冷卻速度和Nb含量對X80管線鋼MA島的影響

韓 晨，孫付濤

洛陽有色金屬加工設(shè)計研究院，河南 洛陽 471039

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冷卻速度和Nb含量對X80管線鋼MA島的影響

韓 晨，孫付濤

洛陽有色金屬加工設(shè)計研究院，河南 洛陽 471039

以高Nb X80管線鋼為研究對象，利用金相顯微鏡、掃描電鏡和透射電鏡等實驗設(shè)備對鋼中MA島的尺寸、形貌及分布特征進(jìn)行了研究和分析.研究結(jié)果表明，高Nb X80管線鋼熱軋后，適當(dāng)提高冷卻速度可使鋼中MA島的形貌和分布更為細(xì)小和均勻，高的Nb含量促進(jìn)了條狀MA島的生成.通過調(diào)整高Nb X80管線鋼的合金成分和熱軋后的冷卻速度，均可減少MA島對鋼性能產(chǎn)生的不利影響.

X80管線鋼；MA島；高Nb含量；冷卻速度；熱模擬試驗

隨著社會和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，以長距離、高壓力和大管徑為特征的管道越來越多的出現(xiàn)在石油天然氣輸送工程中，對管線用鋼的綜合力學(xué)性能，尤其是強度和韌性提出了更高的要求[1-3].

MA島(martensite and austenite，馬氏體和奧氏體島狀物)是低C微合金鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w時，在形成板條鐵素體的過程中，C在剩余奧氏體內(nèi)逐漸富集而形成的一種成分.對于高Nb X80管線鋼而言，MA島主要是由于富C奧氏體難以保留至室溫，在冷卻時轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體而形成的.MA島組織與F-P鋼中的珠光體不同，后者是高溫共析轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，尺寸較大，分布于鐵素體晶粒的交會點，而貝氏體鋼中富C組成物的分布更為均勻，尺寸更為細(xì)小，這可能也是貝氏體鋼在保持高強度水平的同時仍具有良好的韌性的原因之一.由于MA島是脆性組成物，它對管線鋼的韌性不利，因此，MA島也是低C貝氏體的一個組織特征，MA島的數(shù)量、大小、形態(tài)及分布狀態(tài)對管線鋼的強韌性及HIC抗力有一定的影響[4-6].目前，關(guān)于MA島特征影響因素的研究較少，主要是針對其成分和冷卻速度進(jìn)行研究.

本文利用Gleeble-2000熱模擬試驗機、金相顯微鏡、掃描電鏡及透射電鏡等儀器，對某企業(yè)生產(chǎn)的高Nb X80管線鋼中MA島的尺寸、形貌及分布特征進(jìn)行了觀察分析，并與低Nb X80管線鋼中的MA島進(jìn)行對比，得出了Nb含量與MA島的關(guān)系，并提出了減少MA島對管線鋼強韌性不利影響的工藝措施.

1 試 驗

1.1 試驗材料

試驗材料為某企業(yè)生產(chǎn)的高、低Nb X80管線鋼連鑄坯，切割后鍛打成90 mm×120 mm×250 mm的試樣，其主要化學(xué)成分及含量列于表1.

1.2 試驗方法

為了更好地反映生產(chǎn)實際，熱模擬試驗進(jìn)行了兩階段的變形和相應(yīng)的冷卻工藝，變形分別在奧氏體再結(jié)晶區(qū)及未再結(jié)晶區(qū)進(jìn)行.

控軋控冷工藝規(guī)程如下：分別將直徑10 mm，長15 mm的高、低Nb X80管線鋼熱模擬試樣以50 ℃/s加熱到1100 ℃，然后再以10 ℃/s加熱到1220 ℃并保溫3 min，以2 ℃/s冷卻到1100 ℃，進(jìn)行第一道次壓下，壓下量為5 mm(壓下率33.3%)，應(yīng)變速率3 s-1.然后再以2 ℃/s冷卻到930 ℃進(jìn)行第二道次壓下，壓下量為5 mm(壓下率50.0%)，應(yīng)變速率10 s-1.其中：降溫到1100 ℃和930 ℃時，在壓下前各保溫10 s，以消除溫度梯度.變形結(jié)束后以2 ℃/s冷卻到850 ℃，再以15 ℃/s和25 ℃/s冷卻到530 ℃，然后空冷至室溫.

