卷取溫度對18.4 mm X80M 管線鋼DWTT 性能的影響

楊小波，張 通，許 可，張寶寧，薛 強(qiáng)，劉 洋

（唐山鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司，河北 唐山 063000）

0 引言

管道運(yùn)輸是石油、天然氣等介質(zhì)大規(guī)模且經(jīng)濟(jì)的輸送方式，尤其是石油、天然氣有著巨大市場，更有力地促進(jìn)了管線鋼的發(fā)展。目前管道工程的發(fā)展方向是大口徑、高壓輸送、海底管道的厚壁化以及耐高寒和腐蝕的服役環(huán)境，因此不僅要求管線鋼具有高的強(qiáng)度，而且應(yīng)有良好的韌性、疲勞性能、抗斷裂特性和耐腐蝕性，同時(shí)還要求在力學(xué)性能改善的同時(shí)不應(yīng)當(dāng)惡化鋼的焊接性能和加工性能[1]。

隨著對管線鋼需求的增大，我國逐步研制生產(chǎn)出各個(gè)級(jí)別的管線鋼，當(dāng)前可批量投入實(shí)際生產(chǎn)中規(guī)格最高的管線鋼為X80 鋼級(jí)管材，其各種性能指標(biāo)和控制在行業(yè)里均處于較高難度。其中DWTT（落錘撕裂試驗(yàn)，Drop-Weight Tear Test）性能是用來檢測材料韌性的試驗(yàn)項(xiàng)目，主要用于金屬材料的低溫脆性研究[2-4]，目標(biāo)是建立斷口形貌與溫度的關(guān)系。對于高韌性、大壁厚的管線鋼來說，普通夏比沖擊試驗(yàn)的試樣尺寸過小，不能反映實(shí)際構(gòu)件中的應(yīng)力狀態(tài)，而且結(jié)果離散性大。而DWTT 的結(jié)果與鋼管全尺寸爆破試驗(yàn)的結(jié)果相當(dāng)吻合，說明這種方法更能反映斷裂的真實(shí)情況，而且容易操作，因此落錘撕裂試驗(yàn)被廣泛應(yīng)用于管線鋼斷裂韌性的評價(jià)，被作為衡量管線鋼抵抗脆性開裂能力的韌性指標(biāo)。一般來說，行業(yè)內(nèi)管線鋼的DWTT 剪切面積分?jǐn)?shù)要求是平均85%，最低70%[5-7]。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及特性

實(shí)驗(yàn)材料為某鋼廠生產(chǎn)的厚度為18.4 mm 的X80M管線鋼，其典型化學(xué)成分范圍如表1 所示，物理性能要求如表2 所示。該管線鋼采用超低碳、超低硫、超低磷的微合金化設(shè)計(jì)，通過Mn-Nb-V-Ti-Mo-Cr微合金化抑制多邊形鐵素體的形成，促進(jìn)針狀鐵素體轉(zhuǎn)變，其典型組織為針狀鐵素體（AF）、少量多邊形鐵素體（PF）和準(zhǔn)多邊形鐵素體（QF），典型組織形貌如圖1 所示[8-15]。為分析材料特性，對此材料進(jìn)行不同冷速實(shí)驗(yàn)，繪制出CCT 曲線，結(jié)果如圖2所示。圖3 中：QF 為準(zhǔn)多邊形鐵素體（Quasi-Polygonal Ferrite）；GF 為粒狀貝氏體；AF 為針狀鐵素體（Acicular Ferrite）；BF 為貝氏體鐵素體（Bainitic Ferrite）；LM 為板條馬氏體（Lath Martensite）。為避免實(shí)驗(yàn)溫度在脆性轉(zhuǎn)變點(diǎn)附近的檢驗(yàn)結(jié)果波動(dòng)過大，對樣品進(jìn)行0 ℃、-10 ℃、-20 ℃、-30 ℃、-45 ℃、-65 ℃系列溫度的DWTT 試驗(yàn)，確定轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)在-38 ℃，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3 所示。

