热处理对低锰高镍管线钢力学性能的影响

陈 康，左秀荣，李 源，赵鹏翔，王翼鹏，李金玲

（郑州大学 物理工程学院教育部材料物理重点实验室，河南 郑州450052）

在现代管线钢技术中，为提高运输效率，采用化学成分、微观组织设计及热机械控制工艺（Thermo Mechanical Controlled Processing，TM－CP）获得优良的综合性能［1］．随着世界石油、天然气工业的发展，长输管线建设正朝着大直径、大壁厚和高压输送的方向发展，这就要求管线钢具有高强度和高韧性．自从20 世纪70 年代针状铁素体组织的高强度低合金管线钢得到发展以后，进行了大量的微观组织和性能方面的研究工作［2－3］．为提高长输管道的耐酸能力，通常减少C，P，Mn的含量，这是因为低碳低锰钢中心偏析较少，避免带状组织的产生［4］，抗氢致开裂（HIC）的性能优异．碳、锰含量的减少所造成的强度损失可通过提高Ti，Nb，V 及Cu，Ni，Mo，Cr含量进行补偿．另外，较低的锰含量及适当地添加Ti，Nb，V 等元素，可以减少硫化锰夹杂并形成很多均匀细小的析出物［5］，有利于韧性的改善．热处理制度是进一步改善该类钢综合力学性能的关键因素之一，对于充分发挥管线钢的潜力具有十分重要的意义．目前管线钢的研究多集中在TMCP工艺制备的钢板强度、韧性、焊接性和抗腐蚀性上［6－7］，而对TMCP管线钢热处理的研究较少，尤其是对低锰高镍管线钢热处理后组织和性能方面的研究未见报道．本文在管线钢基础上降低锰并提高镍、钛、铜的含量，研究了TMCP 试验钢及随后不同温度热处理对其微观组织和力学性能的影响，探讨热处理工艺与组织、性能间的关系，为最佳热处理工艺技术的制定奠定基础．

1 试验材料及方法

试验所用材料采用自钢厂TMCP工艺轧制的16．4 mm 厚板钢，降低了锰及提高了钛的含量．试验钢的化学成分如表1 所示．TMCP 钢经再结晶区和未再结晶温度区两阶段控轧，在实验室二辊试验轧机上轧制成厚16．4mm 的钢板，轧后加速冷却．

表1 试验用钢的化学成分（质量分数，%）Tab．1 Chemical composition of tested steel （wt%）

本研究开发的钢中C，Mn，P，S 的含量较低，以防止中心偏析和氢致裂纹的产生，同时提高Ti，Ni和Cu的含量以避免强度的下滑．钛是强碳化物形成元素，提高含量可以显著提高钢的强度，钛元素的存在可以起到析出强化、细晶强化和提高淬透性的作用［8］．镍作为固溶元素起到固溶强化的作用，镍还可以起到提高过冷奥氏体的稳定性及抑制多边形铁素体而促进针状铁素体相变的作用［9］．

根据曾其英［10］的相变点经验公式（1），（2）计算Ac1，Ac3．

式（1），（2）中元素符号均表示元素的质量分数，计算出试验钢的Ac1，Ac3分别为687 ℃，851 ℃．

从TMCP态轧板中切割出试块，并在电阻炉内于650℃，700℃，750℃，800℃，850℃保温1h 后空冷至室温．本研究所选取的热处理制度涵盖了高温回火（650 ℃）、临界区热处理（700 ℃，750 ℃，800℃）和正火（850℃）工艺．对热处理后的试样，从每个试块的1／2厚度（心部）处线切割出冲击试样和拉伸试样各2件，在万能试验机上测定力学性能，即屈服强度（Rp0．2）、抗拉强度和断后伸长率．用摆锤式冲击试验机测定材料－40 ℃的冲击韧度．沿钢板厚度方向用线切割切取金相试样和扫描电镜试样．对试样进行研磨、抛光、腐蚀， 腐 蚀 剂 采 用4% 硝 酸 酒 精 溶 液， 用Olympus GX51倒置金相显微镜和JSM－6700F 冷场发射扫描电子显微镜（SEM）进行微观组织观察．使用HVS－50维氏硬度计对钢板厚度方向的硬度（HV10）进行测量，至少测量9个点的硬度并取其平均值．

