鉬和鈮對(duì)管線鋼強(qiáng)韌性的影響

李合意，王清波，孫瑩杰，劉宏亮

（1河南濟(jì)源鋼鐵（集團(tuán)）有限公司，河南 濟(jì)源459000；2本溪鋼鐵（集團(tuán)）有限公司，遼寧 本溪117000）

1 前言

目前，國(guó)內(nèi)X80管線鋼生產(chǎn)以高溫軋制（HTP）工藝為主，這種工藝的典型特點(diǎn)是鈮含量較高而不添加鉬元素，部分鋼廠根據(jù)自己實(shí)際情況采用了控軋控冷（TMCP）工藝，添加的強(qiáng)化元素種類和含量也各不相同，采取的TMCP工藝參數(shù)也各有差異。國(guó)內(nèi)某鋼鐵公司采用TMCP生產(chǎn)工藝，研制開(kāi)發(fā)X80管線鋼，但是并沒(méi)有明確的微合金化方案，本文主要研究鉬和鈮在管線鋼中的作用，確定鉬、鈮元素在X80管線鋼中的適宜含量，以達(dá)到降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量的要求，為X80管線鋼的成分設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供理論依據(jù)。

2 試樣制備

設(shè)計(jì)6種成分的X80管線鋼，化學(xué)成分以低CMn-Nb系列微合金化鋼為基礎(chǔ)，采用100 kg真空感應(yīng)爐以純鐵為母料，配加各類合金等，實(shí)際化學(xué)成分如表1所示。采用750 kg空氣錘鍛造鋼錠終鍛尺寸：75 mm×75 mm×（100～150）mm；采用某鋼廠確定的控冷控軋工藝，軋制成厚度12 mm厚板，檢測(cè)力學(xué)性能和金相組織。

表1 X80管線鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

拉伸試樣尺寸和實(shí)驗(yàn)方法依據(jù)GB/T 228—2002《金屬材料室溫拉伸實(shí)驗(yàn)方法》，采用R7標(biāo)準(zhǔn)試樣。拉伸實(shí)驗(yàn)為單軸拉伸實(shí)驗(yàn)，在CMT30噸微機(jī)控制電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)溫度為室溫25℃，得到各組鋼樣的力學(xué)性能指標(biāo)。沖擊實(shí)驗(yàn)方法和試樣尺寸依據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 229—1994，實(shí)驗(yàn)采用JBW-500沖擊試驗(yàn)機(jī)，沖擊能量為500 J·cm-2。對(duì)各組試樣的微觀組織用金相顯微鏡觀察分析，確定微觀組織的構(gòu)成，用掃描電鏡對(duì)沖擊斷口組織形態(tài)做進(jìn)一步分析，確定各組試樣的微觀組織特征使用的掃描電鏡型號(hào)為SSX-550。

3 結(jié)果與討論

對(duì)不同鉬含量的管線鋼進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 屈服強(qiáng)度和鉬含量的關(guān)系

圖2 抗拉強(qiáng)度和鉬含量的關(guān)系

3.1 鉬對(duì)管線鋼強(qiáng)度的影響

三組管線鋼的屈強(qiáng)比如表2所示。

表2 管線鋼的屈強(qiáng)比

由圖1和圖2實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在軋態(tài)和熱處理狀態(tài)下，無(wú)論是抗拉強(qiáng)度還是屈服強(qiáng)度，都在鉬含量為0.30%時(shí)達(dá)到最大值，分別為690 MPa和545 MPa，當(dāng)鉬含量為0.19%和0.38%時(shí)，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度略有降低。由表2可知，軋態(tài)試樣屈強(qiáng)比隨著鉬含量增加而降低，三組管線鋼的屈強(qiáng)比都＜0.9，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。在熱處理狀態(tài)下，屈強(qiáng)比隨著鉬含量的增加沒(méi)有規(guī)律性，當(dāng)鉬含量為0.30%時(shí)，屈強(qiáng)比＞0.9，其他兩組都＜0.9，符合國(guó)標(biāo)GB/T 9711—2011要求。

鉬使珠光體轉(zhuǎn)變曲線明顯右移，抑制先共析鐵素體的形成，但對(duì)貝氏體轉(zhuǎn)變的推遲較小，所以過(guò)冷奧氏體直接向貝氏體轉(zhuǎn)變，而在此之前沒(méi)有或者只有少量先共析鐵素體析出，這樣也就不再發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變［1］，鉬含量增加，抑制先共析鐵素體轉(zhuǎn)變的作用增強(qiáng)。添加鉬能夠抑制回復(fù)、阻止動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生［2］。研究表明，含Nb-Mo鋼較之含鈮鋼可以具有更高的強(qiáng)度，Nb-Mo鋼比Nb-V鋼屈服強(qiáng)度能提高約80 MPa［3］，是因?yàn)殂f能降低碳化物形成元素如鈮等的擴(kuò)散能力，從而阻礙碳化物的形成，推遲碳化物的析出過(guò)程，從而產(chǎn)生細(xì)小的碳化物顆粒［4-5］。高強(qiáng)度低合金鋼中，屈服強(qiáng)度隨鉬加入量的增加而提高。

