狄 嫣，王暢暢，賈書君，劉清友，彭巨擘

(1.昆明理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 昆明 650093；2.鋼鐵研究總院結(jié)構(gòu)鋼研究所, 北京 100081；

3.云南乾元光能產(chǎn)業(yè)有限公司,昆明 650000)

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軋制工藝對經(jīng)濟(jì)型X80管線鋼組織和顯微硬度的影響

狄 嫣1,2，王暢暢1,2，賈書君2，劉清友2，彭巨擘1,3

(1.昆明理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 昆明 650093；2.鋼鐵研究總院結(jié)構(gòu)鋼研究所, 北京 100081；

3.云南乾元光能產(chǎn)業(yè)有限公司,昆明 650000)

摘要：利用Gleeble-1500D型熱模擬試驗(yàn)機(jī)對傳統(tǒng)型X80管線鋼和經(jīng)濟(jì)型X80管線鋼進(jìn)行模擬軋制，研究了變形溫度、冷卻速率和終冷溫度等工藝參數(shù)對其組織和硬度的影響。結(jié)果表明：兩種試驗(yàn)鋼的組織均為針狀鐵素體、少量準(zhǔn)多邊形鐵素體和粒狀貝氏體，二者的顯微硬度相差不大；隨著變形溫度降低、冷卻速率增大和終冷溫度降低，經(jīng)濟(jì)型X80管線鋼的組織逐漸細(xì)化，M/A島由棒狀逐漸變成圓點(diǎn)狀，尺寸變小，顯微硬度的波動不大。

關(guān)鍵詞：X80管線鋼；控軋控冷；針狀鐵素體；顯微硬度

0引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對能源的需求日益增多。目前，石油和天燃?xì)馊匀皇侵饕哪茉?，因此，大直徑、高壓力、大輸送量已成為進(jìn)一步提高管道輸送效率的重要發(fā)展趨勢。在這種情況下，采用高強(qiáng)度等級的管線鋼將更加經(jīng)濟(jì)合理。此外，由于長距離管線途經(jīng)地區(qū)的地理?xiàng)l件十分復(fù)雜和惡劣，因此對管道用鋼可靠性的要求越來越高。目前，我國高鋼級X80管線鋼已大規(guī)模生產(chǎn)并被應(yīng)用于管道建設(shè)項(xiàng)目中，其在“西氣東輸”二線的用量就已達(dá)432.6萬t[1]。在未來的10～15 a內(nèi)，中國將需要約1 000萬t高性能管線鋼[2]。針對當(dāng)前我國能源緊缺和供需缺口較大的現(xiàn)狀，開發(fā)及研制經(jīng)濟(jì)型管線鋼可以帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益[3]。而只有選擇適宜的軋制工藝進(jìn)行精確的組織、成分控制，深入了解各微合金元素的作用及其對管線鋼性能的影響，才能制備出高質(zhì)量的管線鋼。

控軋控冷技術(shù)是20世紀(jì)60～70年代發(fā)展起來的熱機(jī)械處理或形變熱處理技術(shù)，代表了高強(qiáng)度低合金鋼的發(fā)展方向。控制冷卻工藝中的變形量、變形溫度、冷卻速率和終冷溫度對管線鋼最終的組織和性能具有直接影響。通過調(diào)整工藝參數(shù)可以獲得最佳的組織，進(jìn)而改善鋼的性能[4]。

管線鋼中的微合金元素主要為鈮、釩、鎳、銅等強(qiáng)氮化物形成元素，其作用是在控軋過程中阻止奧氏體晶粒長大以及在軋制時延遲γ相的再結(jié)晶。鈮具有顯著的細(xì)化晶粒的作用和中等的沉淀強(qiáng)化作用，在提高強(qiáng)度的同時還可以降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度。釩是鐵素體形成元素，有較高的沉淀強(qiáng)化作用和較弱的細(xì)化晶粒的作用，固溶時可提高淬透性，并可提高回火穩(wěn)定性。除此之外，鋼中加入少量的鎳和銅可顯著提高鋼的韌性和耐候性。在保證管道安全使用的前提下，只有大幅降低生產(chǎn)成本，才能獲得高附加值，這就需要通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整合金成分以及生產(chǎn)工藝等來尋求經(jīng)濟(jì)化生產(chǎn)。

前期，作者課題組通過成分控制(適當(dāng)提高碳含量來代替釩等微合金元素)開發(fā)出了低成本的經(jīng)濟(jì)型X80管線鋼。為進(jìn)一步研究其控軋控冷工藝，作者采用熱模擬試驗(yàn)機(jī)對其進(jìn)行了模擬軋制，研究了軋制工藝對其組織和顯微硬度的影響。

