大壁厚大口徑X80M管線鋼DWTT性能的控軋工藝試驗研究

周文浩

(湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司技術質量部，湖南 湘潭 411101)

為降低石油、天然氣長輸管道運行成本，提高輸送效率，管線鋼不斷向高強韌、大壁厚、大口徑等方向發(fā)展[1]。落錘撕裂試驗(Drop Weight Tear Test，DWTT)性能是確保管線鋼安全運行的關鍵指標，API Spec 5L、ISO 3183、GB/T 9711等標準均要求管線鋼的DWTT斷口剪切面積不低于85%[2-3]。然而隨著管線鋼強度提高、厚度增加、管徑更大、服役溫度更低，DWTT性能已成為管線鋼工程應用的瓶頸[4-5]。

對管線鋼DWTT性能的組織機理已有大量研究。劉清友等人[6-7]證實了相變前奧氏體晶粒尺寸和室溫組織中的馬奧島是影響厚規(guī)格X80管線鋼DWTT性能的兩大主要因素；同時指出有效晶粒尺寸(取向差15°以上的大角度晶粒)對衡量管線鋼DWTT性能有著至關重要的作用，有效晶粒尺寸越細小，DWTT斷口剪切面積越高。張小立等人[8]利用EBSD對影響管線鋼韌性的晶體學參數(shù)進行了研究，同樣得到晶粒尺寸越細、有效晶粒越小、大角度晶界比例越高，管線鋼的韌性越好的結論。張偉衛(wèi)等人[9]認為消除帶狀組織、減小組織的不均勻性對改善厚壁管線鋼低溫落錘性能有顯著作用，而高硬度粗大的馬奧島組織帶會嚴重惡化DWTT性能。楊小龍等人[10]也指出珠光體等扁平細長條狀組織對DWTT性能不利，容易導致出現(xiàn)斷口分離現(xiàn)象；同時研究了織構取向對韌性的影響，指出{001}織構是對韌性不利的組分，而{112}織構是對韌性有利的組分。Yu[11]也表明了這一觀點，{112}織構取向能夠顯著減小鋼板各向異性并具有良好的止裂能力，此時解理面易于形成分支裂紋，可以顯著減小裂紋前端的應力擴大系數(shù)，提高鋼板阻滯裂紋傳播的能力。由此可見，獲得細小均勻的組織、減小有效晶粒尺寸、增加大角度晶界比例、減少粗大馬奧島數(shù)量和條帶狀組織、以及獲得{112}有利取向織構等均有利于提高DWTT性能。而這些組織的獲得又與原始奧氏體晶粒尺寸及其狀態(tài)密切相關。已有研究表明[12-13]，粗大、不均勻的原始奧氏體組織相變后獲得的組織也較粗大、不均勻，容易出現(xiàn)大尺寸的多邊形鐵素體和粒狀貝氏體；粗大、形變大的原始奧氏體晶粒更加穩(wěn)定，馬奧島數(shù)量增加，尺寸變大，并且容易產(chǎn)生帶狀組織。孫憲進等人[14]認為原始奧氏體晶?？纱碛行ЬЯ?，原始奧氏體晶粒細小時，奧氏體內(nèi)部的變體選擇對大角度晶界密度有明顯貢獻。劉文月等人[15]在總結控軋控冷對織構及韌性的影響時，指出變形既強化了有利于韌性的{112}織構，同時也增加了不利于韌性的{001}織構。馬慧君[16]認為適當?shù)脑紛W氏體變形有利于{001}、{111}、{112}等織構的產(chǎn)生，但變形量從30%提高至50%時織構密度變化很小。章傳國等人[17]在研究精軋壓縮比對厚規(guī)格管線鋼DWTT性能的影響時，也表明采用適當?shù)木垑嚎s比有利于獲得細小均勻的以大角度晶界為主的室溫組織，而過小或過大的精軋壓縮比均對提高DWTT性能不利?？梢娺^量的原始奧氏體形變不一定能獲得韌性的改善，但Sung等人[18]表明終軋在接近臨界轉變溫度變形時可以強化{112}織構，有利于X80管線鋼落錘撕裂性能的提高?？傊?，原始奧氏體晶粒尺寸及其形變程度、變形溫度等對管線鋼DWTT性能有著重要影響。然而對大壁厚大口徑高強韌管線鋼，由于鋼板板厚較厚、寬度又寬，因此如何設定合理的生產(chǎn)工藝以獲得有利于DWTT性能的原始奧氏體組織仍需要更多的工業(yè)試驗研究。