2 试验结果及讨论

2．1 热处理对TMCP钢力学性能的影响

热处理前后试验钢的力学性能变化如图1 所示．由图1可见，原始钢板的屈服强度、抗拉强度分别为609 MPa和719 MPa，屈强比为0．85，伸长率为18%，－40℃的冲击吸收能量为223J．热处理后与TMCP 态相比较，力学性能变化较大．与TMCP钢力学性能相比，经650 ℃高温回火，强度稍有提高，冲击韧性稍有下降；经700 ℃热处理抗拉强度显著升高，达到778 MPa，具有较低屈强比（0．69），表现出优异的变形能力，虽然冲击吸收能量下降较大，但－40 ℃冲击功依然达到132J；与TMCP钢相比，750 ℃热处理后强度降低，冲击功大幅度提高至302J，伸长率提高至22%，塑韧性得到很大提高；800 ℃，850 ℃试验钢与750 ℃热处理相比，伸长率有所提高，其中800 ℃热处理的伸长率更是高达29．5%，但强度大幅下降，冲击吸收能量提高不多，性能改善并不明显，而且实际生产中高于800 ℃的热处理会增加更多成本．综合考虑，可以选择经650 ℃，700 ℃，750 ℃的热处理制度来改善管线钢性能．

轧态钢板的硬度为222HV10，650 ℃，700 ℃，750 ℃的硬度维持较高水平，其中700 ℃热处理后硬度最高，为258HV10．高于700 ℃热处理的钢板硬度逐渐降低，这与热处理钢的强度变化规律相匹配．TMCP 轧制的钢板厚度中心硬度略低于钢板表面硬度．热处理后钢板厚度方向硬度变化较小，表明热处理后钢板厚度方向的硬度均匀性提高．经700 ℃热处理的钢为典型的拱顶型应力应变曲线，呈连续屈服，且屈服后曲线上升较快，抗拉强度大幅提高，从而使钢的屈强比明显下降；而经650 ℃高温回火和750 ℃热处理的拉伸曲线有明显屈服点，经800 ℃，850 ℃热处理的钢拉伸曲线的试验结果也表现出了不连续屈服现象．

图1 力学性能随不同热处理温度的变化趋势Fig．1 Trend of mechanical properties with different heat treatment temperatures

2．2 热处理对TMCP钢微观组织的影响

图2 ，图3 分别为热处理前后试验钢的金相组织照片和高倍扫描电镜照片．可以看到热处理前后组织中没有明显板条马氏体的出现，大部分为散落分布的M／A 小岛．由于钢中含有较高的Ti，可以观察到组织中析出物多且密集．

图2（a）为TMCP 钢的典型组织形貌，基本形态为具有轧制特征的组织结构，TMCP 钢的金相组织以针状铁素体（AF）组织为主，在铁素体晶内和晶界都有M／A 岛呈不规则岛状较均匀地分布，其中白色为铁素体组织，灰黑色的块状或颗粒状组织为马氏体小岛及部分贝氏体，另外存在少量黑色珠光体组织．针状铁素体（AF）组织内部的大量位错缠结对钢具有很明显的强化作用［11］，轧制过程中形成的均匀弥散的析出相对钢的强化也起到了重要作用，TMCP 钢具有良好的强韧性组合．TMCP钢的冷却方式为层流冷却，部分合金元素和碳以固溶方式存在．TMCP 态试样铁素体在表层和中心层的含量差异会比热处理态的大，这是因为轧制过程板材表面的温度总是低于心部的温度，促使表面的铁素体更多地向奥氏体转变［12］，而热处理态所经历的温度场较均衡，所以造成热处理后钢板厚度硬度均匀性提高．

650 ℃回火温度略低于Ac1，相当于高温回火．如图2（b），经此热处理后M／A 岛分解并球化，贝氏体发生回复和部分再结晶，铁素体晶粒长大，大部分转变为多边形铁素体（PF），但仍保持不规则形状，以及存在少量珠光体组织．高温回火使TMCP层流冷却过程形成的过饱和固溶的合金元素和碳充分析出，如图3（b），可以明显观察到大量的析出物，析出物均匀细小、弥散分布起到析出强化作用，通过回火过程中的大量碳化物析出强化弥补马氏体分解造成的软化，造成屈服强度上升，屈强比升高，以上因素综合作用，使钢强度、硬度略有增加，冲击韧性略有降低．