1試樣制備與試驗(yàn)方法

將某鋼廠用100 kg真空感應(yīng)爐冶煉的傳統(tǒng)型X80管線鋼鑄坯記為1#試驗(yàn)鋼，自主開發(fā)的經(jīng)濟(jì)型X80管線鋼鑄坯記為2#試驗(yàn)鋼，它們的化學(xué)成分如表1所示。將試驗(yàn)鋼加工成φ8 mm×12 mm的試樣，利用Gleeble-1500D型熱模擬試驗(yàn)機(jī)分別在不同的變形溫度(T1)、冷卻速率(v)和終冷溫度(T2)下進(jìn)行熱模擬試驗(yàn)，熱模擬工藝曲線如圖1所示。共采用三組熱處理工藝:①T1分別為860，840，820 ℃,v為15 ℃·s-1,T2為420 ℃;②T1為840 ℃,v分別為5，10，15，20 ℃·s-1,T2為420 ℃;③T1為840 ℃,v為15 ℃·s-1,T2分別為650，550，450，350 ℃。

將熱模擬試驗(yàn)后的試樣沿中央縱向剖開，打磨、拋光后用體積分?jǐn)?shù)為3%的硝酸酒精溶液腐蝕；然后采用S-4300型場發(fā)射掃描電鏡觀察試樣心部的顯微組織；采用FM-300型顯微硬度計(jì)測心部的顯微硬度，加載載荷為0.02 N，加載時間為10 s。

表1　試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1　Chemical composition of experimental steels (mass)　%

圖1　熱模擬工藝曲線Fig.1　Schematic illustration of thermal simulation test

2試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1　變形溫度的影響

由圖2和圖3可以看出，在不同變形溫度下，兩種試驗(yàn)鋼的顯微組織均主要為針狀鐵素體、準(zhǔn)多邊形鐵素體和少量粒狀貝氏體，并彌散分布著細(xì)小的粒狀和短棒狀M/A島，而且2#試驗(yàn)鋼的組織更加細(xì)小。研究表明，針狀鐵素體的晶粒尺寸較小，加之細(xì)小的M/A島彌散分布，不易誘發(fā)裂紋，并能阻礙裂紋擴(kuò)展，因而針狀鐵素體管線鋼具有優(yōu)良的強(qiáng)韌性。針狀鐵素體板條內(nèi)有高密度位錯，由相變形成的亞晶位錯具有很大的可動性，因而有利于強(qiáng)韌性的提高[5]。多邊形鐵素體的強(qiáng)度低、塑性好，可以提高與粒狀貝氏體之間的協(xié)調(diào)變形能力，進(jìn)而提高整個復(fù)相組織的韌性[6]。多邊形鐵素體+貝氏體組織對裂紋擴(kuò)展具有明顯的阻礙作用。

隨著變形溫度降低，組織中的針狀鐵素體尺寸略有減小，晶界也變得不規(guī)則，試驗(yàn)鋼的組織逐漸細(xì)化。這是因?yàn)椋?60，840，820 ℃處于奧氏體未再結(jié)晶溫度區(qū)，在該區(qū)對奧氏體進(jìn)行變形，會增加奧氏體內(nèi)部的空位濃度、位錯、變形帶等晶體缺陷，使非均勻形核點(diǎn)增多[7]，同時變形使奧氏體晶粒顯著拉長，在晶粒內(nèi)形成變形帶，相變時鐵素體不僅在晶界上形核，而且也在變形帶上形核，因此增加了形核的幾率，使組織比較細(xì)小。此外，隨著變形溫度逐漸降低，碳的擴(kuò)散能力越來越差，從而導(dǎo)致富碳區(qū)面積減小，從圖中也可以看出這兩種試驗(yàn)鋼中M/A島的尺寸都明顯減小，并由棒狀逐漸變?yōu)閳A點(diǎn)狀。

圖2　不同變形溫度下1#試驗(yàn)鋼的SEM形貌Fig.2　SEM morphology of tested steel 1# at different deformation temperatures

圖3　不同變形溫度下2#試驗(yàn)鋼的SEM形貌Fig.3　SEM morphology of tested steel 2# at different deformation temperatures

由表2可見，隨著變形溫度降低，試驗(yàn)鋼顯微硬度的變化不明顯，均在236～246 HV之間，并且兩種試驗(yàn)鋼的顯微硬度相差無幾。由此可以看出，雖然1#試驗(yàn)鋼中含有釩等微合金元素，可以提高其淬透性和強(qiáng)度，但2#試驗(yàn)鋼中較高的碳含量基本可以彌補(bǔ)因微合金元素缺失造成的不利影響。

表2　不同變形溫度下試驗(yàn)鋼的顯微硬度Tab.2　Microhardness of tested steels at differentdeformation temperatures　HV

