調(diào)質(zhì)工藝對X80級管件鋼性能與組織影響研究

張 海，李少坡，丁文華，郝 寧

(首鋼集團(tuán)有限公司 技術(shù)研究院，北京 100041)

油氣管道中的管件主要是用來改變管道方向、改變管徑大小，進(jìn)行管道分支，局部加強，實現(xiàn)特殊連接等功能[1]，是整個管道輸送的重要組成部分.近年來油氣管道的高壓力、大口徑輸送已成為發(fā)展趨勢，因此對輸送管道中的各類管件用鋼的強韌性要求也越來越高.

管件的制作要經(jīng)歷熱成型過程，為保證最終產(chǎn)品性能，還需要進(jìn)行整體的調(diào)質(zhì)熱處理，因此研究調(diào)質(zhì)工藝對管件鋼組織和性能的影響對管件的生產(chǎn)具有重要意義.目前國內(nèi)有學(xué)者對熱處理工藝對管件鋼組織和性能影響方面做了一些研究[2-7]，但是缺乏系統(tǒng)性也不夠全面，本文深入研究了X80級管件鋼淬火后在不同回火溫度下的力學(xué)性能和組織變化情況，并從顯微組織變化角度解釋了其力學(xué)性能變化的機理，為管件鋼的熱處理工藝控制提供了理論參考.

1 試 驗

試驗材料取自國內(nèi)某鋼廠采用TMCP工藝生產(chǎn)的44 mm厚X80級管件鋼中厚板，鋼板主要化學(xué)成分見表1.

表1 試驗鋼板化學(xué)成分

采用熱模擬試驗測定了試驗鋼板的Ac3=890 ℃，為了使鋼板充分奧氏體化并使奧氏體成分均勻，將淬火溫度定為940 ℃，保溫時間為44 min，淬火介質(zhì)采用10%NaCl水溶液.對淬火后鋼板分別進(jìn)行500、550、600、650 ℃回火處理，保溫時間均為2 h，之后進(jìn)行空冷，熱處理試驗在箱式電阻爐中進(jìn)行.

對不同回火溫度處理后的鋼板分別進(jìn)行室溫拉伸試驗、沖擊試驗及微觀組織分析.拉伸試驗按照GB/T228—2002《金屬拉伸試驗方法》進(jìn)行，試樣為板狀試樣.夏比沖擊試驗采用10 mm×10 mm×55 mm V形缺口試樣，沖擊試樣取自鋼板厚度中心位置，沖擊試驗溫度為-45 ℃.金相試樣采用4%硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，在光學(xué)顯微鏡下觀察.TEM薄膜試樣采用雙噴電解減薄，電解液為6%的高氯酸酒精溶液，雙噴電壓22～24 V為，溫度-20 ℃，所用透射電鏡型號為JEM-2100F.

2 試驗結(jié)果

2.1 試驗鋼力學(xué)性能

經(jīng)過淬火加不同溫度回火后的試驗鋼板的拉伸和沖擊性能結(jié)果如表2所示.為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，拉伸試驗取了三次結(jié)果的平均值，沖擊試驗每個回火溫度下各做九次，取平均值.為了便于分析，根據(jù)表2當(dāng)中的性能結(jié)果分別繪制了強度和沖擊功與回火溫度關(guān)系曲線如圖1所示.

表2不同回火溫度下試驗鋼力學(xué)性能

Table 2 Mechanical properties of tested steel at different tempering temperatures

回火溫度/℃Rt 0.5/MPaRm/MPaA%Akv/J50060070528224550630715262416006557202626565059068028297

圖1 試驗鋼強度(a)和沖擊功(b)與回火溫度關(guān)系曲線

Fig.1 Curves of strength(a) and impact toughness(b) vs tempering temperature of tested steel

從不同溫度回火后鋼板的力學(xué)性能結(jié)果可見，在500～650 ℃溫度范圍內(nèi)，隨著回火溫度的升高，試驗鋼板的屈服強度和抗拉強度均呈現(xiàn)出先增大后降低的趨勢，當(dāng)回火溫度為600 ℃時屈服強度和抗拉強度均達(dá)到最大值.抗拉強度的變化較為平緩，屈服強度的變化幅度要大于抗拉強度.-45 ℃夏比沖擊功的結(jié)果表明，在500～650 ℃溫度范圍內(nèi)，隨回火溫度的升高，沖擊功值逐漸增加，當(dāng)回火溫度達(dá)到650 ℃時，沖擊功值達(dá)到最大值297 J.