不同鉬含量的金相組織如圖3所示，當(dāng)鉬含量為0.19%時(shí)，組織中除了具有高密度亞結(jié)構(gòu)的貝氏體組織外，還有強(qiáng)度較低的先共析鐵素體。當(dāng)鉬含量為0.30%時(shí)，由于鉬元素抑制了先共析鐵素體的產(chǎn)生，組織中沒(méi)有先共析鐵素體相，組織由貝氏體組成。所以鉬含量為0.30%的管線鋼比鉬含量為0.19%的管線鋼強(qiáng)度要高。當(dāng)鉬含量為0.38%時(shí)，組織雖然也是有貝氏體組成，但是晶粒尺寸比較大，所以強(qiáng)度比鉬含量為0.30%的管線鋼要低。

圖3 X80管線鋼熱處理金相組織顯微照片

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，3組試樣的組織都是由板條狀貝氏體組成。但是當(dāng)鉬含量為0.30%時(shí)，貝氏體束比其他兩組的貝氏體束細(xì)小，并且整體組織均勻。而鉬含量為0.19%和0.38%時(shí)的組織貝氏體束比較粗大，晶粒尺寸也不均勻。所以，鉬含量為0.30%的管線鋼強(qiáng)度比其他兩組試樣強(qiáng)度高。

適當(dāng)含量的鉬可以改善管線鋼的組織，有效增加管線鋼的強(qiáng)度。在本實(shí)驗(yàn)條件下，從提高強(qiáng)度的角度考慮，管線鋼中適宜的鉬含量為0.30%左右。

3.2 鉬對(duì)管線鋼沖擊韌性的影響

在室溫（20℃）條件下，測(cè)試熱處理狀態(tài)下管線鋼的沖擊韌性，結(jié)果如圖4所示。管線鋼斷口掃描電鏡如圖5所示。

圖4 鉬含量對(duì)沖擊韌性的影響

由圖4可知，當(dāng)鉬含量為0.19%和0.38%時(shí)，管線鋼的沖擊功均為218 J。當(dāng)鉬含量為0.30%時(shí)，管線鋼的沖擊功為191 J。由圖5可知，在室溫20℃條件下，3組試樣沖擊斷口都是韌性斷口，都屬于延性斷裂，在韌窩底部均分布有大小不一的第二相粒子。2#試樣的韌窩比較粗大，并且韌窩深度較淺，所以韌性稍差。1#試樣和3#試樣的細(xì)小韌窩較多，且韌窩的深度較深，故韌性較好。

圖5 X80管線鋼沖擊斷口的掃描電鏡圖片

綜合強(qiáng)度和韌性結(jié)果，如果管線鋼使用狀態(tài)側(cè)重于強(qiáng)度，則鉬含量為0.30%比較合適，這時(shí)室溫夏比沖擊功為191 J。如果管線鋼的服役條件對(duì)沖擊韌性要求較嚴(yán)格，則鉬含量為0.19%比較適宜，這時(shí)夏比沖擊功達(dá)到了223 J，屈服強(qiáng)度為550 MPa左右，綜合性能良好。

3.3 鈮對(duì)管線鋼強(qiáng)度的影響

對(duì)不同鈮含量的管線鋼進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如圖6、圖7所示。3組X80管線鋼的屈服比分別為0.75、0.82、0.80。

圖6 屈服強(qiáng)度和鈮含量的關(guān)系

圖7 抗拉強(qiáng)度和鈮含量的關(guān)系

鈮的特點(diǎn)在于它對(duì)鋼的特殊影響，也就是對(duì)附帶碳、氮和氧的鐵基體的影響，鈮在管線鋼中的作用與其碳化物、氮化物和碳氮化物的溶解和析出行為有關(guān)，它通過(guò)高溫固溶于奧氏體中的微合金原子和高溫軋制過(guò)程中應(yīng)變誘導(dǎo)析出Nb（CN）等沉淀質(zhì)點(diǎn)來(lái)抑制奧氏體的回復(fù)和再結(jié)晶過(guò)程［6］。另外，微合金元素鈮還具有阻止奧氏體晶粒粗化的作用，在控軋工藝的再加熱階段，未溶微合金碳、氮化物，將通過(guò)質(zhì)點(diǎn)釘扎晶界的機(jī)制而明顯阻止奧氏體晶粒的粗化過(guò)程。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著鈮含量增加，管線鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度明顯增加，當(dāng)鈮含量為0.087%時(shí)，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度達(dá)到了最大值，分別為710 MP和570 MP。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鈮能夠顯著提高管線鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。屈強(qiáng)比隨著鈮含量的增加沒(méi)有規(guī)律性，三組管線鋼的屈強(qiáng)比都小于0.9，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

隨著鈮含量的增加，管線鋼的晶粒尺寸明顯變得細(xì)小、均勻。晶粒愈小，晶界就愈多，晶界阻力也愈大，為使材料變形所施加的切應(yīng)力就要增加，從而使材料的屈服強(qiáng)度增加。晶粒尺寸對(duì)屈服強(qiáng)度的影響可有由Hall-Petch公式表示：

