微量Ce對退火高級別管線鋼組織結(jié)構(gòu)的影響

牛鵬勇，王 昕，王社斌，b

（太原理工大學(xué)a.材料科學(xué)與工程學(xué)院；b.新材料界面科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030024）

近年來，隨著國內(nèi)石油、天然氣和煤層氣工業(yè)的快速發(fā)展，管線鋼用量和級別不斷提高。為滿足管線鋼日益惡化的服役條件，對其質(zhì)量提出愈來愈苛刻的“超高純，超均質(zhì)，超細(xì)化”要求；對其使用性能提出 “高強(qiáng)度，高韌性，可焊接性強(qiáng)”的要求，超高強(qiáng)度管線鋼管的應(yīng)用也顯著地節(jié)省長距離天然氣輸送管線的總成本[1]。因此，近年來對超高強(qiáng)鋼的研制與開發(fā)得到了國際同行的高度重視。

高級別管線鋼以針狀鐵素體（AF）＋馬奧島（M／A）雙相組織為主，但在生產(chǎn)應(yīng)用過程中組織發(fā)生的相變會對鋼材的性能產(chǎn)生較大影響，國內(nèi)外鋼鐵企業(yè)主要利用TMCP（Thermo Mechanical Control Process）工藝控制 AF、GF（粒狀鐵素體）、QF（塊狀鐵素體）和M／A微觀組織比例，提高其力學(xué)性能[2]。高真風(fēng)等人對高級別管線鋼組織與韌性的關(guān)系進(jìn)行了大量的研究[3-7]，而研究開發(fā)高強(qiáng)度、高韌性、可焊接性強(qiáng)的高級別管線鋼的適宜金相組織，及其該組織在連鑄、軋制和焊接過程中的演變規(guī)律鮮見報(bào)道。

本研究用真空感應(yīng)爐熔煉4組含不同微量Ce的試樣鋼，研究、分析和探討微量Ce元素對退火高級別管線鋼顯微組織的影響及其機(jī)理，以期為低成本開發(fā)高強(qiáng)韌性、可焊接性強(qiáng)的高級別管線鋼，為拓展稀土元素在鋼中應(yīng)用范圍提供基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

用ZG0.025-100-2.5型真空感應(yīng)爐在800Pa的Ar氣氛中熔煉4組不同Ce含量的鋼棒，然后把鋼棒加熱到1373±20K，鍛造成?18mm的棒材（終鍛溫度為1023～1123K），自然冷卻至室溫。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)） %

用線切割從棒材上截取27mm×10mm×10mm的試樣，分別放入SX3-6-14電阻爐中，按10K／min升溫至1223K后，保溫30min，隨爐冷卻至室溫。

分別用不同型號水磨砂紙對試樣橫斷面依次研磨、拋光，用蒸餾水和酒精棉清洗，待試樣烘干后，用4%（體積分?jǐn)?shù)）硝酸酒精浸蝕。采用GX60型高級三目倒置金相顯微鏡觀察其金相組織，用JSU-6700F掃描電鏡（SEM）和EDAXGENESIS型能譜分析儀（EDS）觀察、分析和表征其微觀組織和夾雜物形貌、尺寸、數(shù)量、分布及物相。

2 結(jié)果與討論

2.1 Ce含量對鐵素體晶粒尺寸和M／A島微觀形貌的影響

2.1.1 Ce含量對鐵素體晶粒尺寸的影響

圖1為不同Ce含量退火試樣的金相顯微組織照片，可以看出它主要由大量鐵素體（灰白色）＋少量珠光體（黑色）組成。采用Nano Measure 1.2粒徑分布計(jì)算軟件測算得出：當(dāng)Ce的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%時(shí)，退火試樣的平均鐵素體晶粒尺寸為9.28μm；當(dāng)Ce的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0374%時(shí)，其平均晶粒尺寸降至5.58μm。由此可知，在鋼液中添加微量Ce元素，可使試樣的晶粒尺寸減小近一倍左右。鋼液中的表面活性元素Ce即使有微量的增加，也可增大鋼材相變時(shí)的過冷度，增加形核驅(qū)動力和單位體積的形核數(shù)量[8-9]。同時(shí)，在奧氏體變?yōu)棣粒獸e3C的相變過程中，比Fe原子半徑（Fe共價(jià)半徑為0.1210 nm）大55%的Ce原子（Ce共價(jià)半徑0.1650nm）偏聚于晶界、亞晶界處，有效地拖拽著Fe原子向相變前沿?cái)U(kuò)散遷移而限制晶粒的長大。熱力學(xué)與動力學(xué)的作用可有效抑制晶粒長大，從而細(xì)化鋼材基體組織，為提高鋼材的強(qiáng)韌性能奠定了基礎(chǔ)。