表1 試驗用鋼的化學(xué)成分及含量

將經(jīng)熱模擬試驗后的試樣沿兩個熱電偶所在的平面進(jìn)行分切，然后根據(jù)試驗需要進(jìn)行制樣、研磨、浸蝕或拋光，并將樣品分別置于金相顯微鏡、掃描電鏡和透射電鏡下進(jìn)行微觀組織的觀察和分析.

2 高Nb鋼的MA島組織特征

以15 ℃/s從850 ℃冷卻到530 ℃的高Nb X80管線鋼的金相顯微組織、掃描電鏡組織(SEM)如圖1所示.

圖1 試驗用高Nb X80管線鋼的微觀組織(a)金相顯微組織；(b)掃描電鏡組織Fig.1 Microstructure of the high-Nb X80 pipeline tested steel(a) metallurgical microstructure；(b) SEM image

從圖1(a)可以看出，高Nb X80管線鋼的晶粒尺寸較小，組織中存在粒狀貝氏體、針狀鐵素體和塊狀鐵素體，并以粒狀貝氏體為主.從圖1(b)中可以看出，鋼中的MA島組織多為點狀或長條狀，尺寸較小，分布也很均勻，主要以彌散狀態(tài)分布在貝氏體和鐵素體的晶界和晶內(nèi).

高Nb X80管線鋼在冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w時，在形成板條狀鐵素體的過程中，C在剩余奧氏體內(nèi)逐漸富集.由于相變溫度高，相變驅(qū)動力小，轉(zhuǎn)變不能進(jìn)行到底，會有少量奧氏體殘留下來，以島的形式分布于板條間，同時在大角度晶界上也常有小島存在，這主要是由于C沿晶界擴散較快.

3 MA島組織的影響因素及成因分析

軋后冷卻速度對微合金鋼的組織和性能的影響較大.在相同的變形條件及溫度控制下，隨軋后冷卻速度的提高，鋼的晶粒明顯變細(xì).當(dāng)鋼中含有一定量的Mn，Nb和Mo等元素時，隨冷卻速度的提高，先共析的鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變被抑制，組織中將出現(xiàn)貝氏體和MA島組織等低溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，鋼的力學(xué)性能尤其是屈服強度顯著提高[7].本試驗設(shè)定了15 ℃/s和25 ℃/s兩個冷卻速度，以分析冷卻速度對高Nb X80管線鋼中MA島的影響.采用相同的控軋控冷工藝，分析了Nb含量對X80管線鋼中MA島的大小、形狀及分布等特征的影響.

3.1 冷卻速度對高Nb鋼中MA島的影響

圖2為在15 ℃/s和25 ℃/s冷卻速度下，高Nb X80管線鋼的掃描電鏡組織.從圖2可以看出，當(dāng)冷卻速度從15 ℃/s提高到25 ℃/s時，高Nb X80管線鋼組織中尺寸較大的粒狀貝氏體和塊狀鐵素體變得細(xì)小和均勻，MA島組織變得更為細(xì)小和均勻，接近球形或橢圓形，并以彌散狀態(tài)分布，細(xì)小均勻的MA島組織可有效地提高管線鋼的強韌性，進(jìn)而提高其綜合力學(xué)性能.在控軋控冷其它工藝參數(shù)相同的條件下，冷卻速度越大，形核激活能越大，形核速率也越大，其相變后的晶粒越細(xì)小、均勻.因此，冷卻速度越大，MA島越細(xì)小，形狀越接近球形.但冷卻速度過大，溫度降低太快的話，低溫會使C擴散困難，不利于形成一定量的先共析鐵素體，會影響鋼材的韌性.

