織（LB）增多，其中板條間距較大，可以近似看成是中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物；當(dāng)冷速繼續(xù)增大時(shí)，針狀組織（AF）繼續(xù)減少，冷速為10 ℃/s時(shí)，AF已經(jīng)基本消失，這時(shí)還存在非常少量的島狀組織（GB），組織基本上是以板條狀組織（LB）為主；冷速繼續(xù)增大時(shí)，島狀組織（GB）也隨之減少，而且板條狀組織（LB）的板條間距變小，組織細(xì)化，當(dāng)冷速為20 ℃/s及以上時(shí)，組織以板條狀組織（LB）為主。

2.3 試驗(yàn)鋼顯微硬度的研究

圖4更直觀的顯示出試驗(yàn)鋼的顯微硬度隨冷卻速度的變化?？梢钥闯?，當(dāng)冷速小于20 ℃/s時(shí)，隨著冷速的增加，顯微硬度值不斷增加；冷速超過20 ℃/s時(shí)，顯微硬度值都維持在一個(gè)較高的水平上；與20 ℃/s的冷卻速度相比，繼續(xù)增大冷卻速度，此時(shí)硬度值稍有下降。這種變化可能與實(shí)驗(yàn)過程中25 ℃/s和30 ℃/s冷卻時(shí)，后期的冷速?zèng)]有跟上有一定關(guān)系。

結(jié)合試驗(yàn)鋼顯微組織隨冷卻速度變化的金相照片，可以分析出，在較大的冷卻速度下，可以得到細(xì)化的板條狀組織，該組織可以賦予試驗(yàn)鋼較高的強(qiáng)度和良好的韌性，是X120管線鋼的目標(biāo)組織。

3 結(jié)語

（1）通過對X120管線鋼的雙道次軋制的熱加工模擬，由其應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，實(shí)驗(yàn)鋼在850 ℃以1 s-1的應(yīng)變速率、變形量為30%進(jìn)行變形時(shí)，可發(fā)生了動(dòng)態(tài)再

結(jié)晶。

（2）冷卻速度的不同，試驗(yàn)鋼的顯微組織發(fā)生較大的變化，當(dāng)冷速大于等于20 ℃/s時(shí)，可以得到細(xì)小的板條組織（LB），該組織是試驗(yàn)鋼的目標(biāo)組織。

（3）隨著冷卻速度的增加，實(shí)驗(yàn)鋼的顯微硬度值不斷增加；冷卻速度為20 ℃/s左右時(shí)，顯微硬度值較大。

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