本文以板厚為30.8 mm、管徑為1 422 mm的X80M管線鋼為研究對象，對5種軋制工藝試制的管線鋼板進行微觀組織和DWTT性能對比分析，為優(yōu)選大壁厚大口徑高強韌管線鋼的控軋工藝提供依據(jù)。

1 實 驗

實驗材料為中俄東線用X80M管線鋼，其化學成分如表1所示。

表1 實驗鋼的化學成分(質量分數(shù)/%)Table 1 Chemical compositions of experimental steel (wt.%)

實驗采用連鑄坯，鑄坯尺寸為300 mm×2 280 mm，即壓縮比為9.74、展寬比為1.91。鑄坯采用冷裝入爐，加熱工藝基本保持一致，出爐溫度控制在(1 180±10) ℃左右。出爐除鱗后進行粗軋和精軋的兩階段控制軋制，中間坯為90 mm。軋后均以15～20 ℃/s的冷速加速冷卻至320～380 ℃。具體控制軋制工藝參數(shù)如表2所示。

表2 實驗鋼的控軋工藝Table 2 Controlled rolling processes of experimental steel

工藝1～工藝3的精軋工藝基本相同，采用低速多道次低壓下率的軋制方式，精軋共進行13道次、道次最大軋制速度低于4.0 m/s、最大壓下率在10.5%以下，同時采用低溫軋制，控制精軋終軋溫度在(760±5)℃的范圍。但是3個工藝的粗軋工藝相差較大，工藝1的粗軋采用高溫軋制，粗軋結束溫度高；工藝2的粗軋采用增加軋制道次數(shù)以控制結束溫度在較低溫度；工藝3的粗軋同樣保證在較低的結束溫度軋制，為此采用倒數(shù)第二道次和倒數(shù)第一道次軋制前都待溫較長時間的方式來實現(xiàn)。

工藝4和工藝5的粗軋工藝與工藝3的粗軋工藝基本一致，控制倒數(shù)第二道次軋制前待溫時間在(200±10) s左右、倒數(shù)第一道次軋制前待溫時間在(50±10) s左右，使粗軋結束溫度控制在(980±5)℃的范圍。但兩種工藝的精軋工藝變化較大，工藝4的精軋采用典型的“低溫大壓下”軋制方式，減少軋制道次數(shù)至9道，同時降低開軋溫度、提高道次壓下率和軋制速度、縮短道次間隔時間，使精軋終軋溫度保持與工藝3一致，并獲得較多的壓扁形變組織；而工藝5的精軋采用“高溫軋制”方式，同樣采用較少的軋制道次數(shù)和較高的道次壓下率和軋制速度，但提高精軋開軋溫度使終軋溫度提高至820 ℃。

將每塊試制鋼板頭部切除1 000 mm左右，然后從頭部板寬1/4處取2個全厚度橫向DWTT試樣，依據(jù)SY/T 6476標準在JL-50000落錘試驗機上進行-20 ℃的DWTT試驗，檢測各試樣斷口的纖維撕裂面積。在每塊試制鋼板板厚1/4處取橫向金相試樣，經(jīng)機械研磨、拋光后，工藝1～工藝3試樣采用3%體積分數(shù)的硝酸酒精腐蝕，然后利用Imager M2m光學顯微鏡對微觀組織進行觀察；工藝3～工藝5試樣在高氯酸、乙酸混合溶液中進行電解拋光，然后借助電子背散射衍射(Electron back-scatter diffraction, EBSD)進行晶粒取向掃描，并使用EDAX-TSL EBSD分析軟件對所測的EBSD數(shù)據(jù)進行有效晶粒度、晶界特性及相分析。

2 結果與分析

2.1 不同控軋工藝對實驗鋼DWTT性能的影響

圖1示出了5種控軋工藝鋼板的DWTT性能檢測結果。結果表明，工藝3鋼板的DWTT性能最優(yōu)，DWTT斷口剪切面積均值為94%；工藝2鋼板次之；而工藝4鋼板已不能滿足標準要求；工藝1和工藝5鋼板的DWTT性能則明顯惡化。

圖1 不同控軋工藝鋼板的DWTT性能Fig.1 DWTT properties of steel plates produced by different controlled rolling processes

