多級(jí)熱處理對(duì)柔性立管用高強(qiáng)鋼組織性能影響

張大征， 高秀華， 杜林秀， 王鴻軒

(1. 東北大學(xué) 軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 沈陽 110819； 2. 天津海王星海上工程技術(shù)股份有限公司，天津 300384)

由于陸上油氣資源日漸枯竭，目前油氣資源的開采正沿著由陸地向淺海以至深海的方向發(fā)展.隨著海上油氣資源的大力開發(fā)，海洋油氣輸送管道面臨著很大需求.目前海洋油氣輸送管道大都采用硬質(zhì)無縫鋼管，存在著撓性差、易腐蝕、接頭多、安裝鋪設(shè)難度大等缺點(diǎn)[1].相比之下，海洋柔性立管以其具有耐蝕、柔順、接頭少、易安裝鋪設(shè)等優(yōu)點(diǎn)正越來越廣泛地應(yīng)用在海洋油氣資源開發(fā)過程中[2-3].海洋柔性立管作為連接海上浮體與海底井口傳輸油氣的關(guān)鍵裝備，其結(jié)構(gòu)是由骨架層、密封層、鎧裝層、護(hù)套層組成的一種多層復(fù)壁結(jié)構(gòu)管道[4].海洋柔性立管在服役過程中面臨著高溫、高壓、波浪沖擊、環(huán)境腐蝕等嚴(yán)苛條件，故而要求海洋柔性立管需具有高強(qiáng)、耐蝕、抗氫致開裂等優(yōu)點(diǎn)，因此其核心部件鎧裝層材料通常由具有抗氫致開裂性能的高強(qiáng)鋼來充當(dāng)[5].為了降低立管自重、延長(zhǎng)使用壽命，目前對(duì)海洋柔性立管鎧裝層高強(qiáng)鋼的強(qiáng)度要求越來越高.

為了獲得高強(qiáng)度抗氫致開裂的海洋柔性立管用鋼，工業(yè)上采用連鑄+熱軋+冷軋+熱處理的工藝流程來生產(chǎn)柔性立管用鋼.隨著高強(qiáng)鋼的強(qiáng)度不斷提高，其氫致開裂敏感性也越來越強(qiáng)[6]，為了降低柔性立管用鋼的氫致開裂敏感性，目前多采用調(diào)質(zhì)熱處理以同時(shí)獲得高強(qiáng)度和抗氫致開裂能力[7].然而調(diào)質(zhì)熱處理無法顯著細(xì)化顯微組織，同時(shí)提高強(qiáng)度和抗氫致開裂性能的能力有限.Liu等[8]在研究油套管API-5CT-C110的硫化物應(yīng)力腐蝕開裂敏感性時(shí)發(fā)現(xiàn)，多級(jí)熱處理可以有效降低其硫化物應(yīng)力腐蝕開裂敏感性.張毅等[9]研究發(fā)現(xiàn)對(duì)高強(qiáng)度油井管125S采取多級(jí)熱處理有助于提高其抗氫致?lián)p傷能力.根據(jù)以上啟示，為了有效改善柔性立管用高強(qiáng)鋼的綜合性能，本文研究了多級(jí)熱處理方式對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼顯微組織、力學(xué)性能以及抗氫致開裂性能的影響，揭示了多級(jí)熱處理工藝對(duì)組織和性能改善的作用機(jī)制.

