MA对高钢级厚壁X80管线钢性能影响的研究

·试验研究·

MA对高钢级厚壁X80管线钢性能影响的研究

徐锋孔君华徐进桥崔雷李利巍邹航

(武汉钢铁(集团)公司研究院湖北武汉430080)

摘要：通过显微组织分析方法，研究了MA百分含量、形状、尺寸及分布情况对高钢级X80管线钢强度和韧性的影响规律。结果表明：MA是提高高强管线钢强度的重要手段之一，随着其含量的增加，管线钢的屈服和抗拉强度均增大；韧性主要取决于MA的形状系数，随着L/W比值增大，冲击韧性及落锤纤维率明显恶化。当MA尺寸在1μm左右、形状呈椭球状、均匀、弥散的分布于晶界处时，高钢级厚壁X80管线钢低温落锤SA%在95%以上，冲击功在300 J以上。

关键词：MA;百分含量;形状系数;椭球状

作者简介：第一徐锋，男，1986年生，工程师，2011年毕业于东北大学RAL国家重点实验室，目前在武汉钢铁研究院从事高性能管线钢的研究与开发。E-mail：xufeng1986923@163.com

文章编号：中图法分类号：TG113

收稿日期：(2015-05-07编辑：屈忆欣)

基金项目：教育部重点实验室基金(2010STS04)

The Study of MA Impact on the Performance of X80 Pipeline Steel with High Grade Thick Wall XU FengKONG JunHuaXU JinqiaoCUI LeiLI Liwei ZOU Hang

(ResearchandDevelopmentCenterofWUHANIronandSteel(Group)Corp.Wuhan,Hubei430080,China)

Abstract：Through the microstructure analysis method to study the MA percentage, shape, size and distribution of high grade X80 pipeline steel with thick wall the influence law of strength and toughness. The results show that MA is one of the important means to improve the strength of high strength pipeline steel, with the increase of the contente, the yield and tensile strength pipeline steel increase; toughness is mainly depends on the MA shape factor, with the L/W ratio increases, the toughness and DWTT was significantly worsen. When MA size around 1μm, ellipsoid shape is spherical, uniform, dispersion in the distribution of grain boundary, high grade X80 pipeline steel DWTT test SA% over 95%, the impact energy is more than 300 J.

Key word：MA, Percentage, shape fator, ellipsoidal

0引言

国脉工程“西气东输二线”的全面建成投产标志着我国的高强管线钢的研发与生产水平达到了国际先进水平。目前已开工建设的西三线及规划中的四、五、六线已明确将加大输气压力、扩大口径、增加安全系数。大壁厚、高韧性、高钢级管线钢是未来的发展趋势[1~3]。

MA广泛存在于高强管线钢中，其含量、分布、形态对管线钢的强韧性有着极大的影响。组织类型对管线钢强韧性的影响[4~5]，国内外已研究颇多；但关于MA的相关文献报道仍较少，且大多仅限于利用Gleebe-1500热模拟试验机完成[6]，定性的探讨了变形量、冷却速度、开冷温度对MA形态的影响[7~11]，无法定量揭示MA对高钢级X80管线钢强韧性影响。

本文通过实验室Ф800 mm轧机模拟20 mmX80轧制过程，在成分和控轧工艺不变的情况下，通过改变控冷工艺，研究在不同冷却条件下MA的形态及对性能的影响规律。

1实验材料及方法

本实验采用500 kg真空感应炉冶炼，浇铸成锭，锻造、锯切成230 mm×300 mm×200 mm厚矩形坯，化学成分为C：≤0.08%，Si：0.2%~0.35%，Mn：1.6%~1.9%，P：≤0.015%，S：≤0.001 4%，Nb：0.04%~0.08%，V：0.02%~0.06%，Cu+ Cr+Mo适量，微Ti处理，其余为Fe及不可避免的杂质元素。

