Cr-Mn-Mo 低合金鋼中白亮帶對(duì)力學(xué)性能的影響

彭 楊，靳博穎，姜根鋒，趙健明

（1.衡陽(yáng)華菱鋼管有限公司，湖南 衡陽(yáng) 421001；2.西安摩爾石油工程實(shí)驗(yàn)室股份有限公司，陜西 西安 710065）

鋼液在凝固過(guò)程中，溶質(zhì)元素在固液相中進(jìn)行再分配時(shí)，鑄坯中的元素分布不均勻，鑄坯中心部位的C、S、P 等元素含量明顯高于其他部位，產(chǎn)生中心偏析，凝固末期，在鑄坯厚度中心的枝晶間產(chǎn)生微小空隙，形成中心疏松［1-2］。中心偏析與中心疏松是連鑄坯中相伴而生的兩種缺陷，是由氣體、低熔點(diǎn)雜質(zhì)、偏析組元在中心部位最后凝固而成，因此對(duì)鋼的強(qiáng)度、塑性、韌性和耐蝕性產(chǎn)生一定影響，嚴(yán)重的會(huì)引起沖擊試樣斷口剪切面積百分比低，以及分層和內(nèi)折缺陷，導(dǎo)致報(bào)廢［3-8］。采取措施促進(jìn)鑄坯中心凝固組織等軸晶化，減少鋼液中易偏析元素含量，控制鑄坯鼓肚量，就可以減緩中心偏析和中心疏松的產(chǎn)生［2］。在連鑄過(guò)程中多采用電磁攪拌來(lái)降低連鑄坯的中心疏松和中心偏析等缺陷，能明顯改善產(chǎn)品質(zhì)量，但電磁攪拌后會(huì)在連鑄圓管坯上產(chǎn)生白亮帶［9-14］。該白亮帶位于連鑄坯的橫斷面上，經(jīng)酸浸后呈現(xiàn)出一個(gè)顏色較淺的圓形亮帶，圓形亮帶的本質(zhì)為致密晶桿組織（具體的組織類型取決于電磁攪拌具體安裝位置），形成機(jī)理為外加力場(chǎng)作用導(dǎo)致白亮帶區(qū)域凝固組織致密性明顯高于其附近區(qū)域，致密的低溶質(zhì)濃度晶桿組織經(jīng)過(guò)酸洗腐蝕以后即呈現(xiàn)出白亮特征，稱為白亮帶［11］。通常電磁攪拌強(qiáng)度越大，白亮帶越明顯。連鑄圓管坯經(jīng)軋制成鋼管并進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理后，白亮帶仍不能被消除。由于白亮帶區(qū)域內(nèi)的C 呈負(fù)偏析，會(huì)導(dǎo)致鋼的硬度和強(qiáng)度下降，塑性和沖擊韌性提高［13-14］。現(xiàn)針對(duì)常用的Cr-Mn-Mo 低合金鋼中的白亮帶，采用成分分析、顯微組織觀察和力學(xué)性能檢測(cè)等方法，分析與研究白亮帶對(duì)力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

1.1 試驗(yàn)材料

選用經(jīng)低倍酸浸后存在明顯白亮帶的Cr-Mn-Mo 鋼Φ280 mm 連鑄圓管坯，以及由這些連鑄坯經(jīng)軋制和熱處理制成的Φ273 mm×21.5 mm 規(guī)格P110套管和Φ273 mm×30 mm 規(guī)格P110 接箍料管。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

1.2.1 低倍檢驗(yàn)

在Φ280 mm 連鑄圓管坯上取低倍試樣，酸浸后檢驗(yàn)面上呈現(xiàn)出兩圈白亮帶（圖1），白亮帶的直徑為90～135 mm，寬度3～10 mm，緊挨白亮帶內(nèi)側(cè)是顏色偏深的圓圈，白亮帶內(nèi)及附近組織致密，無(wú)疏松斑點(diǎn)。該圓管坯經(jīng)軋制成鋼管并進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理后，白亮帶只是弱化了許多，但未消除。

