高NbX80管線鋼M/A島研究

韓 晨，孫付濤

﹙中色科技股份有限公司，河南 洛陽471039﹚

高NbX80管線鋼M/A島研究

韓 晨，孫付濤

﹙中色科技股份有限公司，河南 洛陽471039﹚

以高Nb X80管線鋼為研究對(duì)象，對(duì)鋼中M/A島的大小、形貌和分布特征進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，冷卻速度的提高使鋼中M/A島尺寸更為細(xì)小，分布更為彌散、均勻，形貌趨于圓形或球狀，有利于提高管線鋼的力學(xué)性能；相同的冷卻速度下，提高Nb含量可以促進(jìn)了條狀M/A島的生成，說明高Nb含量促進(jìn)了M/A島從點(diǎn)狀、塊狀向條狀的轉(zhuǎn)變；合金成分和冷卻速度的調(diào)整可以減少M(fèi)/A島對(duì)鋼性能產(chǎn)生的不利影響。

高Nb鋼；X80管線鋼；M/A島；合金成分；冷卻速度

0 前 言

隨著社會(huì)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，這對(duì)管線用鋼的綜合力學(xué)性能尤其是強(qiáng)度和韌性提出了更高的要求[1-3]。

M/A島是低C微合金鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w時(shí)，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(duì)于高Nb X80管線鋼而言，M/A島主要是富C奧氏體難以保留至室溫，在冷卻時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體而形成的。M/A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(huì)點(diǎn)，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，這可能是貝氏體鋼在保持高強(qiáng)度水平的同時(shí)仍具有良好的韌性的原因之一。然而M/A島畢竟是脆性組成物，它對(duì)管線鋼的韌性存在不良作用，因此M/A島也是低C貝氏體的一個(gè)組織特征，M/A島的數(shù)量、大小、形態(tài)及分布對(duì)管線鋼的強(qiáng)韌性及HIC抗力有一定的影響[4-6]。目前，關(guān)于M/A島特征影響因素的研究較少，從理論上分析主要還是成分和冷卻速度。

為了分析高Nb X80管線鋼中M/A島的組織特征，并得出冷卻速度和高Nb含量對(duì)其大小、形狀、分布特征的影響，筆者利用Gleeble－2000熱模擬試驗(yàn)機(jī)、金相顯微鏡、掃描電鏡和透射電鏡等對(duì)某企業(yè)生產(chǎn)的高Nb X80管線鋼進(jìn)行了觀察分析。同時(shí)，通過和低Nb X80管線鋼中M/A島的對(duì)比，得出了高Nb含量對(duì)M/A島產(chǎn)生的影響，并提出了M/A島的工藝控制措施。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選擇某企業(yè)生產(chǎn)的高Nb、低Nb X80管線鋼連鑄坯，鍛打后進(jìn)行取樣試驗(yàn)，其主要化學(xué)成分見表1。

表1 試驗(yàn)用鋼化學(xué)成分 %

1.2 試驗(yàn)規(guī)程

為了更好地反映生產(chǎn)實(shí)際，熱模擬試驗(yàn)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。

控軋控冷工藝試驗(yàn)規(guī)程：將規(guī)格為φ10 mm×15 mm的高Nb、低Nb X80管線鋼圓柱形熱模擬試樣以50℃/s的速度加熱到1 100℃，然后再以10℃/s的速度加熱到1 220℃并保溫3 min。然后以2℃/s的速度冷卻到1 100℃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的速度冷卻到930℃進(jìn)行第二道次壓下，壓下量為5mm（壓下率50.0%），應(yīng)變速率10 s-1。其中降溫到1 100℃和930℃時(shí)，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的速度冷卻到850℃，再以15℃/s和25℃/s的冷速分別冷卻到530℃，然后空冷至室溫。

將經(jīng)過熱模擬試驗(yàn)后的試樣沿兩個(gè)熱電偶所在的平面進(jìn)行分切，然后根據(jù)試驗(yàn)需要進(jìn)行制樣、研磨、侵蝕或拋光，并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M/A島組織特征