觀察DWTT斷口形貌，如圖2所示。工藝1試樣的DWTT斷口出現(xiàn)明顯的三角脆性區(qū)，根據(jù)標準應按正常斷口評定DWTT剪切面積；工藝2試樣的DWTT斷口為典型的異常斷口，缺口側主要發(fā)生韌性斷裂，應按照異常斷口評定方法，將缺口側和錘擊側各扣除19 mm后再評定，其DWTT性能可以評定合格，滿足標準要求；工藝3試樣的DWTT斷口主要為纖維斷口，僅在錘擊側出現(xiàn)少量解理形貌；工藝4試樣的DWTT斷口為傾斜斷口，斷口表面附近有大量區(qū)域與軋面呈一定角度撕裂，但中心的脆性斷裂幾乎貫穿；工藝5試樣的DWTT斷口主要發(fā)生脆性斷裂，大部分區(qū)域呈現(xiàn)光澤或結晶狀，僅在表面附近有少量韌性區(qū)域。

圖2 5種控軋工藝鋼板的DWTT斷口形貌Fig.2 DWTT fracture morphologies of steel plates produced by five kinds of controlled rolling processes: (a) process 1; (b) process 2; (c) process 3; (d) process 4; (e) process 5

結合控軋工藝分析，粗軋采用高溫軋制，DWTT斷口容易出現(xiàn)三角脆性區(qū)；采用低溫軋制，DWTT斷口由正常斷口向異常斷口轉變，使DWTT性能的評定方法改變，DWTT性能大幅提升；同時采用較大的道次壓下率，并使軋制后有足夠的時間發(fā)生充分再結晶，DWTT性能能夠得到進一步改善。精軋采用較多道次，并降低道次壓下率、提高軋制速度、延長軋后間隔時間，使軋制變形產(chǎn)生較小的加工硬化，并通過較充分的回復使之有較低的位錯密度，這種“回復-變形”的軋制方式比傳統(tǒng)的低溫大壓下軋制方式使大壁厚X80M管線鋼有著更優(yōu)異的DWTT性能；而精軋采用高溫軋制對DWTT性能極為不利。

2.2 不同粗軋工藝鋼板的微觀組織特征

對工藝1～工藝3鋼板的微觀組織進行對比分析，如圖3所示。由于再結晶晶粒及其長大受溫度的影響頗大[19]，經(jīng)工藝1高溫粗軋后，奧氏體晶粒尺寸較大。隨后未再結晶區(qū)精軋時，大晶粒壓扁變形，并在晶界處聚集較多位錯等缺陷。加速冷卻過程中，鐵素體和貝氏體易在能量較高的晶界上形核，導致相變完成后仍能在金相組織中觀察到呈壓扁狀態(tài)的原奧氏體晶界，如圖3(a)中白色箭頭所示。而這種帶方向性的面缺陷在落錘撕裂破壞過程中易成為裂紋擴展的通道，使材料發(fā)生脆性的沿晶斷裂，尤為對材料的低溫DWTT性能不利，因此粗軋的終軋溫度應控制在較低溫度；工藝2和工藝3均符合這一思路，但工藝2采用的增加軋制道次數(shù)將使軋制的道次壓下率變小。由軋制溫度和道次壓下率對再結晶分數(shù)的影響規(guī)律可知[20]，再結晶充分完成時間需要更長的時間，這可能導致發(fā)生部分再結晶而出現(xiàn)混晶，冷卻后較大尺寸的晶粒將形成硬相的貝氏體，如圖3(b)中白色圓圈所示。這種不均勻的組織對DWTT性能有一定影響；而工藝3在后兩道的低溫軋制時，保證有足夠的間隔時間使再結晶發(fā)生完全，并獲得較細小的奧氏體晶粒，從而最終得到有利于DWTT性能的細小均勻組織(圖3(c))。

圖3 3種不同粗軋工藝鋼板的微觀組織Fig.3 Microstructure of steel plates produced by three different roughing processes: (a) process 1; (b) process 2; (c) process 3

2.3 不同精軋工藝鋼板的微觀組織特征

圖4示出了工藝3～工藝5這3種不同精軋工藝鋼板的EBSD組織的有效晶粒度情況。所測的晶粒度為尺寸大于2 μm的bcc大角度晶粒，圖中同一種顏色代表同一種取向，紅色為{001}、藍色為{111}、綠色為{110}、青色為{112}。

