X80管線鋼不同組織形態(tài)的顯微結構特征研究

李為衛(wèi) 馮耀榮 高惠臨

(1.中國石油集團石油管工程技術研究院 陜西 西安 710077;2.西安石油大學 陜西 西安 710065)

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·試驗研究·

X80管線鋼不同組織形態(tài)的顯微結構特征研究

李為衛(wèi)1馮耀榮1高惠臨2

(1.中國石油集團石油管工程技術研究院 陜西 西安 710077;2.西安石油大學 陜西 西安 710065)

現代管線鋼是一種控軋、控冷狀態(tài)的低碳微合金化鋼。由于低碳、超低碳和多元的微合金化設計，以及在控軋、控冷過程中溫度、變形量、冷卻速度等不同工藝參數的變化，管線鋼的顯微組織形態(tài)呈現多樣性和復雜性。在對西氣東輸二線工程中不同廠家生產的X80管線鋼顯微組織大量分析的基礎上，總結出來X80管線鋼顯微組織類型、形成機理、形貌特征和鑒別方法。為便于從事研究開發(fā)和檢驗的人員對管線鋼的組織進行分析和鑒別，文章簡要介紹X80管線鋼幾種主要組織形態(tài)的顯微結構特征。

管線鋼；顯微結構形態(tài)；特征

0 引 言

現代管線鋼是一種控軋、控冷狀態(tài)的低碳微合金化鋼。由于低碳、超低碳和多元的微合金化設計，以及在控軋、控冷過程中溫度、變形量、冷卻速度等不同工藝參數的變化，管線鋼的顯微組織形態(tài)呈現多樣性和復雜性。雖然管線鋼的相變過程大多在類似于中碳鋼典型貝氏體形成的溫度范圍內進行，然而由于管線鋼含碳量較低，在其非平衡的相變產物中通常不含有滲碳體，而表現出一些特殊的組織形態(tài)特征[1～3]。

針狀鐵素體是現代管線鋼中廣泛使用的顯微組織專用術語。在管線鋼中的所謂針狀鐵素體，其實質是粒狀鐵素體、貝氏體鐵素體或是粒狀鐵素體與貝氏體鐵素體組成的復相組織。對針狀鐵素體形態(tài)的具體描述應該是：針狀鐵素體具有不規(guī)則的非等軸形貌，在非等軸鐵素體之間存在M-A組元，在鐵素體內具有高密度位錯。近年來，在國內外有關管線鋼的文獻中，針狀鐵素體這一術語已逐漸被淡化，針狀鐵素體常被稱為退化上貝氏體，或被稱為粒狀貝氏體[1～3]。

近幾十年來，國際上對管線鋼的顯微組織結構經過長期的研究，對管線鋼在不同微合金化和不同TMCP條件下形成的顯微組織有過不同的理解和描述。西氣東輸二線工程大規(guī)模采用X80管線鋼，由許多廠家生產，合金成分和軋制工藝也不盡相同，組織形貌各異。對該工程中使用的不同廠家生產的X80管線鋼的顯微組織進行了大量研究，總結了X80管線鋼各種組織形態(tài)的形成機理、形態(tài)特征、亞結構及鑒別方法等，形成了專著，本文簡要介紹主要幾種組織形態(tài)的顯微結構特征。

1 主要顯微組織的特征及鑒別

1.1 多邊形鐵素體

多邊形鐵素體(PF)是在較高的轉變溫度，慢的冷卻速度條件下形成。其形成機理特征為：擴散型轉變；成分與原奧氏體的不同；優(yōu)先在原奧氏體晶界形核，其生長表現為置換原子的快速遷移和碳原子的長程擴散，生長速度慢；接近平衡相；與母相有確定的關系，與母相共格或半共格；當應變小時，PF優(yōu)先在原奧氏體晶界形核，隨變形量增大，未再結晶區(qū)內部出現大量形變帶，不僅在晶界上，在變形帶上也形成PF；隨冷卻速度增加，PF相變受到抑制。

PF的形態(tài)特征為：優(yōu)先從原奧氏體晶界形核，其生長可越過原奧氏體晶界，使原奧氏體界輪廓被掩蓋；具有規(guī)則的晶粒外形，呈等軸或規(guī)則的多邊形；晶界清晰、