在二辊可逆式试验轧机上将钢锭轧制成20 mm钢板，具体轧制工艺参数为：将钢锭加热至1 180 ℃，保温1h。轧制分两阶段完成，再结晶区开轧温度为1 100℃，终轧温度1 010 ℃，累积变形量为75%；未再结晶区开轧温度940 ℃，终轧温度830 ℃，累计变形量为65%，轧后立即水冷，冷却工艺参数如表1所示。

沿纵向截取圆棒拉伸试样，金相试样经抛光后，用3%的硝酸酒精溶液和Lepera试剂腐蚀(4%偏重亚硫酸钠+1%的苦味酸1:1混合)后，利用DMI5000M观察金相组织及MA形态，利用线切割沿试样横向上切取0.3 mm薄片，利用JEM-2100F透射电镜观察MA微观精细结构。

表1　冷却工艺参数

2实验结果及讨论

图1为不同冷却工艺条件下试验钢1/4壁厚处金相组织。从图中可以看出，四组试样钢组织主要为贝氏体。对比四组试验钢组织可以看出：1#、4#试样为针状体素体+粒状贝氏体，MA及碳化物尺寸均较小，弥散分布；2#、3#试样为粒状贝氏体+准多边形铁素体，碳化物主要集中于晶界处，且粗化明显，MA较粗大。

图2为用Lepera试剂腐蚀后试样MA的形貌图，除MA呈白亮色外，其余基体组织为黑色，可以清楚的看出四组实验钢MA的数量及形态，用Image Plus软件对四组试验钢显微组织中的MA进行数理统计，确定其体积分数、形状、尺寸，结果如表2所示。

不同冷却工艺下试验钢力学性能如表2所示，从表中可以看出四组试验钢强度均能满足API 5L X80技术要求，但2#、3#DWTT断口纤维率SA仅为70%、67.5%，不能满足一般技术要求。

图1　不同冷却工艺下试验钢金相组织

钢板编号Rt0.5/MPaRm/MPaRt0.5/RmA50%-20℃,KV2/J-15℃,DWTT,SA/%尺寸/μmMA百分含量%技术要求555~705625~825≤0.93-----1#6367500.8524304951.32,L/W:1.07.32#6217280.852621770L:3.5,W:1.56 L/W:2.246.23#6077190.842718265L:5.6,W:2.0 L/W:2.805.24#6067110.85283461001.17,L/W:1.03.4

2.1MA含量对性能的影响

选取组织类型和MA形态、尺寸大致相同1#、4#试样进行对比分析MA含量对强度及韧性的影响规律。从图3(a)可以看出，随着试验钢显微组织中MA含量的增加，屈服和抗拉强度均呈增加的趋势。当MA的含量从3.4%增加到7.3%，试验钢的屈服强度增加30 MPa，抗拉强度增加39 MPa。呈椭球状、细小弥散的MA岛，广泛分布于贝氏体晶界处时，其对强度的贡献机理类似于第二相粒子析出强化。故随着MA含量的增加，试验钢强度增加。同时，由于屈服和抗拉增加的幅度基本保持一致，故细小的MA含量的变化对屈强比影响不大。

从图4(b)~(d)可以看出，随着MA含量的增加，试验钢的韧性指标全部呈下降趋势。当呈椭球状的MA含量从3.4%增加到7.3%时，冲击功下降42J，DWTT纤维率下降5%，延伸率A50%下降4%，下降幅度并不大，仍能满足API 5L的技术要求。MA作为基体中的硬相存在于晶界处，当试验钢受外力作用时，由于MA和基体的塑性不同，无法达到相同的变形程度，故裂纹会优先萌生于两相接触面处。含量越多，则裂纹起源的位置越多，在持续受力过程中微裂纹越多，则彼此间相互连接成片的机率则增加，故随着MA含量的增加，试验钢的韧性会有所下降。