圖2 試驗用高Nb X80管線鋼在不同冷速下的SEM組織(a)冷速15 ℃/s；(b)冷速25 ℃/sFig.2 SEM images of the high-Nb X80 pipeline tested steel at different cooling rates(a) cooling rate of 15 ℃/s；(b) cooling rate of 25 ℃/s

3.2 含Nb量對MA島的影響

圖3為低Nb X80管線鋼在15 ℃/s和25 ℃/s冷卻速度下的掃描電鏡組織.由圖2和圖3可見，當(dāng)冷卻速度為15 ℃/s時，高Nb X80管線鋼中的MA島以條狀為主，多分布在板條狀貝氏體和鐵素體的內(nèi)部，且有一定的方向性(圖2(a))，而在此冷速下，低Nb X80管線鋼中的MA島以點狀和塊狀為主，在鐵素體晶內(nèi)及晶界處均有分布，所含長條狀MA島的數(shù)量遠(yuǎn)低于高Nb X80管線鋼(圖3(a)).當(dāng)冷卻速度為25 ℃/s時，高Nb和低Nb X80管線鋼中的MA島數(shù)量均有所增加，尺寸更為細(xì)小圓滑，分布也更均勻.在25 ℃/s冷速下，兩種鋼中的MA島的形貌差異更為明顯，但基本不存在異形的MA島.高Nb X80管線鋼中幾乎全部為長條狀MA島，分布在板條狀貝氏體和鐵素體的內(nèi)部或之間，構(gòu)成小角度晶界(圖2(b))，而低Nb X80管線鋼中的MA島仍以點狀和塊狀為主(圖3(b)).

圖3 試驗用低Nb X80管線鋼在不同冷速下的SEM組織(a)冷速15 ℃/s；(b)冷速25 ℃/sFig.3 SEM images of low-Nb X80 pipeline test steel at different cooling rates(a) cooling rate of 15 ℃/s；(b) cooling rate of 25 ℃/s

由此可見，冷卻速度對高Nb X80管線鋼中的MA島的影響更明顯，適當(dāng)提高冷卻速度可使鋼中的MA島尺寸減小，變得較為規(guī)則，且分布較為彌散，這對高Nb X80管線鋼性能的提高是有利的.

3.3 X80管線鋼中MA島的成因及控制措施

MA島的形狀、大小及分布等特征主要是受鋼的成分和冷卻速度的影響.成分對MA島特征的影響主要體現(xiàn)在C含量以及所添加的微量元素在鋼中所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù).

MA島是富C組織，一般而言，在相同的條件下，C含量越多，MA島的數(shù)量也越多，而C含量對MA島形貌的影響不大.通過掃描電鏡可觀察到低Nb X80管線鋼中的MA數(shù)量明顯多于高Nb X80管線鋼的，而實際上低Nb X80管線鋼中的C含量是高于高Nb鋼的(表1)，也就是說C含量對MA島數(shù)量的影響理論分析和試驗結(jié)果是一致的.

由于兩種X80管線鋼中都沒有添加元素V，而Ti含量基本相同，鈦在高溫下形成的TiN粒子具有很高的熱力學(xué)穩(wěn)定性，很難固溶于再加熱態(tài)的連鑄坯中.因此，元素Nb的含量是影響MA島特征的主要因素.由于兩種鋼的熱模擬試驗參數(shù)完全一致，所以鋼中MA島形貌等特征的差異主要是由元素Nb含量的不同造成的.Nb含量的增加促進(jìn)了條狀MA島的出現(xiàn)，且主要分布在板條狀貝氏體和鐵素體束的內(nèi)部或板條束之間.這是因為微合金元素Nb和Ti在增加管線鋼奧氏體穩(wěn)定性的同時，能夠使鐵素體板條化傾向更為顯著，從而導(dǎo)致MA島多分布于板條間且呈長條狀.

MA島作為一種硬質(zhì)相，其尺寸大小、形態(tài)、分布和數(shù)量對于鋼的性能尤其是強韌性影響很大.對于所研究的高Nb X80管線鋼而言，一定數(shù)量的、長寬比相對較小的MA島對鋼的性能尤其是強度的提高非常有利.而在試驗研究中，利用透射電鏡在高Nb X80管線鋼中也發(fā)現(xiàn)了一些尺寸較大，形狀不規(guī)則，存在尖角的MA島.由于MA島為富C組織，所以其含C量高于基體，因此，顏色比基體深一些(圖4).研究結(jié)果表明，當(dāng)MA島的長寬比大于4時，會給鋼的性能帶來不利的影響.