光滑、平直；在光學顯微鏡和TEM下基體呈亮白色，晶界呈灰黑色；在SEM下，基體呈灰黑色，晶界呈亮白色。

PF中第二相，若碳含量超過PF的固溶度，在PF基體旁存在富碳區(qū)。富碳奧氏體較穩(wěn)定，不形成PF，在繼續(xù)冷卻過程中發(fā)生復雜的轉變。在光學顯微下可見黑色蝕刻區(qū)，此黑色蝕刻區(qū)為M-A的退化組態(tài)，即珠光體(P)，退化珠光體(P′)或典型貝氏體(UB、LB)。

PF具有低的位錯密度，沒有明顯的亞結構。從力學性能角度講，PF具有較低的強度和硬度，較高的塑性。

圖1為三種X80管線鋼的光學顯微組織照片。在光學顯微鏡下，PF為亮白色，呈規(guī)則的晶粒外形，或為等軸晶，或為規(guī)則的多邊形。晶界呈黑色，清晰可辨。因三種管線鋼成分設計和TMCP工藝的差異，PF含量不一。隨淬透性合金元素的增加和冷卻速度的增加，PF相變受到抑制。其中，圖1中最后一種材料的組織以PF為主，強度水平低，未達到X80鋼的技術要求。

圖1 三種X80管線鋼的光學顯微組織照片

圖2為一種X80管線鋼在掃描電鏡(SEM)下的顯微組織照片。在不同放大倍數下，PF呈灰暗色，白色的晶界宛如交織的網絡。局部區(qū)域可見白色斑點狀的P或P′。

圖3為PF在透射電鏡(TEM)下的典型形貌。PF為接近平衡的組織結構，晶界平直，在三叉晶界處相互呈120°，內部位錯密度較低，沒有明顯亞結構形成。

圖2 一種X80管線鋼SEM照片

圖3 一種X80管線鋼PF組織TEM照片

1.2 準多邊形鐵素體

準多邊形鐵素體(QF)形成的轉變溫度較PF低，而冷卻速度快。其機理特征為：屬塊狀轉變，因此QF又稱塊狀鐵素體(Massive Ferrite，簡寫為MF)；不需長程擴散，新相與母相成分相同；原子的置換和遷移發(fā)生在界面上，生長受界面上的短程擴散所控制，轉變速度快；轉變產物與母相非共格，且無一定的位向關系，大角度晶界。

QF的形態(tài)特征為：在母相晶界或晶內形成；生長可越過原奧氏體晶界，使原奧氏體晶界輪廓被掩蓋；形態(tài)不規(guī)則，呈無特征的碎片，大小參差不齊；邊界粗糙、模糊，凸凹不平，呈鋸齒狀或波浪狀。

QF中的第二相偶爾可見黑色蝕刻區(qū)，為M-A組元。QF的亞結構具有較高的位錯密度，比PF中的位錯密度高一個數量級。QF的力學性能特點為：較好的強度、塑性，低的屈強比和高的應變硬化能力。

圖4為兩種X80管線鋼的光學顯微組織照片，其中含有部分QF。QF與PF極為相近，但仔細觀察，其間仍有不同。在光學顯微鏡下，QF與PF的主要差別是：(1)PF為等軸晶或規(guī)則的多邊形；QF的形態(tài)則高度不規(guī)則。(2)PF呈明亮白色；QF則相對較暗。(3)PF的內部潔凈；QF則可見稀疏的黑色點狀蝕刻區(qū)。(4)PF的晶界清晰、完整、光滑、平直；QF晶界則相對模糊、不連續(xù)、呈鋸齒狀。

圖5為一種X80管線鋼在不同放大倍數下的SEM照片，含較多的QF。在SEM下，QF呈灰黑色，形狀高度不一致；晶界為白色，呈不連續(xù)的鋸齒狀。QF 的形狀和晶粒大小參差不一。

圖4 兩種X80管線鋼的光學顯微組織照片

圖5 一種X80管線鋼SEM照片

圖6 一種X80管線鋼QF組織TEM照片

1.3 粒狀貝氏體鐵素體[4～6]