圖1 Cr-Mn-Mo 連鑄圓管坯和調(diào)質(zhì)鋼管上的白亮帶

1.2.2 化學(xué)成分分析

選取連鑄圓管坯白亮帶寬度超過(guò)10 mm 的區(qū)域及附近區(qū)域，分別在白亮帶內(nèi)和基體上相隔5 mm 的內(nèi)（取2 點(diǎn)）、外（取3 點(diǎn)）位置用直讀光譜進(jìn)行成分分析，檢驗(yàn)結(jié)果見表1。從表1 可以看出：①基體上的內(nèi)、外5 點(diǎn)的成分相差不大，白亮帶區(qū)域的C 異常偏低，只有0.213%，與相鄰基體存在明顯差異；②白亮帶區(qū)域其他主要合金元素如Cr、Mn 和Mo 等也存在偏低現(xiàn)象。

表1 Cr-Mn-Mo 連鑄圓管坯的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分析結(jié)果 %

1.2.3 金相觀察分析

分別檢驗(yàn)Φ273 mm×21.5 mm 規(guī)格套管和Φ273 mm×30 mm 規(guī)格接箍料管在不同熱處理狀態(tài)下的白亮帶及其相鄰部位的顯微組織。同一狀態(tài)下，兩個(gè)規(guī)格的顯微組織無(wú)明顯差異。其中，Φ273 mm×30 mm 規(guī)格接箍料管熱軋態(tài)的顯微組織如圖2 所示，為鐵素體+少量珠光體和貝氏體，存在混晶現(xiàn)象，有兩條白亮帶，帶寬分別為0.44 mm和0.49 mm，距內(nèi)壁2.0～2.5 mm（圖2a）；白亮帶內(nèi)組織由相對(duì)較多的塊狀鐵素體和板條+針狀鐵素體，以及少量塊狀珠光體組成（圖2b）；白亮帶外圈的塊狀鐵素體呈網(wǎng)狀分布，網(wǎng)狀鐵素體內(nèi)為長(zhǎng)短不一、位向各異的針狀鐵素體，同樣還有極少量的塊狀珠光體和條狀貝氏體（圖2c）；白亮帶內(nèi)圈的組織是少量的塊狀黑色珠光體依附著塊狀鐵素體，貝氏體呈相對(duì)粗大的條狀分布，而針狀鐵素體相對(duì)短而細(xì)（圖2d）。接箍料管淬火態(tài)的顯微組織如圖3所示，均為板條狀馬氏體，白亮帶腐蝕顏色相對(duì)較淺。接箍料管調(diào)質(zhì)態(tài)的顯微組織如圖4 所示，外壁的組織為保持著原馬氏體位向的回火馬氏體+回火索氏體，白亮帶和內(nèi)壁的組織則是轉(zhuǎn)化完全的回火索氏體。

圖2 Φ273 mm×30 mm 接箍料管熱軋態(tài)的顯微組織

圖3 Φ273 mm×30 mm 接箍料管淬火態(tài)的顯微組織

圖4 Φ273 mm×30 mm 接箍料管調(diào)質(zhì)態(tài)的顯微組織

1.2.4 硬度檢驗(yàn)

分別檢測(cè)Φ273 mm×21.5 mm 規(guī)格套管和Φ273 mm×30 mm 規(guī)格接箍料管的淬火態(tài)和調(diào)質(zhì)態(tài)的硬度，沿白亮帶及附近每相隔1.0～1.5 mm 用顯微維氏硬度計(jì)進(jìn)行測(cè)試，白亮帶上取兩點(diǎn)，白亮帶外靠?jī)?nèi)壁取3 點(diǎn)，靠外壁取5 點(diǎn)，硬度檢測(cè)結(jié)果見表2 和如圖5 所示。從表2 和圖5 可以看出：白亮帶位置的硬度均低于其他區(qū)域，接箍和套管淬火態(tài)的硬度值較其他區(qū)域分別有218 HV10 和201 HV10 的極差，呈現(xiàn)出山谷形分布，白亮帶內(nèi)側(cè)高于其外側(cè)；調(diào)質(zhì)處理后，硬度值的極差下降到43 HV10 和45 HV10，白亮帶與其相鄰區(qū)域的硬度值差值分別為25～29 HV10 和27～35 HV10，硬度變化曲線相對(duì)平緩。

表2 Cr-Mn-Mo 鋼管的硬度檢測(cè)結(jié)果（由外向內(nèi)） HV10

圖5 Cr-Mn-Mo 鋼管的硬度變化趨勢(shì)