图3　MA含量对试验钢性能的影响

2.2MA形状系数对性能的影响

选取基体组织类型均为粒状贝氏体+准多边形铁素体，且MA含量差别不大的2#、3#试样进行对比分析MA形态变化对性能的影响。

从表2可以看出2#、3#试样的屈服和抗拉强度相差仅为14MPa和9MPa，说明MA形态差异对强度的影响不明显。

形状系数=MA长度/宽度,用L/W的值进行表示；形状系数可以定量表征MA岛的形态，随着L/W的增大，MA岛形态由椭球状向长条状分布转变，由表2可知， 2#、3#试样的形状系数分别为2.24、2.80。

从图4(a)、(b)可以看出。随着L/W的增大，试验钢的韧性恶化明显。当形状系数从2.24增加到2.80，冲击功下降35J，DWTT纤维率下降5%。

图5为3#、4#试验钢精细组织结构。对比可以看出3#试样M/A岛分布于针状铁素体晶界处，呈刀柄状，M/A岛的形状系数明显较大；4#试样M/A岛分布于针状铁素体晶界处，呈近似椭球状，其形状系数近似为1.0。

在受冲击力的过程中，由于MA和针状铁素体、准多边形铁素体基体两相硬度差很大，裂纹起源于两相界面处，MA形状系数越大，越不规则，则两相有效接触面越大，裂纹萌生位置越多；同时，形状系数越大则存在尖角部位的接触面越多，越容易产生应力集中，受力过程中，裂纹沿着界面扩展，故MA形状系数越大，则韧性越差。

图4　MA含量及形态对试验钢冲击功及落锤撕裂性能的影响

图5　微观组织精细结构

3结论

(1)随着MA含量的增加，屈服和抗拉均呈增加趋势，且增长幅度基本一致，对屈强比影响较小。

(2)MA形态对试验钢强度的影响较小，随形状系数L/W的增大，试验钢韧性恶化明显。随着MA尺寸减小，形状规则、圆整及弥散分布的程度增加，管线钢的低温落锤和冲击韧性大幅提高。

(3)本研究表明当MA尺寸在1μm左右、形状呈椭球状、分布均匀、弥散时，高钢级X80钢落锤SA%在95%以上，冲击功在300J以上，满足性能要求。

参 考 文 献

[1] 张伟卫, 熊庆人, 吉玲康. 国内管线钢生产应用现状及发展前景[J].焊管,2011,34(1)：5-8.

[2] 孙宏,王庆强. 国际高强度管线钢管的研究进展[J].压力容器,2012,29(1)：32-38.

[3] 王晓香,李延丰. 高强度管线钢管开发在中国的新进展[J].钢管,2011,40(1)：12-18.

[4] 夏佃秀,王学林,李秀程.X90级别第三代管线钢的力学性能与组织特征[J].金属学报,2013,49(3)：271-276.

[5] Sang Yong Shi, Byoung chu Hwang. Correlation of microstructure and charpy impact properties in API X70 and X80 line-pipe steels[J].Materials Science and Engineering A,2007,485：281-289.

[6] Zhiping Zhao, Zhen ming Wang. Effect of deformation and cooling rate on the transformation behavior and microstructure of X70 steels[J]. Journal of University of Science and Technology Beijing,2007,14(5)：410-413.

[7] Chun ming Wang, Xing fang Wu,Jie Liu. Study on M/A islands in pipeline steel X70[J]. Journal of University of Science and Technology Beijing,2005,12(1)：43-47.

[8] 杨旭宁,康永林,于浩.X70针状铁素体管线钢中MA岛的工艺控制[J]轧钢,2007,24(4)：7-10.

[9] 阮红志, 赵爱民, 赵征志.高钢X100管线钢中的MA岛[J].北京科技大学学报.2013,35(4)：474-480.

[10] 杨景红, 刘清友, 孙冬柏,等. 轧制工艺对微合金管线钢组织MA岛的影响[J]. 北京科技大学学报,2009,31 (2):180-185.

[11] 焦多田，蔡庆伍，武会宾.轧后冷却制度对X80级抗大变形管线钢组织和屈强比的影响[J].金属学报,2009,45(9)：1111-1116.