粒狀貝氏體鐵素體(GB或GF)形成的轉變溫度較QF低，冷卻速度快，其形成機理為切變和擴散混合型轉變。GB在原奧氏體晶界部分存在，有二類形態(tài)：(1)伸長的鐵素體條，具有板條的輪廓并排列成束。板條間為小角度晶界，板條束間為大角度晶界。由于同一板條束中的條具有相同的晶體學位向(位向差約為6°～8°)，板條之間為小角度晶界，對侵蝕不敏感，板條界不清晰，因而在光學顯微鏡下GB為塊狀。板條的形態(tài)需借助TEM分辨。(2)不規(guī)則、無特征的外形。與QF較為相似，因此也稱為粒狀組織。在管線鋼中，以第一類GB為主，第二類GB在中溫相變區(qū)的較高溫度下形成。

GB中的第二相在鐵素體板條間或不規(guī)則外形鐵素體邊界上存在M-A島狀組織，在光學顯微鏡下，M-A呈粒狀或點狀，在SEM和TEM下，M-A呈塊狀或條狀。GB具有高的位錯密度的亞結構。在管線鋼材料中，由于M-A組元細小，GB組織有較好的強韌特性。

圖7為兩種X80管線鋼的光學顯微組織照片，主要組織形態(tài)為GB。GB主要呈伸長的條狀，條之間為小角度晶界。然而這種小角度晶界不易侵蝕，因而在光學顯微鏡下，GB表現為不規(guī)則的塊狀。在亮白色的塊狀GB內部和邊界可見M-A島狀組織。在塊狀邊界的島狀組織多呈亮白的粒狀，在塊狀內的島狀組織多呈細小的黑色點狀。TEM觀察表明，塊狀內的這種島狀組織實際上位于GB板條之間。

圖7 兩種X80管線鋼的光學顯微組織照片

圖8為一種X80管線鋼在不同放大倍數下GB的SEM組織形態(tài)。黑色背景為GB基體，亮白色為GB的晶界和M-A島狀組織。由亮白色的晶界和M-A顆粒勾勒出GB的外部特征，或呈板條狀，或呈不規(guī)則塊狀。

圖9為TEM下一種X80管線鋼中GB的典型組織形態(tài)。以板條狀形態(tài)特征的GB成束分布，GB板條之間為塊狀或條狀的M-A組元。一般認為，在同一板條束中，相鄰板條間的位向差為6°～8°，為小角度晶界。

圖8 一種X80管線鋼SEM照片

圖9 一種X80管線鋼GF組織TEM照片

1.4 貝氏體鐵素體[4～6]

貝氏體鐵素體(BF)形成條件較GB更低的轉變溫度，更快的冷卻速度。其形成機理為切變和擴散混合型轉變。BF的形態(tài)特征為：原奧氏體晶界被保留；鐵素體呈板條狀平行排列，形成板條束，板條間為小角度晶界，板條束界為大角度晶界；相對于GB，板條長、窄，板條界明晰；鐵素體板條在光學顯微鏡下依稀可見，在TEM下可清晰辨認；不同位向的板條束將原奧氏體晶粒分割成不同區(qū)域，勾勒出原奧氏體晶界；當形成溫度高時，板條不發(fā)達或發(fā)生回復，板條界則不清晰。

布魯氏桿菌病的臨床特征與其他傳染病十分接近，因此，僅將臨床癥狀或者病例變化作為診斷的依據，診斷效果不理想。目前對牛羊是否感染布魯氏桿菌病進行診斷，有必要借助于血清學以及細菌學等病例反應，使病情診斷的準確度得到切實提升。如利用病菌學對病理進行診斷時，可將牛群或者羊群中懷疑感染布魯氏桿病菌的胎衣、病變位置、流產胎兒等進行膜片染色鏡檢，如檢查的染色鏡轉變?yōu)榧t色則證實該?；蛘哐蛞迅腥静剪斒蠗U菌病。

BF中的第二相為鐵素體板條間分布著薄膜狀或針狀M-A組元，亞結構具有高的位錯密度。BF組織有較好的強韌特性，板條的大小和長寬比對強韌性產生影響。

圖10為兩種X80管線鋼的光學顯微組織照片。主要為粒狀貝氏體組織，在局部區(qū)域偶爾可發(fā)現BF，隱約可見亮白色的BF成束分布。BF板條間分布著針狀或薄膜狀M-A組元。

