终冷温度对X90管线钢组织和性能的影响

侯 阳，张骁勇，李博文

（西安石油大学 材料科学与工程学院，西安710065)

终冷温度对X90管线钢组织和性能的影响

侯 阳，张骁勇，李博文

（西安石油大学 材料科学与工程学院，西安710065)

利用力学性能测试和材料显微分析等试验技术，研究了终冷温度对X90管线钢组织与性能的影响规律。研究表明，通过在线热处理工艺，X90管线钢可获得贝氏体+马氏体/奥氏体(B+M/A)双相组织。随着终冷温度的上升，试验钢的贝氏体含量降低，马氏体/奥氏体含量增加，导致材料屈服强度下降，塑性升高。当终冷温度为350℃时，试验钢的强韧性较高，组织以贝氏体为主。B+M/A双相组织使得试验钢的屈强比为0.90，均匀伸长率为19.5%，形变强化指数为0.11，满足大变形管线钢的使用要求。

X90管线钢；终冷温度；组织和性能

0 前 言

人类社会的高速发展使人们对石油天然气的需求日益增加，石油天然气的供不应求使管线用钢的需求量不断加大[1]。随着油、气田开发向偏远地区转移，对管线用钢也提出了更加苛刻的要求，要求管道能够承受来自冻土、洋流、滑坡、泥石流和地震等大位移环境带来的影响[2-5]。基于这类管线工程，必须采用“基于应变设计法”的抗大变形管线钢[6]。抗大变形管线钢是一种适应大位移服役环境、具有较高应变能力和延性断裂抗力的管道材料，可防止管道因大幅度变形而引起的屈曲、失稳和延性断裂等失效事故的发生。日本对抗大变形管线钢进行了大量的研究工作，典型组织包括两种：铁素体+贝氏体（F+B）和贝氏体+马氏体/奥氏体岛（B+M/A）双相组织[7]。

笔者以普通X90管线钢为研究对象，通过在线热处理工艺，使试验材料形成B+M/A双相组织，探讨在不同终冷温度下得到的B+M/A双相组织对管线钢性能的影响，为抗大变形管线钢组织控制和性能优化提供依据。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验材料为国内某钢厂提供的X90管线钢，板厚15.3mm。化学成分见表1，主要力学性能见表2。

表1X90管线钢的化学成分 %

表2 X90管线钢力学性能要求

1.2 获取双相组织的在线热处理（HOP）工艺

图1 HOP热处理工艺原理

HOP热处理工艺的原理如图1所示。试验材料首先在奥氏体化温度（TA）保温一段时间后，快速冷却到贝氏体转变开始温度（BS）和终止温度（Bf）之间的终冷温度（TQ），保温产生适量的贝氏体。随后升温到配分温度（Tp）并恒温一段时间确保奥氏体富碳过程完成。配分完成后水冷至室温。

HOP热处理工艺曲线如图2所示。试验材料经900℃完全奥氏体化后，快速冷却至BS～Bf间的不同终冷温度下保温，随后加热至470℃的配分保温，最后水冷至室温。热处理试样尺寸为110mm×15mm×3mm的矩形，均为横向试样，取于板厚中部。热处理设备采用盐浴炉。

图2 HOP热处理工艺曲线

1.3 残余奥氏体含量测定

为了便于精确测定试样中残余奥氏体含量，首先将其在20%高氯酸酒精溶液中进行电解抛光，抛光时间约3 min，以便去除试样表面的机械力影响区。残余奥氏体的定量测定采用爱斯特公司的AST1－X－350A型X射线应力标定仪，试验参数为：Cr靶，电压25 kV，电流5 mA，2θ扫描步距为0.10°。该仪器主要是应用奥氏体的（220）衍射线和马氏体的（211）衍射线进行步进扫描，精确测定对应的衍射角2θ和积分强度I[8]。残余奥氏体含量的计算采用了直接比较法[9]。