以15℃/s的冷速從850℃冷卻到530℃的高Nb X80管線鋼的金相顯微組織和掃描電鏡組織（SEM）如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)用高Nb X80管線鋼的微觀組織

從圖1（a）可以看出，高Nb X80管線鋼整體晶粒尺寸較小，組織中存在粒狀貝氏體、針狀鐵素體和塊狀鐵素體，并以粒狀貝氏體組織為主。圖1（b）中可以看出，M/A島狀組織多為點(diǎn)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(shí)，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。由于相變溫度高，相變驅(qū)動(dòng)力小，轉(zhuǎn)變不能進(jìn)行到底，少量奧氏體殘留下來，以島的形式分布于板條間，同時(shí)在大角度晶界上也常有小島存在，這應(yīng)該是C沿晶界擴(kuò)散較快的原因。

在高Nb X80管線鋼M/A島的控制上，筆者通過在總壓下量一定的情況下，分配奧氏體再結(jié)晶區(qū)和未再結(jié)晶區(qū)的壓下量分別為23.3%和56.5%，33.3%和50.0%，壓下量43.3%和41.2%進(jìn)行試驗(yàn)分析和對(duì)比。試驗(yàn)得出了在滿足33.3%和50.0%兩階段分配壓下量基礎(chǔ)上，通過提高第二階段即未再結(jié)晶區(qū)的變形量，可以得到較為理想的M/A島形狀、尺寸和分布狀態(tài)。

3 冷卻速度對(duì)M/A島的影響

軋后冷卻控制對(duì)微合金鋼的組織和性能產(chǎn)生非常重要的影響。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(shí)，隨冷卻速度的提高，先共析鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變被抑制，組織中將出現(xiàn)貝氏體和M/A組織等低溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，鋼的力學(xué)性能尤其是屈服強(qiáng)度顯著提高[7]。

在本試驗(yàn)方案中設(shè)定了2個(gè)不同的冷速參數(shù)，以分析冷卻速度對(duì)高Nb X80管線鋼中M/A島的影響。圖2為高Nb X80管線鋼在15℃/s和25℃/s冷卻速度下的掃描電鏡組織。

圖2 試驗(yàn)用高Nb X80管線鋼不同冷速下的SEM組織

從圖2可以看出，當(dāng)冷速為從15℃/s提高到25℃/s時(shí)，高Nb X80管線鋼組織中存在的尺寸較大的粒狀貝氏體和塊狀鐵素體變得細(xì)小和均勻。同時(shí)可以看出，M/A島組織變得更為細(xì)小、均勻，接近球形和彌散分布，細(xì)小均勻的M/A島組織能有效的提高管線鋼的強(qiáng)韌性。

由于只是冷卻速度的不同，而其他控軋控冷工藝參數(shù)均相同，根據(jù)熱力學(xué)和相變動(dòng)力學(xué)分析其原因，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，M/A島越細(xì)小，形狀越接近球形。但冷卻速度越大，溫度降低越快，而溫度越低，C擴(kuò)散越困難，不利于形成一定量的先共析鐵素體，會(huì)影響鋼材的韌性。

4 高Nb對(duì)M/A島的影響及其成因

4.1 高Nb含量對(duì)M/A島的影響

為了分析高Nb含量對(duì)X80管線鋼中M/A島大小、形狀、分布等特征的影響，選擇控軋控冷工藝規(guī)程相同的低Nb X80管線鋼掃描電鏡組織進(jìn)行對(duì)比分析，如圖3所示。

