超快速冷卻溫度對高鈮X80管線鋼組織和性能的影響

周 峰，吳開明

(1. 武漢科技大學(xué)高性能鋼鐵材料及其應(yīng)用湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢，430081；2.湖南華菱漣源鋼鐵有限公司，湖南 婁底，417009)

采用管道輸送原油和天然氣的明顯經(jīng)濟優(yōu)勢不僅導(dǎo)致大量管線網(wǎng)絡(luò)的強力需求，而且也對提高目前管線的輸送能力提出了更高要求[1]。為了滿足輸送能力的提高，必須鋪設(shè)大口徑高性能壓力管線，因此需要采用厚壁或高強度鋼材[2-3]。提高管線鋼強度，能顯著降低管道壁厚，從而減低總重量，帶來明顯的經(jīng)濟效益[4]。國內(nèi)外對研制X80管線鋼進行了大量的研究[5-7]，開發(fā)出貝氏體組織、馬氏體組織、針狀鐵素體及其復(fù)合組織管線鋼。當(dāng)采用針狀鐵素體組織作為主體組織時，為了達到X80鋼的強韌性匹配要求，必須提高針狀鐵素體組織的強度，通常采用微合金化元素實現(xiàn)固溶強化和析出強化來提高其強度。Nb是最常用的能較經(jīng)濟地提高強度的合金元素之一[8]。然而在傳統(tǒng)的微合金鋼中，通常w(Nb)為0.02%～0.04%，國內(nèi)外對管線鋼的最高w(Nb)限制為0.06%。隨著管道工程的要求和管線鋼冶煉技術(shù)的進步，鋼中含碳量逐漸降低。由于鋼中含碳量的降低，提高了Nb在奧氏體相中固溶度積，可允許添加較高的Nb含量[9]。

當(dāng)鋼中添加較高的Nb含量時，在奧氏體中Nb以Nb(C,N)析出，析出物的數(shù)量依賴溫度和C、N的含量。細(xì)小的Nb(C,N)通過在晶界的釘扎機制，阻止晶粒長大，從而使相變組織晶粒細(xì)化，改善其強韌性。固溶的Nb能明顯提高奧氏體的再結(jié)晶溫度，有利于高溫區(qū)的大壓下變形，產(chǎn)生大量位錯、亞晶界和晶界，在后續(xù)冷卻過程中形成細(xì)化的相變組織結(jié)構(gòu)。固溶在鋼中的Nb在α相中析出細(xì)小的Nb(C,N)，產(chǎn)生沉淀硬化作用提高強度[10]；同時，固溶的Nb能通過固溶強化提高強度，尤其是抗拉強度[11]。為此，本文研究一種w(Nb)為0.086%的X80管線鋼在超快速冷卻溫度下組織與性能的關(guān)系，并分析Nb在提高鋼材抗拉強度和降低其屈強比方面的作用規(guī)律。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗材料采用210 t轉(zhuǎn)爐冶煉、LF+RH精煉處理，并連鑄成230mm板坯，其化學(xué)組成如表1所示。經(jīng)過合理的軋制工藝進行軋制，并軋制成厚度為17.5 mm的板坯。采用超快速冷卻工藝進行軋后冷卻，并編號為1#、2#試樣。1#試樣的超快速冷卻的終冷溫度為400～500 ℃，2#試樣的超快速冷卻的終冷溫度為300～400 ℃。

表1 試驗鋼的化學(xué)組成(wB/%)Table 1 Chemical compositions of experimental steel

1.2 檢測方法

對鋼板垂直于軋制方向取樣并加工成拉伸試樣，在萬能試驗機上進行拉伸性能試驗。在鋼板上沿垂直于軋制方向切取沖擊試樣，在-20 ℃測試其低溫沖擊功，同時進行-15 ℃落錘試驗測量其剪切面積。為了確保檢測試樣的代表性，將X80管線鋼鋼卷送到橫切線進行開卷取樣，對應(yīng)卷取溫度曲線，對溫度波動大的尾部切除20 m后進行取樣，以確保其實際溫度與本文所設(shè)定的溫度一致。拉伸試樣對應(yīng)鋼管橫向取樣，取樣位置位于板卷寬度1/2處，沖擊試樣分別對應(yīng)鋼管橫向和板卷橫向取樣，取樣位置位于板卷寬度1/4處。