2.2 試驗鋼顯微組織

對淬火后經(jīng)過不同溫度回火下的試樣進(jìn)行了金相組織觀察，結(jié)果如圖2所示.試樣經(jīng)過淬火后得到了以板條貝氏體鐵素體(BF)為主，混有粒狀貝氏體(GB)的組織.由圖2可知，當(dāng)回火溫度為500 ℃，試驗鋼的組織仍為BF+GB，此時原奧氏體晶界隱約可見，BF內(nèi)部仍存在細(xì)長條狀的M/A島；當(dāng)回火溫度為550 ℃時，部分BF內(nèi)部細(xì)長條狀M/A島轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的顆粒狀，同時部分M/A島發(fā)生分解，組織中GB含量增多，BF含量減小；當(dāng)回火溫度升高到600 ℃時，原奧氏體晶界基本消失，組織中出現(xiàn)了較多的GB組織和少量的準(zhǔn)多邊鐵素體QF；當(dāng)溫度達(dá)到650 ℃時，組織轉(zhuǎn)變?yōu)橐訥B為主，同時含有一定量的QF組織，此時M/A島已經(jīng)大量分解且QF在組織中所占比例要高于600 ℃回火.

圖2 試驗鋼不同回火溫度金相組織

Fig.2 Microstructure of tested steel at different tempering temperatures: (a) 500 ℃; (b) 550 ℃; (c) 600 ℃; (d) 650 ℃

為了進(jìn)一步觀察試驗鋼在淬火后不同回火溫度下的顯微組織變化情況，對試樣進(jìn)行了TEM組織觀察，結(jié)果如圖3所示.由圖3可見，當(dāng)回火溫度較低時組織中的BF內(nèi)部仍然呈現(xiàn)細(xì)長的板條狀亞結(jié)構(gòu)，通過測量圖中板條的寬度得出500 ℃時板條寬度均值為0.61 μm，板條寬度方向定義為垂直于板條平行長度方向.當(dāng)回火溫度為550 ℃時，BF內(nèi)部依然存在板條亞結(jié)構(gòu)，此時板條寬度均值為0.87 μm.可見隨著回火溫度升高板條已經(jīng)開始寬化.當(dāng)回火溫度升高到600 ℃時，板條界面開始消失并出現(xiàn)明顯地合并現(xiàn)象，板條結(jié)構(gòu)變得弱化，此時的板條寬度均值經(jīng)測量為1.47 μm.當(dāng)回火溫度達(dá)到650 ℃時，板條界面已基本消失，板條結(jié)構(gòu)難以辨認(rèn).

另外，從圖3(a)、(b)可以看出，當(dāng)回火溫度較低時組織中有少量的顆粒狀析出相存在.當(dāng)回火溫度升高到600 ℃時，顆粒狀析出相的數(shù)量明顯增多，隨回火溫度的繼續(xù)升高，析出相數(shù)量變化不明顯，部分析出相由顆粒狀變?yōu)榱私崎L條形.

3 分析與討論

在本試驗中，淬火后隨回火溫度的升高，試驗鋼的屈服強度呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢.屈服強度的這種變化是由于顯微組織的變化所致.管線鋼經(jīng)淬火后得到的貝氏體類組織屬于亞穩(wěn)態(tài)組織，存在向穩(wěn)態(tài)組織轉(zhuǎn)化的趨勢.微觀組織的觀察結(jié)果也表明隨回火溫度的升高，BF組織內(nèi)部的板條亞結(jié)構(gòu)首先變得寬化最終弱化到難以辨認(rèn)，組織向GB和QF組織轉(zhuǎn)變.這種基體組織的轉(zhuǎn)變會導(dǎo)致屈服強度的下降.然而本試驗中屈服強度則是先增加后降低，因此可推斷有其它因素導(dǎo)致了屈服強度的上升.文獻(xiàn)[8]指出當(dāng)鋼中含有較多碳化物形成元素時，淬火后回火過程中會形成碳化物，而碳化物的析出會產(chǎn)生析出強化作用，析出強化是影響材料屈服強度的重要因素之一.因此在圖3對析出相初步觀察的基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步采用萃取復(fù)型法，通過TEM對淬火后不同回火溫度下試樣的析出相進(jìn)行了細(xì)致觀察，結(jié)果如圖4所示.

圖3 試驗鋼不同回火溫度TEM組織

Fig.3 TEM microstructure of tested steel at different tempering temperatures: (a) 500 ℃; (b) 550 ℃; (c) 600 ℃; (d) 650 ℃

圖4 不同回火溫度下析出相

由圖4可見，當(dāng)回火溫度為500～550 ℃時，組織中的析出相較為細(xì)小，析出相主要有兩種形態(tài)，一種尺寸相對較大，大小約為100 nm，外形規(guī)則，近似呈方形；另一種則是尺寸較小的圓形或橢圓形顆粒，大小約為20 nm.550 ℃時的析出相數(shù)量要多于500 ℃，析出相尺寸相差不大.回火溫度升高到600 ℃，由于原子擴散能力加強，析出相的數(shù)量明顯增多，且呈現(xiàn)出聚集長大的趨勢.當(dāng)回火溫度繼續(xù)升高到650 ℃時，組織中的析出相尺寸明顯增大，部分析出相形貌向近似長方形轉(zhuǎn)化，部分仍呈橢圓形顆粒狀，兩者尺寸均接近200 nm，析出相數(shù)量相比600 ℃時變化不明顯.對圖4(b)中的典型析出相，如圖中1、2所示，進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖5所示.圖5表明1號析出相為以Nb為主同時含有少量Ti的復(fù)合析出相Nb(Ti)C，2號析出相則為NbC，未見有明顯的Ti元素.