图2 热处理前后钢板的光学显微组织Fig．2 Optic microstructure of steel before and after the heat treatment

从图2（c）～（e）中可以看出，经双相区／临界区（700～800 ℃）保温后空冷，仍得到细小的双相组织．这是由于针状铁素体组织加热时，奥氏体形核率较大，因而转变而成的奥氏体晶粒也较细小，进而，经冷却后由奥氏体转变而成的马氏体岛也会较细小．另外，试样加热及冷却过程中析出弥散细小的碳氮化物颗粒，在亚晶界或晶界起钉扎作用，使晶粒长大受阻［13］，也会使得到的组织较细小，这必将有利于钢的力学性能的提高．由图3可以看到，经临界区热处理后组织的析出物较650 ℃热处理明显减少．

根据杠杆定律，随着温度的降低，两相区中的铁素体所占百分比增加，而奥氏体降低［14］，700 ℃加热得到较多铁素体和较少奥氏体组织，空冷时一部分奥氏体形成外延铁素体［15－16］，奥氏体继续富碳，冷却到低温时转变成M／A 小岛，所以室温组织为铁素体及大量的M／A 岛的混合组织，组织均匀，钢的强度及硬度达到较高值，由于奥氏体和马氏体比容不同，马氏体相变的体积膨胀及切变形状变化对周围铁素体产生高应力的挤压作用，从而使奥氏体转变为马氏体使铁素体时诱发大量可移动位错，拉伸曲线呈连续屈服并具有较低的屈强比．另外，在加热保温时碳向奥氏体中扩散，空冷后被限定在马氏体之中，减小了双相钢中铁素体变形时碳原子对位错的钉扎作用，这也是使材料呈连续屈服并具有较低的屈强比的原因之一．

由图2 可以看出，750 ℃，800 ℃热处理晶粒大小不均，而且得到的铁素体比700 ℃少，贝氏体组织明显增多．贝氏体相邻板条的取向为小角度晶界，这种组织具有高密度位错，高密度位错产生亚结构强化，也可以观察到小M／A 岛的存在，但比700 ℃热处理的少．这是因为随温度升高（750 ℃，800 ℃），双相组织中铁素体减少、奥氏体增多，奥氏体的含碳量较低，空冷时得到贝氏体组织较多而M／A 岛较少，铁素体中产生的可动位错较少，拉伸曲线出现屈服平台，强度降低，伸长率、冲击功和屈强比升高．M／A 岛所占体积分数的降低以及贝氏体的出现是导致随临界区处理温度升高强度大幅下降的原因．

850 ℃空冷试样的加热温度接近Ac3，组织为正火组织，由多边形铁素体加少量马氏体／贝氏体／珠光体组成，铁素体晶粒明显变大，马氏体／贝氏体／珠光体组织呈不规则的块状或条带状分布于铁素体晶界，此种组织铁素体上的析出物粗化，强度及硬度较低．

图3 不同温度热处理试样析出物分布Fig．3 Distribution of the sample precipitates after heat treatment at different temperatures

3 结 论

1）TMCP钢具有较优良的力学性能．TMCP钢经650 ℃高温回火后强度有所提高，冲击韧性稍有下降；TMCP钢经700 ℃热处理抗拉强度显著升高，表现出连续屈服行为，具有优异的变形能力，－40 ℃冲击吸收能量依然高达132J；TMCP钢经750℃热处理强度有所降低，冲击功大幅度提高（302J），伸长率提高至22%，具有很好的塑韧性．经650～750℃热处理后，TMCP 钢力学性能得到改善．

2）TMCP态钢以针状铁素体（AF）组织为主，经650 ℃高温回火，M／A 岛分解并球化，贝氏体发生回复和部分再结晶，铁素体晶粒长大，大量析出物弥散分布；临界区热处理（700～800 ℃）的显微组织由铁素体和不规则的M／A 或贝氏体组

成，且随热处理温度升高，M／A 岛减少，贝氏体增多，强度和硬度大幅降低，韧性和伸长率升高，拉伸曲线由连续屈服变为不连续屈服；850 ℃空冷试样的组织为正火组织，由多边形铁素体加少量马氏体／贝氏体／珠光体组成，铁素体晶粒明显变大．

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