圖1 不同Ce含量試樣退火后的金相照片

2.1.2 Ce含量對M／A島微觀組織形貌的影響

由圖2可見，M／A島呈亮白色浮凸?fàn)?，灰白的塊狀組織是塊狀鐵素體（QF），黑色的基底是針狀鐵素體（AF）被腐蝕后留下的形貌組織。

由圖2可知，當(dāng)w[Ce]＝0%時(shí)，試樣鋼組織中鐵素體基體內(nèi)M／A島呈塊狀且分布不均勻，其平均尺寸為2.22μm；當(dāng)w[Ce]＝0.0052%時(shí)，試樣鋼組織中M／A島呈點(diǎn)狀且均勻分布，其平均尺寸降為2.09μm。隨著Ce含量的增加，當(dāng)w[Ce]＝0.0167%和w[Ce]＝0.0374%時(shí)，其中 M／A島的分布十分彌散。對X100、X120級管線鋼而言，這樣彌散的組織特征被證明是最佳選擇[10]。當(dāng)w[Ce]＝0.0167%時(shí)，平均粒徑為5.85μm，M／A島呈點(diǎn)狀或少量細(xì)條狀彌散分布，平均尺寸為1.40μm；當(dāng)w[Ce]＝0.0374%時(shí)，平均粒徑為5.58μm，M／A島呈點(diǎn)狀或細(xì)條狀彌散分布于晶粒內(nèi)部，平均尺寸為1.23μm。隨著Ce含量的增加，M／A島形狀的分布大大提高了管線鋼的強(qiáng)韌性。不同Ce含量的退火后試樣鋼，所得組織中M／A島的微觀特征參數(shù)如表2所示。

圖2 不同Ce含量試樣退火后M／A的SEM照片

表2 不同Ce含量試樣中M／A島的微觀特征參數(shù)

2.2 Ce含量對夾雜物形態(tài)和晶內(nèi)鐵素體形成的影響

2.2.1 Ce含量對夾雜物形態(tài)的影響

鋼基體中的夾雜物形態(tài)對其韌性有很大影響，所以有必要通過掃描電鏡和能譜儀對夾雜物的形貌和物相進(jìn)行分析。

圖3（a，e）是退火后w[Ce]＝0%的試樣中典型夾雜物的SEM像和EDS能譜圖。從中可知，當(dāng)w[Ce]＝0%時(shí)，夾雜物呈不規(guī)則形態(tài)，且平均尺寸為2.39μm，棱角鮮明，尺寸較大，形成 MnS-SiO2系，加工時(shí)發(fā)生熱脆，使鋼材的性能惡化；圖3（b，f）是w（Ce）＝0.0052%的試樣中典型夾雜物的SEM像和EDS能譜圖，夾雜物平均尺寸為2.11μm大小的類橢球狀物，體積依然較大，但棱角慢慢消失，邊緣出現(xiàn)鈍化，形成Si-Ti-Ce-O系；圖3（c，g）是w（Ce）＝0.0167%的試樣中典型夾雜物的SEM像和EDS能譜圖，此時(shí)夾雜物顯示為平均尺寸2.02μm的球狀物，與圖3（a，b）中的夾雜物相比有顯著變化，尺寸非常小，且呈球狀，形成MnS-Ce-O系，說明Ce元素把長條不規(guī)則的MnS轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙畹腗nS，球狀MnS各向同性，能明顯提高鋼材的韌性；圖3（d，h）是w（Ce）＝0.0374%的試樣中典型夾雜物的SEM像和EDS能譜圖，其夾雜物平均尺寸為1.86μm左右的球狀物，尺寸也明顯減小，形貌為球狀，無尖角，可能不會影響鋼材的韌性，會變成有益的組織，形成MnS-Ti-Ce-O系。

由以上分析可見，隨鋼液中Ce含量的增加，夾雜物不僅改變了形貌（由棱角鮮明的不規(guī)則形狀變成了球形）、減小了尺度（由2.39μm 減到1.86 μm），而且其組成也發(fā)生變化。說明在高級別管線鋼中加入Ce元素，可實(shí)現(xiàn)夾雜物變形，并減小夾雜物尺寸[5]，為提高鋼的力學(xué)性能奠定了基礎(chǔ)。

2.2.2 Ce含量對晶內(nèi)鐵素體形成的影響

鋼中含Ce復(fù)合夾雜可以有效誘導(dǎo)晶內(nèi)鐵素體形核析出，改善鋼的組織和性能[11-14]。同時(shí)，晶內(nèi)鐵素體的形核與形核夾雜物的類型、尺寸、形狀及奧氏體晶粒大小、冷卻速率等因素均有密切關(guān)系。

在光學(xué)顯微鏡下，觀察退火后不同Ce含量的試樣中夾雜物誘導(dǎo)晶內(nèi)鐵素體形核的情況，如圖4（a）所示?？梢钥闯?，在w[Ce]＝0.0347%時(shí)，試樣中存在許多由夾雜物（如A）誘導(dǎo)形核呈放射狀分布的晶內(nèi)針狀鐵素體組織（IAF）；并可看到在針狀鐵素體片條間又長出了新的針狀鐵素體，即針狀鐵素體的感生形核現(xiàn)象[15]。晶內(nèi)鐵素體的感生形核是由于一次晶內(nèi)鐵素體在夾雜物上形核后有較高的界面能及高密度的位錯(cuò)，具有高的應(yīng)力-應(yīng)變能，促進(jìn)了二次晶內(nèi)鐵素體形核長大[16]。一次針狀鐵素體和感生形核二次鐵素體均在原奧氏體晶內(nèi)形核、長大，故可使組織進(jìn)一步得到細(xì)化。