1.2.5 力學(xué)性能試驗(yàn)

在Φ273 mm×30 mm 規(guī)格的接箍料管上分別取全壁厚條形試樣、圓棒試樣，并在該接箍料管白亮帶處取5 mm×5 mm 小試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，再分別在外表面1/4、中間壁厚、內(nèi)表面白亮帶區(qū)取橫向10 mm×10 mm×55 mm 全尺寸沖擊試樣進(jìn)行0 ℃沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。從表3 中可以看出，所有類型試樣的力學(xué)性能均符合API Spec 5CT—2018《套管和油管規(guī)范》中的P110 鋼級(jí)要求（小試樣強(qiáng)度值低于其他試樣），其中小試樣的抗拉強(qiáng)度Rm和屈服強(qiáng)度Rt0.6比圓棒試樣分別低36 MPa 和52 MPa，但與全壁厚試樣相比未有明顯的差距，分別為7 MPa 和9 MPa；白亮帶區(qū)試樣的沖擊值高于其他位置試樣，外表面1/4、中間壁厚試樣的沖擊功沒有明顯的差距。

表3 Φ273 mm×30 mm 規(guī)格接箍料管的力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

2 分析與討論

白亮帶成因解釋有溶質(zhì)沖刷機(jī)理、凝固速率變化機(jī)理、區(qū)域溶質(zhì)再分配機(jī)理和溶質(zhì)析出-擴(kuò)散機(jī)理。這些假說(shuō)從不同的方面對(duì)白亮帶的形成做了解釋，都認(rèn)為白亮帶是溶質(zhì)化學(xué)成分偏析所致。在連鑄工藝條件一定的情況下，白亮帶寬度與鑄坯通過(guò)電磁攪拌線圈的時(shí)間有關(guān)，停留時(shí)間越長(zhǎng)，白亮帶越寬［13］。

低倍酸浸后，圓管坯低倍樣檢驗(yàn)面上出現(xiàn)兩圈白亮帶，白亮帶內(nèi)及附近組織致密、無(wú)明顯疏松，這是因電磁攪拌沖刷凝固前沿，促進(jìn)等軸晶粒形成，補(bǔ)縮枝晶間隔，使凝固組織均勻等作用導(dǎo)致的；經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后的鋼管上的白亮帶被弱化了許多。

通過(guò)對(duì)Cr-Mn-Mo 連鑄圓管坯上的白亮帶進(jìn)行化學(xué)成分分析發(fā)現(xiàn)，白亮帶內(nèi)的C 元素含量有較大地下降，其他主要合金元素如Cr、Mn 和Mo等下降幅度相對(duì)較小。連鑄坯中產(chǎn)生偏析的根本原因是由于溶質(zhì)元素在固相中溶解度較小，而在液相中溶解度較大，連鑄坯中化學(xué)成分的偏析受三方面因素的影響：一是溶質(zhì)元素的平衡分配系數(shù)，二是連鑄坯的凝固速度，三是液芯內(nèi)鋼水的流動(dòng)狀況。鋼中各溶質(zhì)元素的偏析傾向與其在固—液相之間的平衡分配系數(shù)有關(guān)，即平衡分配系數(shù)越小，偏析傾向越大，其中C 元素是容易產(chǎn)生負(fù)偏析的元素，Cr、Mn和Mo 等是負(fù)偏析傾向相對(duì)較小的元素，所以白亮帶內(nèi)的C 元素含量相較其他位置有較大降低［9-14］。文獻(xiàn)［15］認(rèn)為：電磁攪拌形成的鋼液對(duì)流將高溶質(zhì)元素的鋼液帶走后形成了C 元素的偏析負(fù)區(qū)，該區(qū)域在隨后的冷卻中形成了尺寸較大的鐵素體晶粒，在低倍酸浸時(shí)相對(duì)其他區(qū)域更耐腐蝕而顯示為白色。

從硬度檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，白亮帶的淬火態(tài)的硬度與其他區(qū)域相差較大，達(dá)到了201～218 HV10，而調(diào)質(zhì)態(tài)的硬度差距會(huì)下降較多，只有43～45 HV10，這是因?yàn)榘琢翈^(qū)的C 含量雖然偏低，但淬火后得到全馬氏體，再經(jīng)回火處理后，白亮帶區(qū)與內(nèi)壁均得到回火索氏體，硬度下降相對(duì)較小，因此與基體的硬度差距得以大幅度縮小。