綜上可以看出，1#試驗(yàn)鋼的顯微組織與2#試驗(yàn)鋼的相似，并且顯微硬度都在236～246 HV之間。

2.2　冷卻速率的影響

由圖4可見，2#試驗(yàn)鋼以不同冷速冷卻后，大部分M/A島分布在晶界上，顯微組織為針狀鐵素體、準(zhǔn)多邊形鐵素體和粒狀貝氏體。在冷速相對較低時，M/A島為不規(guī)則的多邊形，且尺寸較大；隨著冷速增大，M/A島趨近于條狀，且平均尺寸變小，組織逐漸變細(xì)。這是因?yàn)?，?dāng)冷速較低時，奧氏體中的碳有足夠的時間擴(kuò)散，碳的分布更均勻，易形成退化珠光體，只有少量的碳聚集在一起直接轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，或直接以殘余奧氏體的形式保留；當(dāng)冷速增大后，碳擴(kuò)散的時間縮短，得到的M/A島尺寸減小[8]。

圖4　不同冷速下2#試驗(yàn)鋼的SEM形貌Fig.4　SEM morphology of tested steel 2# at different cooling rates

由表3可見，隨著冷速增大，2#試驗(yàn)鋼的顯微硬度略有增大，M/A島的面積分?jǐn)?shù)整體呈下降的趨勢，并且在冷速為10 ℃·s-1時達(dá)到最低，為9.8%。硬度的變化主要是由微觀組織的變化導(dǎo)致的。隨著冷速增大，組織中低硬度的準(zhǔn)多邊形鐵素體減少，并且組織得到細(xì)化，故硬度隨之增大。另一方面，在一定范圍內(nèi)(5～10 ℃·s-1)增大冷速時，奧氏體過冷度增大，碳來不及進(jìn)行長程擴(kuò)散，于是在小區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生富集，這使得M/A島的尺寸變小，并均勻分布；當(dāng)進(jìn)一步提高冷速至10～20 ℃·s-1時，M/A島就會變成針狀或薄膜狀，因此其含量會有增大，但由于M/A島含量的整體趨勢為減少，從而導(dǎo)致硬度下降。這兩者的綜合作用使得試驗(yàn)鋼的顯微硬度無太大變化。

表3　不同冷速下2#試驗(yàn)鋼的顯微硬度和M/A島的面積分?jǐn)?shù)Tab.3　Microhardness of tested steel 2# and area fraction ofM/A isaland in 2# tested steel at different cooling rates

2.3　終冷溫度的影響

由圖5可見，2#試驗(yàn)鋼的組織主要為針狀鐵素體、準(zhǔn)多邊形鐵素體和少量粒狀貝氏體的混合組織；隨著終冷溫度降低，因碳不易發(fā)生擴(kuò)散，從而降低了相變溫度，故而組織明顯細(xì)化，準(zhǔn)多邊形鐵素體含量減少，針狀鐵素體、貝氏體含量增多?？梢?，終冷溫度的降低不僅細(xì)化了組織，對鐵素體的組織構(gòu)成也有很大影響。由表4可以看出，2#試驗(yàn)鋼的顯微硬度隨著終冷溫度的降低變化不大，在241～250 HV范圍內(nèi)。

表4　不同終冷溫度下2#試驗(yàn)鋼的顯微硬度Tab.4　Microhardness of tested steel 2# at differentfinal cooling rates

圖5　不同終冷溫度下2#試驗(yàn)鋼的SEM形貌Fig.5　SEM morphology of tested steel 2# at different final cooling temperatures

3結(jié)論

(1) 經(jīng)濟(jì)型X80管線鋼為典型的針狀鐵素體組織，同時含有少量準(zhǔn)多邊形鐵素體、粒狀貝氏體和M/A島，與傳統(tǒng)型X80管線鋼的組織相似；二者的顯微硬度也相差無幾。

(2) 隨著變形溫度降低、冷速增大和終冷溫度降低，經(jīng)濟(jì)型X80鋼的組織逐漸細(xì)化，M/A島由棒狀逐漸變成圓點(diǎn)狀，尺寸變小，顯微硬度的波動不大。

參考文獻(xiàn)：

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Effect of Rolling Technology on Microstructure and Microhardness

of Lowcost X80 Pipeline Steel

DI Yan1,2, WANG Chang-chang1,2, JIA Shu-jun2, LIU Qing-you2, PENG Ju-bo1,3

(1.College of Materials Science and Engineering , Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China；

2.Institute for Structural Steel of CISRI, Beijing 100081, China；

3.Yunnan Qianyuan Solar Industry Co., Ltd., Kunming 650000,China)

Abstract:Simulating rolling was carried out for traditional X80 pipeline steel and lowcost X80 pipeline steel using Gleeble-1500 thermal simulated test machine,the effects of deformation temperature, cooling rate and finish cooling temperature on microstructures and microhardness were studied. The results show that microstructures of the two tested steels were acicular ferrite, quasi-polygonal ferrite and granular bainite, and their microhardness had little difference. With the decrease of the deformation temperature and final cooling temperature, the increase of the cooling rate, the microstructure of lowcost X80 pipeline steel was refined and M/A island changed from rods to dots with smaller size gradually, and the microhardness of lowcost X80 pipeline steel had a little fluctuation.

Key words:X80 pipeline steel; controlled rolling and controlled cooling; acicular ferrite; microhardness

中圖分類號：TG142.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1000-3738(2015)12-0051-04