圖10 兩種X80管線鋼的光學顯微組織照片

圖11為一種X80管線鋼在不同放大倍數下的SEM照片。局部區(qū)域可見BF成束分布，板條BF成暗黑色，板條界和M-A呈亮白色。

圖12為BF組織在TEM下的典型形態(tài)。相對GB而言，由于BF在低溫高應變的過冷奧氏體形成，致使BF板條清晰可辨，BF板條內有高密度的位錯，板條間的M-A呈針狀或薄膜狀分布。

圖11 一種X80管線鋼SEM顯微照片

圖12 一種X80管線鋼BF組織TEM照片

1.5 馬氏體-奧氏體組元

管線鋼中馬氏體-奧氏體組元(M-A)大量出現，且對性能有重要影響。M-A是在連續(xù)冷卻過程中，過冷奧氏體轉變成鐵素體而形成。鐵素體對碳的固溶度較低，超過固溶度的碳被排除到尚未轉變的奧氏體，致使奧氏體富聚碳。在隨后的冷卻過程中，富碳的過冷奧氏體轉變?yōu)轳R氏體，少量奧氏體因轉變不完全而被保留，即形成馬氏體-奧氏體(M-A)組織，亦稱為M-A組元。

M-A的形態(tài)特征為：M-A分布在鐵素體邊界之間，也存在于原奧氏體晶界；M-A具有不同的形態(tài)，通稱為M-A島狀組織，在光學顯微鏡下，較大尺寸的M-A呈顆粒狀呈亮白色，較小尺寸的M-A呈點狀的灰黑色；在SEM下M-A為亮白色，在TEM下M-A為黑色，呈塊狀、條狀、針狀和薄膜狀等多種形狀。

M-A具有退化形態(tài)。當冷卻速度較小，富碳奧氏體在較Ms高的溫度發(fā)生轉變時，則可能形成Fe3C。含有Fe3C的轉變產物可為珠光體(P)、退化珠光體(P′)或典型的貝氏體(UB、LB)。在光學顯微鏡中為黑色蝕刻區(qū)，在SEM和TEM下，可辨認其中的鐵素體和Fe3C。在退化珠光體(P′)中，Fe3C不連續(xù)，呈斷續(xù)狀。在一定條件下，富碳奧氏體可全部保留至室溫。在M-A的M中，可觀察到局部孿晶的亞結構特征。

圖13為兩種X80管線鋼的光學顯微組織照片。在以GB為主的組織形態(tài)中，可發(fā)現M-A島狀組織或為亮白色顆粒，或為黑色點狀分別分布于亮白色塊狀GB的邊界和內部。如前所述，GB板條間的小角度晶界不易侵蝕，在光學顯微鏡下難以分辨。因而在光學顯微鏡下所觀察到的塊狀GB實質是一束晶體學位向大致相同的GB板條。亮白色顆粒和黑色點狀的M-A島狀組織實質上分別分布于GB的板條束界和板條界。

圖14為兩種X80管線鋼的SEM照片，由圖可見M-A在不同放大倍數下的形態(tài)和大小。圖14a)白色粒狀和白色塊狀為M-A組元。圖14b)為以PF和QF為主的一種X80管線鋼，可以發(fā)現以退化珠光體P′或B為形態(tài)特征的島狀組織。

圖13 兩種X80管線鋼的光學顯微組織照片

圖14 兩種X80管線鋼的SEM照片

圖15是在TEM下一種X80管線鋼中M-A島狀組織的典型形態(tài)。M-A以一定尺寸的塊狀和粒狀分布在GB板條界。M-A是由高碳馬氏體和奧氏體組成，在金屬薄膜制樣過程中，不易接受腐蝕，在TEM下電子束不易通過，因而M-A在TEM下通常顯現暗黑色。

由于M-A的亞結構主要為孿晶，故隨M-A含量增加，材料的強度增加，韌性下降。M-A的形態(tài)、數量、大小及分布對強韌性產生重要影響，小、勻、圓的M-A有利于強韌性提高。圖16是利用圖像處理軟件對一種X80管線鋼M-A的定量金相分析圖，圖中白色背景主要為GB，黑色和紅色主要為M-A，M-A含量的分析結果為17.5%。