顯微組織觀察結(jié)果表明，熱軋態(tài)Cr-Mn-Mo 鋼管的不同位置的顯微組織存在較大差異，其中基體為鐵素體+少量珠光體和貝氏體，白亮帶內(nèi)則由相對(duì)較多的塊狀鐵素體和板條+針狀鐵素體以及少量塊狀珠光體組成，白亮帶外圈是由塊狀鐵素體和少量塊狀珠光體及條狀貝氏體組成，白亮帶內(nèi)圈是少量的塊狀黑色珠光體依附著塊狀鐵素體，貝氏體呈相對(duì)粗大的條狀分布，而針狀鐵素體相對(duì)短而細(xì)。淬火態(tài)鋼管的不同位置的顯微組織差異較小，均為板條狀馬氏體，只是白亮帶腐蝕顏色相對(duì)較淺；回火后，外壁為回火馬氏體+回火索氏體，白亮帶和內(nèi)壁為回火索氏體，顯微組織差距進(jìn)一步縮小。

調(diào)質(zhì)態(tài)接箍上白亮帶與其相鄰區(qū)域相差分別為25～29 HV10 和27～35 HV10，如果硬度與強(qiáng)度值按1 HV10≈3 MPa 換算，則白亮帶與其相鄰區(qū)有75～105 MPa 強(qiáng)度值差。而從拉伸性能檢驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，含白亮帶小試樣的強(qiáng)度值較圓棒試樣小很多，但與全壁厚試樣相比，并未有明顯的差距，Rm和Rt0.6只低了7 MPa 和9 MPa。從沖擊性能檢驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，含白亮帶區(qū)試樣的沖擊值高于其他試樣，外表面1/4 試樣與中間壁厚試樣的沖擊值沒有明顯差距。筆者認(rèn)為產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：①白亮帶所占區(qū)域面積較小，且呈圓弧形分布，小型條狀拉伸試樣取樣并不全是白亮帶區(qū)域，也帶有部分強(qiáng)度和硬度高的基體區(qū)域，提高了試樣的強(qiáng)度值；②全壁厚試樣既有白亮帶區(qū)，又有內(nèi)、外表面脫碳層區(qū)，因此強(qiáng)度值相對(duì)較低，而圓棒試樣通常取自管壁中間位置，由此測(cè)得的強(qiáng)度值最高；③調(diào)質(zhì)處理后，雖然淬火態(tài)硬度差別較大，但回火處理后的硬度差別大大減小，因此白亮帶對(duì)材料的整體性能影響不大。

3 結(jié)論

（1）Cr-Mn-Mo 鋼連鑄坯上由電磁攪拌引起的白亮帶是以C 元素為主的宏觀負(fù)偏析區(qū)，在白亮帶區(qū)域內(nèi)，Cr、Mn 和Mo 等元素的含量也存在偏低現(xiàn)象。

（2）Cr-Mn-Mo 鋼圓管坯上的白亮帶及附近組織致密、無(wú)明顯疏松，鋼管調(diào)質(zhì)后，白亮帶被弱化。

（3）熱軋態(tài)Cr-Mn-Mo 鋼管中的白亮帶與基體的顯微組織存在較大差異，白亮帶中的鐵素體相對(duì)較多，無(wú)貝氏體；淬火后，兩者的顯微組織差異減小，均為板條狀馬氏體，白亮帶腐蝕顏色相對(duì)較淺；回火后，外壁為回火馬氏體+回火索氏體，白亮帶和內(nèi)壁為回火索氏體，顯微組織差距進(jìn)一步縮小。

（4）Cr-Mn-Mo 鋼管淬火后，白亮帶硬度低于其他區(qū)域，進(jìn)行全壁厚硬度檢測(cè)時(shí)，局部會(huì)出現(xiàn)硬度偏低現(xiàn)象；回火后，白亮帶與基體的硬度差距大幅度減小。因此認(rèn)為，白亮帶對(duì)Cr-Mn-Mo 鋼調(diào)質(zhì)處理后的整體力學(xué)性能影響不大。