陳 燕，張哲平，張傳友，劉江成，張國(guó)柱，趙興亮，趙蘇娟

（天津鋼管制造有限公司，天津 300301）

鋼的微合金化處理是通過(guò)在鋼中加入V、Nb、Ti 等微合金化元素形成細(xì)小的碳氮化物顆粒，在鋼材軋制和熱處理過(guò)程中發(fā)揮細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化作用，從而改善鋼的性能。Nb 在鋼中以固溶態(tài)或Nb（C，N）析出相的形式存在，其不同的存在形式對(duì)微合金鋼顯微組織及力學(xué)性能的影響方式也不相同。其中Nb（C，N）析出相的沉淀強(qiáng)化作用明顯高于V、Ti 等其他微合金化元素；同時(shí)Nb（C，N）析出相在高溫均熱時(shí)能阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大，細(xì)化軋制后的奧氏體和鐵素體晶粒，起到細(xì)化晶粒的作用。試驗(yàn)研究結(jié)果表明，奧氏體溫度區(qū)間Nb（C，N）的析出有利于針狀鐵素體的形核析出，從而改善管線鋼的力學(xué)性能［1-2］。

針狀鐵素體型組織中具有較小的等效晶粒尺寸和細(xì)小彌散析出相及高密度位錯(cuò)，因此具備優(yōu)良的力學(xué)性能、焊接性能和良好的抗腐蝕性能，并且應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有連續(xù)屈服現(xiàn)象，這些特點(diǎn)明顯區(qū)別于傳統(tǒng)的鐵素體-珠光體管線鋼，使得針狀鐵素體成為管線鋼的研究熱點(diǎn)［3］。目前X60 至X80 鋼級(jí)管線鋼廣泛采用針狀鐵素體組織，并且在未來(lái)的一段時(shí)間內(nèi)，管線鋼組織設(shè)計(jì)仍將以針狀鐵素體為主［4-5］。

考慮到針狀鐵素體組織對(duì)管線鋼性能的改善作用，針對(duì)Nb 在高溫保溫過(guò)程中的析出行為，分析研究了含Nb 鋼針狀鐵素體相變動(dòng)力學(xué)的特點(diǎn)，為改善管線鋼力學(xué)性能提供新的工藝措施。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)鋼種采用X65 鋼級(jí)管線鋼，主要合金元素含量見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)鋼種合金元素含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

試驗(yàn)方案如下：將試驗(yàn)鋼種加熱至1 050 ℃并保溫300 s 進(jìn)行奧氏體化，隨即以10 ℃/s 冷卻速度冷卻至850 ℃并分別保溫0，300，600，1 200 s，然后將試樣以13 ℃/s 的冷卻速度冷卻至室溫。

根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)，繪制850 ℃不同保溫時(shí)間條件下試樣的線膨脹曲線；使用金相顯微鏡蔡司智能材料顯微鏡Axio Imager A1m 觀察試樣顯微組織；使用透射電子顯微鏡對(duì)Nb 元素析出相的微觀形貌進(jìn)行了觀察分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 850 ℃不同保溫時(shí)間條件下的室溫組織

1 050 ℃奧氏體化后，試樣在850 ℃保溫不同時(shí)間并冷卻至室溫的顯微組織如圖1 所示。

可以看出，保溫0 s 時(shí)顯微組織為帶有原奧氏體晶界的板條狀貝氏體鐵素體，圖1（a）所示的方框?yàn)樵瓓W氏體晶界；保溫時(shí)間為300 s 時(shí)板條狀的貝氏體鐵素體基體中開(kāi)始出現(xiàn)無(wú)方向性雜亂分布的非等軸組織，即針狀鐵素體；保溫時(shí)間增加至600 s 時(shí)，試驗(yàn)鋼種顯微組織為貝氏體鐵素體和針狀鐵素體混合組織，其中針狀鐵素體體積分?jǐn)?shù)約50%；保溫時(shí)間延長(zhǎng)至1 200 s 時(shí)，試樣顯微組織以針狀鐵素體為主，還可以觀察到M-A 島（圖1d 箭頭所示），這是針狀鐵素體里面的典型組織。

圖1 1 050 ℃奧氏體化后試樣在850 ℃保溫不同時(shí)間的顯微組織

2.2 熱膨脹曲線及鐵素體相變動(dòng)力學(xué)

奧氏體-鐵素體轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)是各相體積分?jǐn)?shù)的變化引起膨脹量的改變，相變動(dòng)力學(xué)取決于各相體積分?jǐn)?shù)的變化，連續(xù)冷卻過(guò)程中奧氏體相變可以采用測(cè)量熱膨脹的方法，并根據(jù)杠桿定律計(jì)算鐵素體體積分?jǐn)?shù)。