2 結束語

管線鋼的顯微組織受合金成分、軋制工藝等多種因素的影響，類型多，形態(tài)復雜，鑒別難度大。顯微組織是決定材料性能的內在因素，為了提高管線鋼的性能，改進工藝和進行產品檢驗，必須對其顯微組織結構進行分析和鑒別。受篇幅的限制，本文只介紹X80管線鋼典型鋼種的主要組織形態(tài)，詳細的研究和鑒別可以參考文獻[1]。該文獻結合管線鋼組織中各種組織組成物的形成機理，闡述了X80管線鋼的組織特征及鑒別方法，從事高性能管線鋼研究開發(fā)、組織分析鑒別和工程檢驗的科技人員可以參考。

圖15 一種X80管線鋼MA組織TEM顯微照片

圖16 一種X80管線鋼M-A定量金相分析圖

[1] 馮耀榮，高惠臨，霍春勇，等.管線鋼顯微組織的分析與鑒別[M]，西安：陜西科學技術出版社，2008：11-83.

[2] 高惠臨. 管線鋼與管線鋼管[M].北京：中國石化出版社，2012：60-77.

[3] 李鶴林，郭生武，馮耀榮，等. 高強度微合金管線鋼顯微組織分析與鑒別圖譜[M]. 北京：石油工業(yè)出版社，2001：8-10.

[4] 康沫狂.貝氏體相變理論研究工作的重要回顧[J].金屬熱處理學報，2000，21(2)：1-7.

[5] Araki T., 1991, “Microstructure Aspects of Bainite and Bainite-Like Ferrite Structure of Continuously Cooled Low Carbon Steels,” Materials Trans JIM, 32(8),729-736.

[6] Ohmori Y., 1995, “Bainite Transformations in Extremly Low Carbon steels,” ISIJ Inter, 35(8), 962-968.

·專利技術·

專利名稱：一種隨鉆聲波測井儀器及測井方法

專利申請?zhí)枺篊N201210155064.X 公開號：CN102720484A

申請日：2012.05.18 公開日：2012.10.10

申請人：中國海洋石油總公司;中海油田服務股份有限公司

本發(fā)明公開了一種隨鉆聲波測井儀器及測井方法，克服目前采用在鉆鋌刻槽和鑲嵌重金屬來實現隔聲要求所導致的損害鉆鋌強度且隔聲效果有限的不足，其中該方法包括：產生聲波信號；采集該聲波信號在地層中傳播而感應出的震電信號。本發(fā)明的實施例不需要對設備結構設計隔聲體，儀器結構簡單，測量精度和可靠性高，制作成本低，進而極大優(yōu)化隨鉆聲波測井儀器的結構設計，降低設備制造成本，提高隨鉆聲波測井技術的應用水平。

(王元蓀 提供)

Study on the Feature of X80 Pipeline Steel Microstructural Morphologies

LI Weiwei1FENG Yaorong1GAO Huilin2

(1.CNPCTubularGoodsResearchInstitute,Xi’an，Shaanxi710077,China; 2.Xi’anShiyouUniversityXi’an，Shaanxi710065,China)

Modern pipeline steel is a kind of low-carbon and micro-alloy steel which makes use of controlled rolling & controlled cooling process technology. Due to low carbon and multi micro-alloy design and the variety of the parameters such as temperature, deformation and cooling speed during the process of controlled rolling and controlled cooling, the pipeline steel microstructures exhibit the character of diversity and complexily. On the basis of great amount analysis of the X80 pipeline steel by different pipe mills in the 2ndwest-east gas transmission pipeline project, the type, formation mechanism, morphology feature and identification method of the X80 pipeline steel are concluded. In order to analyze and identify the microstructure of pipeline steel, this thesis introduces microstructure morphologies features of X80 pipeline steel.

pipeline steel， micro structural morphologies， feature

李為衛(wèi)，男，1965年生，碩士，高級工程師。1988年畢業(yè)于西安交通大學焊接專業(yè)，主要從事油氣輸送管材料研究及標準化工作。E-mail：liweiwei001@cnpc.com.cn

TG142

A

2096-0077(2015)01-0036-07

2014-12-18 編輯：馬小芳)