通過SEM、EDS觀察夾雜物尺寸和組成對晶內(nèi)鐵素體形核的影響進(jìn)行研究，如圖4-b所示。從圖中可以看出，具有誘導(dǎo)晶內(nèi)鐵素體形核作用的夾雜物（如B）主要為球形Ce-O-Ti及MnS復(fù)合夾雜物，夾雜物尺寸多在1～3μm之間。

圖4 含Ce退火試樣鋼以夾雜物為形核點(diǎn)的形貌

綜上所述，不同Ce含量的試樣鋼存在大量細(xì)小彌散分布的含Ce復(fù)合夾雜物，可作為晶內(nèi)鐵素體的形核核心，誘導(dǎo)晶內(nèi)鐵素體形核，形核夾雜物尺寸多在1～3μm之間。此外，晶內(nèi)部分針狀鐵素體可促進(jìn)感生形核現(xiàn)象細(xì)化組織，這種相互交叉、互鎖連接的鐵素體板條，能夠更好地提高鋼材的強(qiáng)度和韌性[17]。

3 結(jié)論

高級別管線鋼試樣經(jīng)（1223K，30min）退火處理后，隨著Ce含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的增加（0～0.0374%），針狀鐵素體尺寸由9.28μm降為5.58μm，組織得到了明顯細(xì)化；M／A島形狀由塊狀不均勻分布變成點(diǎn)狀或細(xì)條狀彌散分布，且平均尺寸由2.22 μm降為1.23μm，大大提高了鋼的強(qiáng)韌性；獲得了較多細(xì)小、彌散分布的含Ce復(fù)合夾雜物，可作為晶內(nèi)鐵素體的異質(zhì)形核核心誘導(dǎo)晶內(nèi)鐵素體形成，并可促使出現(xiàn)感生形核現(xiàn)象，具有形核效果的夾雜物一般在1～3μm之間。

[1]高珊，鄭磊，章傳國.超高強(qiáng)度系列管線鋼厚板的研制[J].世界鋼鐵，2009（5）：1-6.

[2]趙英利，時(shí)捷.X120級超高強(qiáng)度管線鋼生產(chǎn)工藝研究現(xiàn)狀[J].特殊鋼，2009（5）：25-27.

[3]高真風(fēng)，黃維.俄羅斯高強(qiáng)度管線鋼焊接接頭熱影響區(qū)組織及性能研究[J].焊管，2012（10）：67-72.

[4]辛希賢.針狀鐵素體管線鋼焊接熱敏感性的研究[J].焊管，2005（5）：15-20.

[5]杜偉.X120管線鋼焊接試驗(yàn)及分析[J].焊管，2011（1）：25-29.

[6]趙輝，胡水平.X120管線鋼焊接熱影響區(qū)的模擬研究[J].熱加工工藝，2010（1）：20-23.

[7]喬桂英，李建龍.X120管線鋼焊接熱影響區(qū)組織與韌性研究[J].燕山大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（6）：528-532.

[8]回春華，李廷舉，金文中.稀土對4137H 鋼純凈度、過冷度、組織及性能的影響[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2009，21（4）：8-12.

[9]余宗森，褚幼義.鋼中稀土[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1982.

[10]張小立，馮耀榮，趙文軫高鋼級管線鋼顯微組織的演變[J].特殊鋼，2008，29（2）：41-43.

[11]文彬.鈰和鎂在氧化物冶金中應(yīng)用的基礎(chǔ)研究[D].北京：北京科技大學(xué)，2011.

[12]文彬，宋波，潘寧，等.Ce對16Mn鋼中夾雜物和組織的影響[J].中國稀土學(xué)報(bào).2010，28（6）：728-733.

[13]Wen B，Song B，Pan N，et al.Influence of Ce on Characteristics of Inclusions and Microstructure of Pure Iron[J].Journal of Iron and Steel Research，Internationa，2011，18（2）：38-44.

[14]Wen B，Song B，Pan N，et al.Effect of austenitizing temperature on microstructure in 16Mn steel treated by cerium[J].International Journal of Minerals，Metallurgy and Materials，2011，18（6）：652-658.

[15]Ricks R A，Howell P R，Barritte G S.The nature acicular ferrite is HSLA steel weld metals[J].Journal of Materials Science，1982，17（3）：732-740.

[16]余圣甫，余陽春，謝明立，等.二次熱循環(huán)對晶內(nèi)鐵素體的影響[J].焊接學(xué)報(bào)，2003，24（2）：89-96.

[17]Tomita Y，Saito N，Tsuzuki T，et al.Improvement in HAZ toughnes s of steel by TiN-MnS addition[J].ISIJ International，1994，34（10）：829-835.