采用SEM和TEM對試樣的顯微組織形貌及析出物數(shù)量和大小進行檢測分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 試樣的力學(xué)性能分析

表2為不同超快速冷卻溫度下X80管線鋼的力學(xué)性能。由表2可看出，在不同超快速冷卻溫度下，1#、2#試樣在-20 ℃時的低溫沖擊功穩(wěn)定，均值分別為296、302 J。由-15 ℃落錘試驗剪切面積可看出，1#、2#試樣的剪切面積分別為93%和97%，表明試驗用鋼均具有良好的低溫韌性。1#、2#試樣的屈服強度和抗拉強度均在API SPEC 5L標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)(屈服強度為555～690 MPa和抗拉強度為625～825 MPa)，滿足了X80管線鋼的性能要求。1#試樣屈服強度略比2#試樣低15 MPa，但1#試樣的抗拉強度比2#試樣低40 MPa，這就導(dǎo)致兩類試樣的屈強比存在差異。同時，1#、2#試樣的延伸率均為38%，其具有良好的延伸性能。

表2 X80管線鋼的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of X80 pipeline steel

2.2 試樣的顯微組織分析

圖1為1#、2#試樣垂直于軋制方向1/4處的顯微組織SEM照片。由圖1可看出，主體組織由晶界相互交錯、方向各異的針狀鐵素體組成。

(a)1#試樣

(b)2#試樣圖1 試樣顯微組織的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM images of Samples 1# and 2#

通過顯微組織對比發(fā)現(xiàn)，1#試樣組織較為粗大，有少量的多邊形鐵素體存在，組織中M/A島含量較小。圖2 為1#、2#試樣垂直于軋制方向1/4處的M/A島腐蝕對比SEM照片。由圖2可看出，2#試樣針狀鐵素體特征明顯，其組織比1#試樣更加細(xì)小均勻，組織中M/A島含量較多，且呈細(xì)小彌散均勻分布。圖3為1#、2#試樣垂直于軋制方向1/4處的顯微組織TEM照片。由圖3可看出，1#試樣板條內(nèi)位錯非常發(fā)達，可以觀察到大量的位錯塞積(見圖3(a))，晶界上有大量的位錯塞積現(xiàn)象(見圖3(b))；2#試樣位錯也非常發(fā)達，可以觀察到大量的位錯塞積(見圖3(c))，晶界上位錯塞積比1#試樣多(見圖3(d))。

(a)1#試樣

(b)2#試樣圖2 試樣的M/A島腐蝕SEM照片

Fig.2SEMimagesofM/AislandcorrosionforSamples1#and2#

(a)1#試樣

(b)1#試樣

(c)2#試樣

(d)2#試樣圖3 試樣顯微組織的TEM照片F(xiàn)ig.3 TEM images of Samples 1# and 2#

2.3 試樣的析出物分析

圖4為1#試樣垂直于軋制方向1/4處的析出物TEM照片。由圖4可看出，1#試樣析出粒子分布較為均勻，典型粒子(見圖4(b))的大小在40nm左右，為一個圓形粒子和一個方形粒子的復(fù)合型析出。通過能譜分析發(fā)現(xiàn)，析出物均為含Nb、Ti的碳氮化物析出，x(Nb)/x(Ti)為13.9。

(a)1#試樣

(b)1#試樣

(c)能譜分析圖4 1#試樣析出物的TEM照片及能譜分析

Fig.4TEMimagesandEDSspectrumoftheprecipitatesforSample1#

圖5 為2#試樣垂直于軋制方向1/4處的析出物TEM照片。由圖5可看出，2#試樣析出粒子數(shù)量較1#試樣少(見圖5(a))，粒子尺寸也相對較小(見圖5(b))，粒子分布不均勻，析出類型大多為Nb、Ti碳氮化物的復(fù)合析出。通過能譜分析可知，方形粒子中Ti含量較高、圓形粒子中Nb含量較高，x(Nb)/x(Ti)為0.3。