圖1 X80M 金相組織

圖2 X80M 管線鋼的CCT 曲線

圖3 DWTT 剪切面積占比系列溫度轉(zhuǎn)變曲線

表1 化學(xué)成分

表2 拉伸性能求

1.2 實(shí)驗(yàn)方案及樣品制備

實(shí)驗(yàn)在某2050 熱軋線進(jìn)行，工藝方案采用精軋出口定速軋制，卷取溫度設(shè)定如表3 所示，平均卷取溫度為鋼卷出層流冷卻后高溫計(jì)溫度。落錘撕裂試驗(yàn)試樣在板寬1/4 處，與軋制方向成30°角取樣，檢驗(yàn)按照SY/T 6476《管線鋼管落錘撕裂試驗(yàn)方法》進(jìn)行檢驗(yàn)。金相組織按GB/T 13298—2015《金相顯微組織檢驗(yàn)方法》進(jìn)行檢驗(yàn)。試樣經(jīng)鑲嵌、打磨、拋光后用硝酸酒精溶液浸蝕，之后用蔡司的Axio Vert.A1 倒置金相顯微鏡進(jìn)行觀測。

表3 不同終軋溫度和卷取溫度對比實(shí)驗(yàn)方案 單位：℃

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析討論

2.1 DWTT 宏觀斷口形貌分析

不同卷取溫度下實(shí)驗(yàn)鋼在-20 ℃的落錘剪切面積檢驗(yàn)結(jié)果如表4 所示，DWTT 斷口宏觀照片如圖4所示。從圖4 中可見，隨著卷取溫度的提高，落錘剪切面積逐漸增高，當(dāng)溫度到350 ℃時(shí)，落錘剪切面積為100%。

圖4 不同卷取溫度下實(shí)驗(yàn)鋼DWTT 斷口宏觀形貌比較

表4 -20 ℃下的DWTT 實(shí)驗(yàn)撕裂面積占比

2.2 近斷口區(qū)域的夾雜物觀察與分析

對試樣進(jìn)行夾雜物檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示，夾雜物主要為C 類0.5 級(jí)，整體夾雜物水平比較低，樣品檢測結(jié)果差異不明顯，可以排除夾雜物對落錘撕裂性能影響。

圖5 不同卷取溫度試樣夾雜物檢測結(jié)果

2.3 近斷口區(qū)域的金相組織觀察與分析

在斷口附近區(qū)域，取金相試樣檢測帶鋼1/4 處和1/2 處的組織。對比金相組織可知，在550 ℃時(shí)，層冷水冷段平均冷速在10 ℃左右，典型組織為多邊形鐵素體、針狀鐵素體和少量粒狀貝氏體，如圖6 所示。在450 ℃時(shí)，層冷水冷段的平均冷速在14 ℃左右，組織以針狀鐵素體、多邊形鐵素體和少量貝氏體為主，其中多邊形鐵素體比例降低，針狀鐵素體比例增加，同時(shí)由于冷卻不均勻，造成1/2 位置多邊形鐵素體比例較高，如圖7 所示。在350 ℃時(shí)，平均冷速在18 ℃左右，組織中針狀鐵素體比例很高，從圖1/4和1/2 位置對比看，組織比較均勻，無明顯差異，如圖8 所示。

圖6 550 ℃的金相組織

圖7 450 ℃的金相組織

圖8 350 ℃的金相組織

3 結(jié)論

1）三種卷取溫度下的實(shí)驗(yàn)鋼剪切面積隨卷取溫度升高而增大，落錘撕裂性能降低。準(zhǔn)多邊形鐵素體的比例對落錘性能影響較大，組織中準(zhǔn)多邊形鐵素體量增加，組織均勻性變差，準(zhǔn)多邊形鐵素體比例越高，落錘性能剪切面積越低。

2）卷取溫度為450 ℃時(shí)，厚度方向組織不均勻性對落錘性能有明顯影響，此溫度下帶鋼厚度1/4 處組織較均勻，針狀鐵素體比例有所提升，但1/2 處多邊形鐵素體的比例較高，落錘性能有所下降。

3）卷取溫度為350 ℃時(shí)，組織中針狀鐵素體比例高，1/4 處和1/2 處組織比較均勻，落錘撕裂性能最好。