對(duì)比和分析相同冷速下的高Nb、低Nb X80管線鋼SEM組織，當(dāng)冷卻速度為15℃/s時(shí)，高Nb X80管線鋼中的M/A島以條狀為主，多分布在板條狀貝氏體和鐵素體的內(nèi)部，有一定的方向性。而在此冷速下低Nb X80管線鋼中的M/A島以點(diǎn)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M/A島的數(shù)量遠(yuǎn)低于高Nb X80管線鋼。當(dāng)冷卻速度提高到25℃/s時(shí)，高Nb和低Nb X80管線鋼中M/A島數(shù)量均有所增加，尺寸更為細(xì)小圓滑，分布也更為均勻。25℃/s冷速下兩種鋼中的M/A島形貌差異更為明顯，但基本不存在異形的M/A島。高Nb X80管線鋼中幾乎全部為長條狀的M/A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，而低Nb X80管線鋼中的M/A島仍以點(diǎn)狀和塊狀為主。

圖3 試驗(yàn)用低Nb X80管線鋼不同冷速下有SEM組織

由以上分析可知，冷卻速度對(duì)高Nb X80管線鋼中的M/A島影響相比于低Nb鋼來說更為明顯，適當(dāng)?shù)奶岣呃鋮s速度能夠使鋼中的M/A島尺寸減小，變得較為規(guī)則，且分布較為彌散，這對(duì)高Nb X80管線鋼性能的提高是有利的。

4.2 高Nb鋼中M/A島的成因及控制措施

M/A島的形狀、大小及分布等特征主要受到鋼的成分和冷卻速度的影響。成分對(duì)M/A島的影響主要體現(xiàn)在C的含量以及所加微合金元素在鋼中所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

由于M/A島是富C組織，一般C含量越多，相同條件下M/A的數(shù)量也越多，而C含量的高低對(duì)M/A島的形貌影響較小。研究中通過掃描電鏡觀察到低Nb X80管線鋼中的M/A數(shù)量明顯多于高Nb X80管線鋼，而實(shí)際成分中低Nb X80管線鋼中的C含量是高于高Nb鋼的（見表1），也就是說C含量對(duì)M/A數(shù)量的影響理論分析和試驗(yàn)結(jié)果是一致的。

兩種鋼中都沒有添加V，Ti的含量基本相同，而其在高溫下形成的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。所以，Nb的含量成為兩種X80管線鋼中微合金元素影響M/A島的主要因素。由于兩種鋼的熱模擬試驗(yàn)參數(shù)完全一致，所以，鋼中M/A島形貌等特征的差異主要是由元素Nb的含量不同所引起。Nb含量的增加促進(jìn)了條狀M/A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?yàn)槲⒑辖鹪豊b和Ti在增加管線鋼奧氏體穩(wěn)定性的同時(shí)，能夠使鐵素體板條傾向更為顯著，從而導(dǎo)致M/A島多分布于板條間呈長條狀。

M/A島作為一種硬質(zhì)相，其尺寸大小、形態(tài)、分布和數(shù)量對(duì)于鋼的性能尤其是強(qiáng)韌性影響很大。對(duì)于所研究的高Nb X80管線鋼，一定數(shù)量的、長寬比相對(duì)較小的M/A島對(duì)鋼的性能尤其是強(qiáng)度的提高非常有利。而在試驗(yàn)研究中，在高Nb X80管線鋼中利用透射電鏡也發(fā)現(xiàn)了一些尺寸較大、形狀不規(guī)則、存在尖角的M/A島（由于M/A島為富C組織，所以其含C量高于基體，因此顏色也比基體深一些），如圖4所示。研究表明，當(dāng)M/A島的長寬比大于4時(shí)，會(huì)給鋼的性能帶來不利影響。