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

綜合考慮實(shí)驗(yàn)鋼力學(xué)性能、冷加工性能、抗氫致開裂性能和耐蝕性能的要求，成分設(shè)計(jì)采用低C、低Mn，P，S并復(fù)合添加耐蝕元素Cr，Mo的方法.實(shí)驗(yàn)鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為C 0.07，Si 0.23，Mn 0.53，P<0.007，S<0.001，Al 0.02，Cr+Mo+Ni 2.69，Ti 0.017，Nb 0.045.采用真空感應(yīng)爐將實(shí)驗(yàn)鋼熔煉成鑄錠，隨后鍛造成100 mm厚的方坯.利用二輥可逆熱軋機(jī)將鋼坯熱軋至厚度為10 mm的熱軋板，之后采用四輥冷軋機(jī)將熱軋板軋制成4 mm厚的冷軋板.軋制過程結(jié)束后，對(duì)冷軋板分別進(jìn)行調(diào)質(zhì)和多級(jí)熱處理，為了獲得高強(qiáng)度的柔性立管用鋼(Rp0.2>700 MPa)，經(jīng)探索后選取了兩種熱處理工藝：其中調(diào)質(zhì)工藝為940 ℃×30 min+600 ℃×30 min，記為QT；多級(jí)熱處理工藝為940 ℃×30 min+600 ℃×30 min+920 ℃×20 min+580 ℃×30 min，記為QTQT.熱處理結(jié)束后，分別利用光學(xué)顯微鏡(optical microscope，OM)和掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼的顯微組織進(jìn)行觀察.顯微組織中的精細(xì)結(jié)構(gòu)和析出相的形態(tài)與成分則采用透射電子顯微鏡(transmission electron microscope，TEM)進(jìn)行分析，晶界特征和內(nèi)核平均取向差(kernel average misorientation，KAM)值的分布則采用電子背散射衍射(electron back-scattered diffraction，EBSD)技術(shù)進(jìn)行表征和分析.利用拉伸試驗(yàn)機(jī)并依據(jù)國標(biāo)GB/T 228—2010對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼的力學(xué)性能進(jìn)行檢測(cè).此外根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8650—2015對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼的抗氫致開裂性能進(jìn)行檢測(cè)，其腐蝕溶液為GB/T 8650—2015標(biāo)準(zhǔn)中的A溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5% NaCl+0.5% CH3COOH+94.5% H2O)，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為96 h且實(shí)驗(yàn)溫度為25 ℃.

2 結(jié)果與討論

2.1 多級(jí)熱處理對(duì)顯微組織的影響

圖1顯示了經(jīng)體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精溶液腐蝕后不同熱處理工藝下的實(shí)驗(yàn)鋼顯微組織OM圖和SEM圖，其中圖1a和1c為調(diào)質(zhì)熱處理(QT)試樣，圖1b和1d為多級(jí)熱處理(QTQT)試樣.由圖1可知，實(shí)驗(yàn)鋼經(jīng)過兩種熱處理后，顯微組織均為回火馬氏體，然而經(jīng)過多級(jí)熱處理后，實(shí)驗(yàn)鋼顯微組織發(fā)生了顯著的細(xì)化，晶粒尺寸顯著減小.

不同熱處理工藝下的實(shí)驗(yàn)鋼顯微組織的精細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖2顯示兩種熱處理工藝獲得的馬氏體組織均保持著板條形態(tài)，且組織中含有大量的位錯(cuò)和析出粒子.通過對(duì)比兩種熱處理工藝下的顯微組織TEM圖，可以發(fā)現(xiàn)QTQT處理后的回火馬氏體(圖2c)板條寬度相對(duì)于QT處理(圖2a)明顯變小.通過Image Pro Plus軟件測(cè)量發(fā)現(xiàn)QT處理后馬氏體板條寬度約為0.32 μm，而QTQT處理后的板條寬度約為0.26 μm，說明經(jīng)過多級(jí)熱處理后，馬氏體板條明顯細(xì)化.圖2b顯示經(jīng)QT處理后，回火馬氏體的板條界面處有長(zhǎng)條狀的粗大析出相產(chǎn)生，通過能譜分析可知該粗大析出相為鈮、鉻和鉬的復(fù)合析出(圖2e).經(jīng)過QTQT處理后，組織中亦有大量析出相出現(xiàn)，析出相的尺寸和形態(tài)如圖2d所示，可知多級(jí)熱處理后析出物多呈細(xì)小顆粒狀分布在基體中.通過對(duì)析出相進(jìn)行能譜分析(圖2f)，可知該細(xì)小的析出粒子為鈮、鈦的復(fù)合析出.多級(jí)熱處理后析出相更加細(xì)小彌散，呈球形顆粒狀分布于基體中.細(xì)小彌散分布的析出粒子一方面可以有效阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，起到良好的析出強(qiáng)化效果；另一方面可以增加鋼中氫陷阱的數(shù)量，提高氫在鋼中的固溶度，使氫在組織中的分布更加分散，減少氫的偏聚[10].