1.4 性能测试及组织分析

热处理后的试样加工成110mm×14mm×2.5mm的拉伸试样（标距尺寸为5mm×25mm），进行拉伸试验的测试。试验在MTS－880型万能试验机上进行，拉伸应变速率为0.002 s-1。硬度试验在HSV－20型硬度计上进行，加载砝码0.3 kg。

光学金相试样经机械抛光后用4%硝酸酒精溶液进行腐蚀，在RECHART MEF3A光学显微镜下观察。扫描电子显微分析在TESLA－BS－300型扫描电子显微镜上进行。

2 试验结果及分析

2.1 终冷温度与力学性能的关系

X90管线钢在不同终冷温度下的力学性能如图3所示。

从图3可以看出，随着终冷温度的升高，抗拉强度和屈服强度均呈现降低趋势。硬度也随终冷温度的升高而降低，与屈服强度的变化规律吻合。同时还可以看出，随着终冷温度的升高，均匀伸长率和断后伸长率呈现逐渐增大的趋势，但断后伸长率的增幅小于均匀伸长率的增幅。随着终冷温度的升高，试验钢的屈强比呈现单调下降的变化规律，其应变强化指数呈现单调上升的变化规律。

图3 X90管线钢在不同配分温度下的力学性能

2.2 终冷温度与组织结构关系

试验钢在不同终冷温度下进行在线热处理后的力学性能的变化规律，可以用在不同终冷温度下所获取的组织结构特征进行说明。试验钢在不同终冷温度下的显微组织如图4所示，TEM显微组织如图5所示，终冷温度为350℃时的M/A组元形态如图6所示。

通过扫描电子显微组织的观察可以看出，经不同的终冷温度热处理后，试验钢可以获得B+M/A的两相组织。在较低的终冷温度下，显微组织主要为贝氏体，同时在贝氏体板条间还存在着少量的M/A组元。通过透射电镜观察表明，由于转变温度较低，基体组织中贝氏体的板条和板条束细密，板条束呈多位向分布，板条内具有较高的位错密度；此时的M/A多以薄膜或粒状的形态存在于板条间和板条束间。由于高密度位错组态的存在和细小的有效晶粒尺寸，使得试验钢的强度和韧性较高。

进一步观察发现，试验钢经过在线热处理处理后，出现碳化物析出现象。在管线钢的化学成分中，Si含量较低，不足以抑制碳化物的析出，同时，管线钢是一种控轧控冷微合金化钢，由于Nb，V和Ti等合金为强碳化物形成元素，在较高的配分温度下可析出合金碳化物。这种细小弥散分布的碳化物增强了位错的钉扎，可产生沉淀强化作用[10-11]。

图4 X90管线钢在不同终冷温度下的显微组织

图5 X90管线钢在不同终冷温度下的TEM显微组织

图6 终冷温度为350℃时的M/A组元形态

随着终冷温度的升高，试验钢的显微组织以贝氏体为主，但贝氏体含量减少，M/A组元的含量增加，M/A组元的形态也有所变化。随着终冷温度的升高，贝氏体的板条宽度增加，呈多位向排布，且板条长度减小，位错密度降低。同时，由于所形成的贝氏体含量减少，在配分过程中贝氏体的碳向未转变奥氏体的扩散量较小，使得未转变奥氏体的稳定性降低。在随后的冷却过程中，部分奥氏体转变为马氏体而形成M/A组元，并多以块状的形态存在于晶界之间和板条束之间。随着终冷温度的升高，贝氏体含量减少，残余奥氏体含量增加，导致材料屈服强度降低，均匀伸长率等塑性指标增加。

2.3 终冷温度与残余奥氏体体积分数的关系

计算出的试验钢中残余奥氏体的体积分数与终冷温度的关系曲线如图7所示。

图7 终冷温度与残余奥氏体体积分数之间的关系

可以看出随着终冷温度的升高，残余奥氏体体积分数增加。在不同终冷温度下，试验钢中的残余奥氏体体积分数均较低，这是由于试验钢中碳质量分数较低(w(C)=0.06%)，同时含有Nb，V和Ti等强烈碳化物形成元素，因而在配分温度下，残余奥氏体中难以集聚较多的碳，使得残余奥氏体稳定性降低，从而导致残余奥氏体的相对体积分数较低。

