三種不同顯微組織的高鋼級管線鋼EBSD表征

覃波 吳安如 陳娟

摘 要：基于高鋼級管線鋼的成分體系，建立雙亞點(diǎn)陣模型：（Nbx，Ti1-x）（ CyN1-y ）-AlN復(fù)合析出的熱力學(xué)模型，計(jì)算出800℃～1450℃溫度區(qū)間內(nèi)兩種不同Nb含量的管線鋼中碳氮化物復(fù)合析出數(shù)據(jù)，并于Jmatpro軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果表明：Nb含量的增加，提高了Nb的全固溶溫度，擴(kuò)大了高溫析出溫度區(qū)域；Ti元素1200℃～1450℃溫度區(qū)間內(nèi)析出速度很快，1200℃時(shí)兩種成分鋼中Ti的析出量均大于50%；800℃平衡態(tài)時(shí)，析出物均以NbC為主；Nb對Ti元素的交互作用，間接影響到AlN的析出。熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果與JMatpro軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，試驗(yàn)數(shù)據(jù)有著良好的一致性。

關(guān)鍵詞：鈮；管線鋼；碳氮化物；熱力學(xué)模型

現(xiàn)代管線鋼生產(chǎn)中，通過成分、組織和控軋控冷工藝優(yōu)化來提高管線鋼的綜合力學(xué)性能。管線鋼的混合組織控制對其強(qiáng)韌性有著重要的影響。

多邊形鐵素體和塊狀鐵素體轉(zhuǎn)變溫度較高，可以提高鋼的塑性。貝氏體鐵素體和粒狀貝氏體，二者相變溫度區(qū)間基本相同，冷卻速度決定相變類型，同時(shí)還伴有一定體積分?jǐn)?shù)的馬奧組元有著較高的強(qiáng)度。冷速越快，馬奧組元越細(xì)小。

貝氏體鐵素體TEM下觀察到許多高位錯(cuò)密度板條結(jié)構(gòu)，板條間為小角度晶界，板條在晶界處形核向晶內(nèi)生長。EBSD 技術(shù)在材料微觀組織結(jié)構(gòu)分析、晶粒尺寸、取向差分析、相鑒定與分布以及微織構(gòu)中已得到廣泛應(yīng)用。鋼材的強(qiáng)韌性和大角晶界的分布和密度（頻率）存在很密切的聯(lián)系。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

EBSD試樣制備過程如下：

1）用線切割方法切割試樣尺寸為10mm×10mm×4mm；2）用丙酮去除表面油污后，在水砂紙上進(jìn)行由粗到細(xì)研磨，目的是去除試樣表面切割后產(chǎn)生的表面浮雕和切割痕。將細(xì)磨后的試樣電解拋光，去除表面的應(yīng)力層。

對管線鋼而言，確定組織中的有效晶粒尺寸很重要，因?yàn)榫Я４笮∈菦Q定著強(qiáng)度和韌性的首要因素。目前對金屬材料晶粒尺寸的表征依賴于金相組織的晶界，但受制樣手段及顯微鏡分辨率的限制，某些特殊的晶界，如小角度晶界很難用常規(guī)的腐蝕方法顯示出來，從而造成統(tǒng)計(jì)的晶粒尺寸與實(shí)際尺寸有一定的偏差，且效率極低，進(jìn)而使通過光學(xué)顯微鏡和SEM測定貝氏體的晶粒尺寸比較困難。

貝氏體在光學(xué)顯微鏡下沒有襯度差，均成亮白色，雖然可以通過鐵素體內(nèi)的M-A島的分布或板條束取向區(qū)分不同的晶粒，但是操作上很困難，且誤差也很大。

EBSD自動(dòng)分析技術(shù)可以獲得樣品中不同晶粒之間的取向差，通過取向成像技術(shù)，重構(gòu)出與取向有關(guān)的微觀組織結(jié)構(gòu)，從而對晶粒尺寸進(jìn)行快速定量表征。

M.Diaz-Fuentes等人利用EBSD研究了低碳鋼的韌性行為，發(fā)現(xiàn)脆性裂紋只有在晶界取向差最小為15°及以上時(shí)才發(fā)生較顯著的反射。由此可知，在高級別管線鋼中，只有那些晶界取向差大于15°的組織單元，即晶粒才是控制高鋼級管線鋼組織性能的有效晶粒。

表2中不同試樣的晶粒尺寸。冷速為20℃/s，卷取溫度為400℃的試樣的有效晶粒尺寸為4.04μm。降低卷取溫度到350℃，保持冷速不變，有效晶粒尺寸為2.77μm。降低卷取溫度，晶粒尺寸明顯變細(xì)，組織類型變化不大，這可以解釋材料屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度增加的同時(shí)，延伸率和沖擊功同步增加。保持卷取溫度不變，冷速提高到25℃/s時(shí)，強(qiáng)度增加，但延伸率和沖擊功下降。

表2中給出的有效晶粒尺寸為2.70μm，可知提高冷速，組織中的晶粒尺寸雖說細(xì)化了，但變化不大。這時(shí)起決定作用的是組織類型的轉(zhuǎn)變，組織中的粒狀貝氏體幾乎被貝氏體鐵素體所取代，使強(qiáng)度急劇增加，韌性下降。在此工藝條件下獲得的力學(xué)性能都可以滿足X120管線鋼的要求。

綜上所述，提高冷速和降低卷取溫度，都可以使屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度增加，但冷速對性能的影響較大。上述獲得的力學(xué)性能中的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度普遍偏高，延伸率相對較低，可以通過進(jìn)一步降低冷速來獲得綜合力學(xué)性能良好的X100管線鋼。若想獲得滿足X120級別的管線鋼，其工藝參數(shù)可采取2a-3中的工藝參數(shù)，為進(jìn)一步研究更高級別的管線鋼提供參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 胡美娟，李炎華，吉玲康，楊放，池強(qiáng).X65MS酸性服役管線鋼焊接性研究[J].焊管，2014（11）.

作者簡介： 覃波，博士研究生在讀，研究方向：高強(qiáng)高導(dǎo)高彈性銅合金材料研究與開發(fā)、鎂合金、無損檢測。