圖4 試驗(yàn)用高Nb X80管線鋼中不規(guī)則M/A島形貌

鋼在變形時(shí)會(huì)集中大量的應(yīng)變，應(yīng)變的分配與M/A島的含量密切相關(guān)，M/A島含量越高，組織承受的應(yīng)變量越大，變形后組織的位錯(cuò)密度就越高。因此，在一定體積范圍內(nèi)提高M(jìn)/A島的含量可以有效提高鋼材的強(qiáng)度和韌性。當(dāng)組織中M/A島的體積分?jǐn)?shù)一定時(shí)，M/A島尺寸越大，對(duì)位錯(cuò)起有效阻礙的粒子越少，在組織中能塞積的位錯(cuò)數(shù)量少，鋼材的強(qiáng)度越低。而M/A島的體積分?jǐn)?shù)和大小一定時(shí)，其形狀對(duì)強(qiáng)度和韌性也有重要的影響。有尖角的方形或三角形M/A島比點(diǎn)狀的或圓形的M/A島在變形時(shí)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(qiáng)度和DWTT值。如果M/A島在晶界呈鏈狀或網(wǎng)狀分布，對(duì)鋼的強(qiáng)韌性也會(huì)產(chǎn)生非常有害的影響。因?yàn)樵谕饬Φ淖饔孟?，裂紋可以沿著相界迅速擴(kuò)展，導(dǎo)致韌性惡化，引起脆性斷裂。而細(xì)小彌散分布的M/A島組織則不易出現(xiàn)裂紋。理想情況的M/A島應(yīng)該是數(shù)量少、尺寸小、分布均勻，形態(tài)趨于圓形或球狀。

在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)該通過成分的調(diào)整或生產(chǎn)工藝參數(shù)的控制來減少或抑制這種不規(guī)則、尖角、長寬比大于4的M/A島的產(chǎn)生。根據(jù)高Nb X80管線鋼的成分和實(shí)際生產(chǎn)條件，在Nb含量基本不減少的情況下，為了降低M/A島對(duì)鋼可能帶來的不利影響，可以通過進(jìn)一步降低C的含量（w(C)≤0.03%）來控制M/A島的數(shù)量。或者在控制w（N）＜0.3%的前提下，通過TiN的理論化學(xué)配比值3.42來調(diào)整鋼中的Ti含量[8]，而較低的Ti含量能夠降低高Nb X80管線鋼中M/A島的長寬比。研究表明，在鋼中w（Ti）＜0.015%時(shí)對(duì)鋼的性能影響較為理想[9-10]。以上成分的調(diào)整或控制主要基于所研究的高Nb X80管線鋼中實(shí)際w（Ti）＞0.015%。

5 結(jié) 語

通過對(duì)不同條件下高Nb X80管線鋼中M/A島組織特征的觀察和分析，以及與低Nb X80管線鋼的對(duì)比，得出了以下結(jié)論：

（1）當(dāng)冷速從15℃/s提高到25℃/s時(shí)，M/A島不僅尺寸變小，而且分布更為彌散、均勻，形貌趨于圓形或球狀，這有利于提高管線鋼的力學(xué)性能；

（2）相同的冷卻速度下，提高Nb含量后，鋼中出現(xiàn)了更多的條狀M/A島，多分布在板條狀貝氏體和鐵素體內(nèi)部或板條之間，這說明高Nb含量促進(jìn)了M/A島從點(diǎn)狀、塊狀向條狀的轉(zhuǎn)變；

（3）為了減少高Nb X80管線鋼中帶有尖角或長寬比較大的M/A島給鋼性能帶來的不利影響，可以對(duì)C，N和Ti的加入量進(jìn)行調(diào)整和控制。

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Study on M/A Island of High-Nb X80 Pipeline Steel

HAN Chen,SUN Futao
（China Nonferrous Metals Processing Technology Co.,Ltd.,Luoyang 471039,Henan,China）

In this article,it took high-Nb X80 pipeline steel as research object to analyze the size,morphology and distribution characteristics of M/A islands.The results showed that increasing cooling rate can make M/A islands become more fine and uniform,and the shape tends to be round or globular,it is in favour to improve the mechanical properties of pipeline steel.Under the same cooling rate,increasing Nb content can improve M/A islands forming,it explained high Nb content to promote M/A islands transformation from the dot,block to strip.The adverse effects on steel properties of the M/A islands can be reduced when the composition and cooling rate are adjusted.

high Nb steel;X80 pipeline steel;M/A islands;alloy composition;cooling rate

TG115.21

A

1001－3938（2015）05-0013-05

韓晨（1982—），男，工程師，碩士，主要從事金屬壓力加工工藝研究。

2015－01－09

李紅麗