2.4 双相钢和普通钢的性能比较

为评价在线热处理工艺的效果，将经在线热处理工艺所获得的（B+M/A）X90管线钢（终冷温度为350℃）与相同化学成分的普通X90管线钢进行了力学性能的对比（见表3）。

表3 (B+M/A)X90与普通X90管线钢力学性能对比

与普通X90管线钢相比，（B+M/A）X90钢的强度虽然略有降低，但仍满足X90管线钢的强度要求。值得注意的是，经在线热处理后所获得的（B+M/A）双相管线钢的屈强比、均匀伸长率和形变强化指数等抗大变形基本性能指标均明显改善。与普通X90钢比较，（B+M/A）X90管线钢的断后伸长率和形变强化指数分别增加了39%和37%。表明 （B+M/A）X90钢的综合力学性能优于普通X90管线钢，满足了抗大变形管线钢的使用要求。

（B+M/A）X90管线钢与普通X90管线钢在性能上的差别是由组织结构的差异引起的。图8是（B+M/A）X90管线钢与普通X90管线钢的光学金相组织。由图8可以看出，普通X90管线钢是一种全贝氏体钢，其组织主要为粒状贝氏体。虽然细小的粒状贝氏体使得材料强韧性达到使用要求，但由于其组织结构单一，使得屈强比、均匀伸长率和形变强化指数等性能指标不能满足大变形管线钢的基本要求，在使用中出现风险的可能性大大增加；而经过在线配分热处理工艺得到的（B+M/A）X90管线钢的组织由贝氏体和M/A组元组成。此时，由于M/A组元细小弥散分布在贝氏体板条间，其中的残余奥氏体易于滑移，并在外力作用下可产生相变诱发塑性，使得材料在具有与全贝氏体钢相同强韧性能的同时，其均匀变形能力和形变强化能力有了很大提高。因而具备了抗大变形能力，从而可以抵抗地震、滑坡等地质灾害对管道所造成的损害，满足抗大变形管线钢的使用要求。

图8 普通X90和(B+M/A)X90管线钢显微组织

3 结 论

（1）通过在线热处理试验方法，可使试验X90钢获得（B+M/A）双相组织。

（2）随着终冷温度的升高，试验钢的强度、硬度和屈强比呈现下降的趋势；其断后伸长率、均匀伸长率和形变强化指数呈现上升的趋势。

（3）随着终冷温度的升高，试验钢的显微组织中贝氏体含量降低，残余奥氏体含量增加，其屈服强度降低，均匀伸长率等塑性指标增加。

（4）终冷温度为350℃时，试验钢可获得较高的强韧性组合，综合性能最优，满足抗大变形管线钢的使用要求。

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Influence of Quenching Temperature on Microstructure and Properties of X90 Pipeline Steel

HOU Yang,ZHANG Xiaoyong,LI Bowen
(School of Materials Science and Engineering,Xi’an Shiyou University,Xi’an 710065,China)

The influence rule of the quenching temperature on X90 pipeline steel microstructure and properties was studied through mechanical property test and material microscopic analysis technology etc.The results indicated that(B+M/A)dual-phases microstructure can be obtained through online heat treatment process.With the increasing of quenching temperature,the content of bainite decreases and content of martensite/austenite increases,which lead to the decrease of yield strength and increases of plasticity.When the quenching temperature is 350℃,the strength and toughness of experimental steel are higher,and the microstructure mainly consists of bainite.This(B+M/A)dual-phase structure makes the yield ratio 0.90,uniform elongation 19.5%and strain hardending index 0.11 for the experimental steel,all these meet the technical requirements for large deformation pipeline steel.

X90 pipeline steel;quenching temperature;microstructure and properties

TG142.1

A

1001－3938（2015）04-0015-06

侯阳（1989—），男，陕西咸阳人，硕士，主要从事金属材料热处理及其组织性能研究工作。

2015－01－05

李红丽