通過EBSD技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼顯微組織中的晶界分布特征進(jìn)行了表征，晶界分布特征與大小角度晶界統(tǒng)計(jì)直方圖如圖3所示，其中晶界分布特征(圖3a，3b)圖中紅色線條代表小角度晶界(2°～15°)，而藍(lán)色線條則代表大角度晶界(≥15°).從晶界分布特征圖中可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過多級(jí)熱處理后實(shí)驗(yàn)鋼單位體積內(nèi)的晶界數(shù)量明顯增大，晶界分布更密集，表明多級(jí)熱處理后顯微組織發(fā)生明顯細(xì)化導(dǎo)致晶界密度增大.通過對(duì)兩種熱處理工藝下顯微組織中的大小角度晶界進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可知，經(jīng)過QT和QTQT處理后，實(shí)驗(yàn)鋼組織中大角度晶界所占比例分別為30.4%和33.7%.經(jīng)過多級(jí)熱處理后組織中的大角度晶界所占比例的上升表明了多級(jí)熱處理可以有效提高大角度晶界的含量.鋼中的晶界也是有效的氫陷阱，組織的細(xì)化、晶界含量的增多既可以阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)、促進(jìn)位錯(cuò)塞積以提高強(qiáng)化效果，又可以提供更多的氫陷阱位置，改善氫在鋼中的分布狀態(tài)，降低氫致開裂的敏感性.實(shí)驗(yàn)鋼顯微組織的KAM圖如圖4所示，KAM值越高表明該處的殘余應(yīng)力或亞結(jié)構(gòu)越多[11].由圖4可知，經(jīng)過多級(jí)熱處理后組織中的高KAM值區(qū)域更多，而且分布更均勻，表明多級(jí)熱處理后的組織具有更多均勻的亞結(jié)構(gòu)，這對(duì)變形過程中位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)起到良好的阻礙作用，促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)鋼強(qiáng)度的提升.

2.2 多級(jí)熱處理對(duì)力學(xué)性能的影響

不同熱處理工藝下實(shí)驗(yàn)鋼力學(xué)性能如圖5所示.經(jīng)過多級(jí)熱處理后實(shí)驗(yàn)鋼的強(qiáng)度升高，屈服強(qiáng)度由調(diào)質(zhì)狀態(tài)的782 MPa上升到845 MPa，抗拉強(qiáng)度由調(diào)質(zhì)狀態(tài)的887 MPa上升到922 MPa，斷后延伸率則有所下降，由14.9%下降至11.2%.由于多級(jí)熱處理后組織明顯細(xì)化，根據(jù)Hall-Petch公式可知，隨著晶粒尺寸的減小，其屈服強(qiáng)度會(huì)顯著升高.加之多級(jí)熱處理后析出相形態(tài)由調(diào)質(zhì)處理的粗大長(zhǎng)條狀變?yōu)榧?xì)小彌散顆粒狀，有效地提高了變形過程中析出相對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙能力，促進(jìn)拉伸變形過程中位錯(cuò)的塞積和纏結(jié)[12]，因此多級(jí)熱處理有效提高了實(shí)驗(yàn)鋼的強(qiáng)度.

2.3 多級(jí)熱處理對(duì)抗氫致開裂性能的影響

對(duì)調(diào)質(zhì)熱處理和多級(jí)熱處理后的實(shí)驗(yàn)鋼分別進(jìn)行了氫致開裂實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，并在金相顯微鏡下對(duì)試樣剖面的氫致裂紋進(jìn)行了觀察.根據(jù)國標(biāo)GB/T 8650—2015對(duì)氫致開裂試樣剖面上的裂紋進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分別計(jì)算裂紋長(zhǎng)度率(crack length ratio，CLR)、裂紋厚度率(crack thickness ratio，CTR)、裂紋敏感率(crack sensitivity ratio，CSR)，其計(jì)算公式為

(1)

(2)

(3)

式中：a為裂紋長(zhǎng)度(mm)；b為裂紋寬度(mm)；W為試樣長(zhǎng)度(mm)；T為試樣寬度(mm).根據(jù)API規(guī)定，當(dāng)CLR<15%，CTR<3%， CSR<1.5%時(shí)，材料對(duì)氫致開裂不敏感.