(a)2#試樣

(b)2#試樣

(c)能譜分析圖5 2#試樣析出物的TEM照片及能譜分析

Fig.5TEMimagesandEDSspectrumoftheprecipitatesforSample2#

3 討論

3.1 針狀鐵素體組織對試樣強韌性的影響

由于針狀鐵素體之間為大角度晶界、相互交錯的聯(lián)鎖組織，同時組織內(nèi)部含有大量的位錯，這些使得組織內(nèi)的微裂紋解理跨越針狀鐵素體聯(lián)鎖組織時發(fā)生偏轉(zhuǎn)，擴展需要消耗更高的能量，能非常有效地提高材料韌性。這種具有高密度位錯、大角度晶界、細(xì)小晶粒尺寸和相互交錯的鐵素體聯(lián)鎖組織具有非常有效的晶粒細(xì)化效果，有效地提高了材料強韌性。本研究中的1#、2#試樣均為針狀鐵素體為主的組織，使得X80管線鋼具有較高的強度、良好的低溫沖擊韌性和極高的剪切面積。

3.2 快速冷卻條件下Nb固溶強化對試樣強度的影響

管線鋼的強化機制有固溶強化、細(xì)晶強化、沉淀強化和位錯強化。鋼板卷取之后，鋼卷的冷卻速度會降低，不同超快速冷卻的終冷溫度下卷取對鋼卷的組織和析出有較大影響。對于高Nb的X80管線鋼而言，1#試樣在較高溫度下卷取時，卷取終冷溫度較高，冷卻速度較慢。在較慢的冷速下，較高溫形成的細(xì)小多邊形鐵素體逐漸長大，形成塊狀；同時針狀鐵素體組織也會發(fā)生粗化，晶粒尺寸變大。較高的Nb含量使得在奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變過程中以及在單相的鐵素體相區(qū)析出Nb的碳氮化物。這些細(xì)小的Nb(C,N)均勻彌散分布在晶粒內(nèi)部，能有效通過沉淀強化來提高鋼材強度[9]。在卷取終冷溫度較低時，冷卻速度較快。在較快的冷卻速度下，針狀鐵素體組織比較細(xì)小，通過細(xì)晶強化提高鋼材強度。同時在組織內(nèi)部彌散分布大量細(xì)小尺寸M/A島和大量的位錯，通過析出強化和位錯強化來提高鋼材強度。

固溶強化是利用間隙型溶質(zhì)原子或置換型溶質(zhì)原子提高固溶體強度的方法[11]，在較小影響屈服強度的情況下大幅度提高抗拉強度。置換型溶質(zhì)原子Nb能引起鐵素體晶格的球面對稱畸變，具有一定的強化效果。但這種置換導(dǎo)致的強化效果遠(yuǎn)小于其他幾種機制，管線鋼合金化設(shè)計時，更著眼于晶粒細(xì)化和沉淀強化等強化機制。然而，間隙型溶質(zhì)原子C、N等元素在α相中引起不對稱的點陣畸變所產(chǎn)生的強化效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于置換型溶質(zhì)原子所引起的球面對稱畸變，間隙固溶強化是非常有效的強化方式[12]。本研究中低溫卷取時冷卻速度較快，使得大量的Nb在鋼中不能有效析出。1#試樣x(Nb)/x(Ti)為13.9，2#試樣x(Nb)/x(Ti)為0.3，相對于1#試樣而言，2#試樣中Nb的固溶強化對X80鋼的強度有著一定的作用，未能和Nb一起析出的C、N原子也固溶在α相中，這些溶質(zhì)原子存在于晶格間隙，大幅度提高鋼材強度，尤其是抗拉強度。本研究結(jié)果表明，析出物較少的2#試樣抗拉強度遠(yuǎn)大于1#試樣，從而獲得低屈強比高Nb微合金化X80管線鋼。

4 結(jié)論

(1)通過高Nb微合金化設(shè)計以及控制軋制和控制冷卻得到了以細(xì)小針狀鐵素體為主體的微觀組織結(jié)構(gòu)。采用較低的溫度卷取，冷卻速度較快使得鋼中Nb未能充分析出，聯(lián)合相應(yīng)的C、N原子通過固溶強化，能有效提高鋼材抗拉強度，獲得了低屈強比X80管線鋼。

(2)研制的低屈強比X80管線鋼具有較高的強度、良好的低溫沖擊韌性和極高的剪切面積，可以有效提高管線鋼的變形能力，適合于抗大變形管線鋼的制造。

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