圖5 550 ℃回火時析出相能譜分析:(a) 1;(b) 2

Fig.5 Energy spectrum analysis of precipitated phase tempered at 550 ℃: (a) 1; (b) 2

綜合析出相和基體組織變化結(jié)果可知，在本試驗中屈服強度主要受到基體組織和析出相變化兩方面的綜合影響.當(dāng)回火溫度由500 ℃升高到600 ℃時，析出相數(shù)量不斷增多，尺寸變化不明顯，此時析出強化對屈服強度的提升作用大于基體組織轉(zhuǎn)變的軟化作用，因此屈服強度表現(xiàn)出上升趨勢.當(dāng)回火溫度升高到650 ℃時，由于析出相數(shù)量無明顯變化但已發(fā)生了聚集長大，對強度的貢獻(xiàn)作用減弱，而此時基體組織已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)镚B和QF的混合組織，此時基體組織轉(zhuǎn)變的軟化作用大于析出強化作用，因此屈服強度開始降低.

文獻(xiàn)[9]認(rèn)為管線鋼的抗拉強度取決于組織基體中的硬質(zhì)相M/A組元和貝氏體板條的寬度，M/A組元的分解和貝氏體板條寬度的變化導(dǎo)致試驗材料抗拉強度降低.本文中TEM觀察結(jié)果表明BF板條寬度隨回火溫度的增加產(chǎn)生了寬化，另外從金相組織觀察結(jié)果中發(fā)現(xiàn)M/A組元隨回火溫度升高發(fā)生了分解，據(jù)此抗拉強度應(yīng)隨回火溫度升高逐漸降低，但在本文中抗拉強度卻是先升高后降低.分析可知本文中抗拉強度的變化除了受到M/A組元分解、貝氏體板條寬度的影響外，還受到析出強化的作用，三者的綜合作用結(jié)果使得抗拉強度呈現(xiàn)先緩慢上升后下降的趨勢.

本文中試驗材料的-45℃低溫沖擊韌性隨著回火溫度的升高呈現(xiàn)上升趨勢.相關(guān)研究表明[10-11]管線鋼中大角度晶界對裂紋擴展有較強的阻礙作用，高的大角度晶界比例有助于提高韌性.因此本文通過EBSD技術(shù)得到了不同回火溫度試樣的晶界取向差分布圖并計算出相應(yīng)的大角度晶界比例，結(jié)果如表3所示.由表3可知，隨著回火溫度的升高，組織當(dāng)中的大角度晶界比例逐漸增加.由此可知組織中大角度晶界比例的增加是試驗材料低溫沖擊韌性隨回火溫度的升高而逐漸上升的主要原因.

表3試驗鋼不同回火溫度下大角度晶界比例

Table 3 Proportion of high angle boundaries of tested steel at different tempering temperatures

回火溫度/℃大角度晶界比例/%50023.855025.160025.665026.9

4 結(jié) 論

1)在500～650 ℃回火溫度范圍內(nèi)，隨回火溫度的升高，試驗鋼屈服強度和抗拉強度均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，兩者在600 ℃時均獲得最大值.

2)隨回火溫度的升高，試驗鋼由BF+GB組織轉(zhuǎn)變?yōu)镚B+QF組織，BF內(nèi)部板條亞結(jié)構(gòu)發(fā)生寬化并逐漸弱化；組織中細(xì)長條狀的M/A島轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小顆粒狀，并發(fā)生分解.

3)回火溫度為500～600 ℃時，組織中析出相逐漸增多，形貌多呈近方形和圓形或橢圓形，主要為Nb、Ti的碳化物，600 ℃時析出相開始聚集長大；當(dāng)溫度升高到650 ℃時，析出相數(shù)量無明顯變化但尺寸顯著增大.

4) 屈服強度的變化主要受基體組織和析出相兩方面的影響，回火溫度較低時，析出強化的作用大于基體組織的軟化作用造成屈服強度逐漸上升，當(dāng)回火溫度達(dá)到650 ℃時，基體組織的轉(zhuǎn)軟化作用大于析出強化作用導(dǎo)致屈服強度下降；抗拉強度的變化受到M/A組元分解、BF板條寬化和析出強化綜合作用的影響.

5)試驗鋼的低溫沖擊韌性隨著回火溫度的升高逐漸上升，這主要是由于隨回火溫度的升高組織中大角度晶界比例增加所致.