圖4 3種不同精軋工藝鋼板的EBSD有效晶粒圖Fig.4 EBSD of effective grain size of steel plates produced by three different finishing processes: (a) process 3; (b) process 4; (c) process 5

從測量的結果來看，采用高溫軋制的工藝5鋼板的晶粒較大；使用“回復-變形”工藝和“低溫大壓下”工藝的工藝3和工藝4鋼板的晶粒度相差不大，但“低溫大壓下”工藝鋼板的晶粒呈壓扁程度更大，紅色的{001}取向比例較高；而“回復-變形”工藝鋼板以青色{112}取向居多。這表明“回復-變形”軋制工藝可以控制有利織構的形成，從而有利于改善鋼板的DWTT性能。3種不同精軋工藝鋼板的晶粒量化情況如表3所示。

表3 3種不同精軋工藝鋼板的有效晶粒度情況Table 3 Effective grain size of steel plates produced by three different finishing processes

3種不同精軋工藝鋼板的EBSD組織晶粒特性如圖5所示。圖中紅色線代表取向差為15°以上的，綠色線代表取向差為10°～15°，黑色代表取向差為2°～10°。由圖可見，鐵素體與鐵素體之間大部分為大角度晶界。這可能是在原始奧氏體晶界上形成的，同時鐵素體中小角度晶界很少，而貝氏體中較多。3種精軋工藝相比，“回復-變形”工藝鋼板的大角度晶界較多，取向差在10°以上的比例達到60%以上；而“高溫軋制”工藝和“低溫大壓下”工藝鋼板的小角度晶界較多。

圖5 3種不同精軋工藝鋼板的EBSD組織晶界特性Fig.5 EBSD of grain boundary characteristics of steel plates produced by three different finishing processes: (a) process 3; (b) process 4; (c) process 5

3種不同精軋工藝鋼板的EBSD組織相分析如圖6所示。圖中黑色地方為標定率低的地方，一般為晶體缺陷較高的地方，紅色地方為殘余奧氏體，綠色地方為滲碳體。由相分析可知，“回復-變形”工藝鋼板的殘余奧氏體比較彌散分布；“低溫大壓下”工藝鋼板的黑色區(qū)域相對較多，形成的晶體缺陷更高，滲碳體含量較多，表明伴隨有滲碳體形成的中高溫相變較多，低溫相變的馬氏體及殘余奧氏體量較少，但多分布在晶體缺陷較高的地方；“高溫軋制”工藝鋼板的晶體缺陷較少，殘余奧氏體含量最高、滲碳體含量明顯降低，馬氏體相變趨勢增加?？梢?，殘余奧氏體量增加、馬氏體相變程度增大，不利于大壁厚大口徑X80M管線鋼的DWTT性能，而彌散細小分布的殘余奧氏體(馬奧島)對DWTT性能的影響較小。3種精軋工藝鋼板的EBSD組織相分析量化情況如表4所示。

圖6 3種不同精軋工藝鋼板的EBSD組織相分析Fig.6 EBSD phase analysis of steel plates produced by three different finishing processes: (a) process 3; (b) process 4; (c) process 5

表4 3種不同精軋工藝鋼板的EBSD組織相分析結果Table 4 EBSD phase analysis results of steel plates produced by three different finishing processes

3 結 論

1)控軋工藝對管線鋼的DWTT性能影響頗大。粗軋采用低溫軋制，并保證道次壓下率及軋后充分再結晶；精軋采用較小道次變形并充分回復后再變形的“回復-變形”的軋制方式，對提高大壁厚大口徑高強韌管線鋼X80M的DWTT性能有利。對壁厚為30.8 mm、管徑為1 422 mm的X80M管線鋼，-20 ℃溫度下的全厚度DWTT性能可達到94%，滿足管線鋼安全運行的標準要求。

2)進一步闡明減小原始奧氏體晶粒尺寸、提高奧氏體晶粒均勻性、提高具有良好止裂能力的{112}取向晶粒數(shù)量、細化有效晶粒尺寸、增加大角度晶界比例、減少粗大馬奧島的數(shù)量和尺寸等，有利于提高DWTT性能。但生產(chǎn)工藝、組織表征、斷裂行為之間的內(nèi)在機理還需更深入的研究。