實(shí)驗(yàn)后氫致裂紋統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示，氫致裂紋形貌如圖6所示.圖6a顯示出調(diào)質(zhì)處理后的實(shí)驗(yàn)鋼剖面上含有較多的氫致裂紋，氫致裂紋多呈臺(tái)階狀分布在試樣內(nèi)部，說明調(diào)質(zhì)處理后實(shí)驗(yàn)鋼的抗氫致開裂能力較差.而經(jīng)過多級(jí)熱處理后的實(shí)驗(yàn)鋼則沒有氫致裂紋的產(chǎn)生(如圖6b所示)，說明多級(jí)熱處理后的實(shí)驗(yàn)鋼具有良好的抗氫致開裂性能.據(jù)表1所示的氫致裂紋統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，多級(jí)熱處理后的實(shí)驗(yàn)鋼其裂紋長(zhǎng)度率(CLR)、裂紋厚度率(CTR)和裂紋敏感率(CSR)均低于調(diào)質(zhì)熱處理，多級(jí)熱處理大大改善了實(shí)驗(yàn)鋼的抗氫致開裂能力.當(dāng)油氣環(huán)境中的氫進(jìn)入鋼中后，一部分氫固溶在晶體點(diǎn)陣之中，而其余的氫則被鋼中的氫陷阱所捕獲.氫陷阱位置處的氫原子持續(xù)聚集并形成氫分子，進(jìn)而在該處產(chǎn)生氫壓，當(dāng)氫壓超過臨界值時(shí)，氫致裂紋便在該處萌生并擴(kuò)展，最終導(dǎo)致失效.鋼中的氫陷阱一般分為可逆氫陷阱和不可逆氫陷阱兩類，其中位錯(cuò)、晶界、空位為可逆氫陷阱，而析出相則為不可逆氫陷阱[13].可逆氫陷阱既可以捕獲氫也可以釋放氫，而不可逆氫陷阱與氫的結(jié)合能力很強(qiáng)，一旦捕獲氫就不會(huì)釋放[14].Depover等[15]和Cheng等[16]的研究表明，Nb，Ti析出相和Cr，Mo析出相均為不可逆氫陷阱，且Nb，Ti析出相與氫的結(jié)合能力更強(qiáng).調(diào)質(zhì)處理后的顯微組織比較粗大，析出相呈粗大的長(zhǎng)條狀分布，說明組織中的氫陷阱數(shù)量較少，氫極易在粗大的析出相周圍持續(xù)聚集，形成較高的氫壓，促使氫致裂紋在粗大析出相處萌生和擴(kuò)展.一旦裂紋形成，組織中的氫濃度差便會(huì)驅(qū)使更多的氫擴(kuò)散至裂紋尖端，促進(jìn)裂紋擴(kuò)展.通過多級(jí)熱處理后，顯微組織顯著細(xì)化，晶界數(shù)量增加，析出相由粗大變得細(xì)小彌散，因此使鋼中的氫陷阱數(shù)量發(fā)生了顯著的上升.此時(shí)，進(jìn)入鋼中的氫更加趨于分散性地分布于各氫陷阱位置處，減小了氫在氫陷阱處形成的氫壓，抑制了氫致裂紋的萌生和擴(kuò)展，從而顯著降低了顯微組織氫致開裂敏感性.因此多級(jí)熱處理有效提高了實(shí)驗(yàn)鋼的抗氫致開裂性能.

表1 氫致開裂裂紋統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3 結(jié) 論

1)通過多級(jí)熱處理，顯著細(xì)化了柔性立管用高強(qiáng)鋼的顯微組織，回火馬氏體板條發(fā)生顯著細(xì)化，析出相由粗大的長(zhǎng)條狀變?yōu)榧?xì)小彌散分布的顆粒狀，組織中的大角度晶界含量明顯升高，對(duì)變形過程中位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)起到了有效的阻礙作用.

2)相對(duì)調(diào)質(zhì)熱處理而言，多級(jí)熱處理有效提高了柔性立管用高強(qiáng)鋼的強(qiáng)度，使得實(shí)驗(yàn)鋼屈服強(qiáng)度由調(diào)質(zhì)狀態(tài)的782 MPa上升到845 MPa，抗拉強(qiáng)度由調(diào)質(zhì)狀態(tài)的887 MPa上升到922 MPa.

3)通過多級(jí)熱處理顯著細(xì)化了組織，增加了組織中氫陷阱的數(shù)量，改善了氫陷阱的分布狀態(tài)，提高了顯微組織的溶氫能力，在提高強(qiáng)度的同時(shí)顯著改善了柔性立管用高強(qiáng)鋼的抗氫致開裂能力.