式中：wi表示元素i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，各項(xiàng)系數(shù)為元素的固溶強(qiáng)化系數(shù)，即每1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的i物質(zhì)可以提高的屈服強(qiáng)度；D為等軸鐵素體晶粒平均截線長(zhǎng)；R是單晶純鐵的屈服強(qiáng)度。

式中可以看出，鐵素體晶粒細(xì)化對(duì)提高屈服強(qiáng)度的效果是明顯的。Piekering給出了HSLA鋼抗拉強(qiáng)度的計(jì)算模型：

式中：［Mn］、［Si］為元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)；fp為鐵素體體積百分?jǐn)?shù)；D為鐵素體晶粒直徑。

從式中可以看出，晶粒細(xì)化也能提高抗拉強(qiáng)度，但和Hall-Petch公式相比，D-0.5的系數(shù)由1.5降為0.5，可得出晶粒細(xì)化對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響要比對(duì)屈服強(qiáng)度的影響要小。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，當(dāng)鈮含量由0.018%增加到0.087%時(shí)，屈服強(qiáng)度由450 MPa增加到570 MPa，增加了26.7%，抗拉強(qiáng)度由600 MPa增加到710 MPa，增加了18.3%。

鈮還有強(qiáng)烈的沉淀強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化作用，含鈮管線鋼的組織中含有大量的Nb（C、N），在軋制過(guò)程中或者軋后冷卻時(shí)沉淀析出，起到第二相沉淀強(qiáng)化作用。根據(jù)Orowan-Ashby的計(jì)算，第二相質(zhì)點(diǎn)所產(chǎn)生的強(qiáng)度增加值為：

式中：ψ為第二相質(zhì)點(diǎn)體積百分?jǐn)?shù)，x為第二相質(zhì)點(diǎn)的直徑。

從式中可以看出，質(zhì)點(diǎn)引起的強(qiáng)化效果與質(zhì)點(diǎn)的平均直徑成反比，與其體積分?jǐn)?shù)的平方根成正比，質(zhì)點(diǎn)越小，體積分?jǐn)?shù)越大，第二相引起的強(qiáng)化效果就越好。所以鋼中鈮含量的增加也使彌散的第二相粒子增加，從而提高了強(qiáng)度。

3.4 鈮對(duì)管線鋼沖擊韌性的影響

在-20℃條件下，測(cè)試管線鋼的夏比沖擊功，結(jié)果見(jiàn)圖8。管線鋼斷口掃描電鏡見(jiàn)圖9。

圖8 鈮含量對(duì)沖擊韌性的影響

圖9 X80管線鋼沖擊斷口的掃描電鏡

在各種強(qiáng)化機(jī)制中，晶粒細(xì)化是唯一既能使鋼的強(qiáng)度提高又能降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度的方法。由于晶粒的細(xì)化而使晶界數(shù)量增加，晶界可以把塑性變形限定在一定范圍內(nèi)，使變形均勻化，提高了塑性。晶界還可以阻止裂紋擴(kuò)展的阻力，因而可以改善韌性。晶粒越細(xì)，裂紋擴(kuò)展臨界應(yīng)力越大，韌性越高。Petch提出了沖擊韌脆轉(zhuǎn)變溫度與晶粒尺寸的關(guān)系：

式中：A為常數(shù)，℃；m為常數(shù)，℃/mm；D為鐵素體晶粒直徑，mm。

從式中可以看出，鐵素體直徑減小，可以使鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度Tc降低，也就是說(shuō)，在相同的溫度下，提高了管線鋼的沖擊功。在本次實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)鈮含量由0.018%增加為0.037%、0.087%時(shí)，在-20℃下管線鋼的沖擊功由155 J增加為198 J、213 J。

圖9為斷口掃描電鏡，含鈮量為0.018%的4#試樣斷口以準(zhǔn)解理形態(tài)為主，撕裂棱較多并且有少量的韌窩，說(shuō)明其沖擊韌性較差。含鈮量為0.037%的2#試樣斷口以延性斷裂為主，斷面上有大量的延性韌窩，說(shuō)明其韌性較1#要好。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，4#試樣的夏比沖擊功為（-20℃）155 J，5#試樣夏比沖擊功（-20℃）為198 J。

隨著鈮含量的增加，管線鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及沖擊韌性都顯著增加，當(dāng)鈮含量為0.087%時(shí)，這三項(xiàng)性能指標(biāo)分別為570 MPa、710 MPa、213 J（-20℃）。從軋態(tài)組織來(lái)看，組織由細(xì)密均勻的晶粒組成，組織狀態(tài)良好，綜合考慮，管線鋼中合適的鈮含量為0.087%左右。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)不同鉬和鈮含量的X80管線鋼強(qiáng)度以及韌性的分析，明確了鉬和鈮對(duì)強(qiáng)度X80管線鋼強(qiáng)度以及韌性的影響，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定了鉬和鈮在鋼中合適的含量，為優(yōu)化生產(chǎn)工藝、降低成本提供了理論依據(jù)。