圖4 試驗用高Nb X80管線鋼中不規(guī)則MA島形貌Fig.4 Irregular morphology of MA island in the high-Nb X80 pipeline tested steel

鋼在變形時會集中大量的應(yīng)變，應(yīng)變的分配與鋼中MA島的數(shù)量密切相關(guān)，MA島的數(shù)量越多，所承受的應(yīng)變量也越大，變形后組織的位錯密度就越高.因此，在一定體積范圍內(nèi)提高M(jìn)A島的數(shù)量可以有效地提高鋼材的強度和韌性.當(dāng)組織中MA島的體積分?jǐn)?shù)一定時，MA島的尺寸越大，對位錯起有效阻礙的粒子越少，在組織中能塞積的位錯數(shù)量少，鋼材的強度就低.而當(dāng)MA島的體積分?jǐn)?shù)和大小一定時，其形狀對鋼的強度和韌性也有較大的影響.有尖角的方形或三角形的MA島比點狀或圓形的MA島在變形時更容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而誘發(fā)裂紋，降低了材料的強度和DWTT(落錘撕裂性能)值.如果MA島在晶界呈鏈狀或網(wǎng)狀分布，對鋼的強韌性非常有害.因為在外力的作用下，裂紋可以沿著相界迅速擴展，引起脆性斷裂，而細(xì)小彌散分布的MA島組織則不易出現(xiàn)裂紋.理想的MA島應(yīng)該是數(shù)量少、尺寸小、分布均勻，形狀接近無尖角的圓形或球狀.

在實際生產(chǎn)中，通過調(diào)整成分或工藝參數(shù)來減少或抑制不規(guī)則、尖角、長寬比大于4的MA島的產(chǎn)生.根據(jù)高Nb X80管線鋼的成分和實際生產(chǎn)條件，在Nb含量比較高(0.095%)的情況下，為避免MA島對鋼的性能可能帶來的不利影響，通過進(jìn)一步降低C含量(≤0.03%)來控制MA島的數(shù)量，或在控制N含量低于30ppm的前提下，按TiN的理論化學(xué)配比值3.42，調(diào)整鋼中的Ti含量[8]，較低的Ti含量可降低高Nb X80管線鋼中MA島的長寬比.研究結(jié)果表明，Ti元素在X80管線鋼中的含量小于0.015%時，鋼的性能較為理想[9-10].

4 結(jié) 論

(1)當(dāng)冷速從15 ℃/s提高到25 ℃/s時，MA島不僅尺寸變小，而且分布更為彌散、均勻，形狀趨于無尖角的圓形或球狀，對管線鋼的力學(xué)性能有利.

(2)在相同的冷卻速度下，提高Nb含量，鋼中出現(xiàn)了更多的條狀MA島，多分布在板條狀貝氏體和鐵素體內(nèi)部或板條之間，表明高Nb含量促進(jìn)了MA島從點、塊狀向條狀轉(zhuǎn)變.

(3)通過成因分析并結(jié)合生產(chǎn)實踐，對C，N和Ti的加入量進(jìn)行合理調(diào)整，可減少高Nb X80管線鋼中帶有尖角或長寬比較大的MA島的數(shù)量，以提高X80管線鋼的性能.

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Effect on the island of X80 pipeline steel by cooling rate and Nb content

HAN Chen，SUN Futao

LuoyangEngineeringandResearchInstituteforNon-ferrousMetalsProcessing，Luoyang471039，China

The size and morphology and distribution feature of MA (marttensite and austenite) islands in the high-Nb X80 pipeline steel were investigated and analyzed by the OM(optical microscope), SEM(scanning electron microscope) and TEM(transmission electron microscope). MA islands of the high-Nb X80 pipeline steel became more fine and uniform when cooling rate was increased after hot rolled and high-Nb content could promoted formation of the strip morphology MA island. The adverse effects on the high-Nb X80 pipeline steel properties of the MA island could be reduced when the composition and cooling rate were adjusted.

X80 pipeline steel；MA island；high-Nb content；cooling rate；thermal simulation

2015-01-09

韓晨(1982-)，男，河南正陽人，工程師，碩士.

1673-9981(2015)02-0120-05

TG146.22

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