使用金屬膨脹儀測(cè)量試樣在850 ℃保溫不同時(shí)間條件下的伸長(zhǎng)量-溫度曲線，如圖2 所示。用切線法確定了各保溫時(shí)間下對(duì)應(yīng)的相變開(kāi)始溫度Ar3及終止溫度Ar1值，結(jié)果見(jiàn)表2。

圖2 試樣冷卻過(guò)程線膨脹曲線

表2 試樣850 ℃保溫不同時(shí)間條件下相變臨界溫度

可以看出，隨著奧氏體區(qū)保溫時(shí)間延長(zhǎng)，試樣冷卻過(guò)程中相變開(kāi)始和終止溫度均逐漸提高，說(shuō)明隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，鐵素體開(kāi)始形核越快，且相變驅(qū)動(dòng)力不斷增加，新相長(zhǎng)大速度越快，相變完成時(shí)間越短。推測(cè)相變?cè)杏诳s短的原因是在保溫過(guò)程中鋼中產(chǎn)生了析出相，為鐵素體的形核提供了有利位置。但該結(jié)論需要進(jìn)一步分析驗(yàn)證。

根據(jù)冷卻曲線數(shù)據(jù)及杠桿定律，使用MATLAB軟件計(jì)算不同保溫時(shí)間條件下室溫組織中針狀鐵素體體積分?jǐn)?shù)，計(jì)算結(jié)果如圖3 所示?？梢钥闯?，隨著保溫時(shí)間延長(zhǎng)，曲線逐漸右移，相變開(kāi)始和終止溫度均提高，說(shuō)明想要獲得同樣鐵素體體積分?jǐn)?shù)的顯微組織，通過(guò)延長(zhǎng)奧氏體區(qū)內(nèi)保溫時(shí)間，即可使相轉(zhuǎn)變?cè)谳^高溫度下發(fā)生。

圖3 850 ℃保溫不同時(shí)間鐵素體轉(zhuǎn)變量-溫度曲線

相變動(dòng)力學(xué)表述的是相變進(jìn)行程度與相變溫度和相變時(shí)間的關(guān)系，因而主要取決于新相的形核率及長(zhǎng)大速度［6］。Johnson 和Mehl 最早提出了恒溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式［7］，他們假設(shè)形核率和長(zhǎng)大速度均為恒定，但實(shí)際相變過(guò)程中新相形核率和晶核長(zhǎng)大速率都與時(shí)間有關(guān)，因此Johnson-Mehl 方程的精度受到一定影響。根據(jù)實(shí)際觀測(cè)到的大量相變動(dòng)力學(xué)結(jié)果，Avrami 提出了相變動(dòng)力學(xué)方程，為［8］：

式中 t —— 相變時(shí)間，s；

X —— 相變時(shí)間為t 時(shí)對(duì)應(yīng)的鐵素體體積分?jǐn)?shù)；

k，n —— 材料參數(shù)。

Avrami 方程是相變動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)方程，但僅適用于恒溫條件下的相變過(guò)程，而絕大多數(shù)相變過(guò)程都是在連續(xù)冷卻的動(dòng)態(tài)條件下完成的；因此，研究非等溫相變過(guò)程的動(dòng)力學(xué)方程更有實(shí)際意義。

非等溫相變的理論和方法大部分是在等溫相變動(dòng)力學(xué)Avrami 方程的基礎(chǔ)上演化而來(lái)的，其中常用的有Ozawa 方程、Jeziorny 方程、Ziabicki 方程、莫志深方程等［9］。這些方程分別適用于不同的相變條件，但各自都有其局限性。由于幾組試驗(yàn)鋼種在850 ℃分別保溫不同時(shí)間后均以13 ℃/s 冷卻速度冷至室溫，因此選用Jeziorny 方程對(duì)連續(xù)冷卻過(guò)程中鐵素體相變動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行分析。

Jeziorny 方程是以Avrami 等溫方程為基礎(chǔ)，考慮到冷卻速度β的影響，對(duì)Avrami 等溫方程中的參數(shù)k 進(jìn)行修正［10］，即以接近非等溫效果。

Jeziorny 方程把連續(xù)冷卻相變曲線先處理成等溫相變過(guò)程，通過(guò)修正冷卻速度參數(shù)k 得到非等溫結(jié)果。該方程處理方法簡(jiǎn)單，只從一條冷卻曲線即可獲取參數(shù)n 和k 的值，只需要根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行擬合即可確定鐵素體連續(xù)冷卻相變的動(dòng)力學(xué)方程。

對(duì)公式（1）兩邊分別取自然對(duì)數(shù)：

根據(jù)公式（2）建立了ln［-ln（1-X）］-ln t 曲線，如圖4 所示，對(duì)曲線進(jìn)行線性擬合后直線斜率即為n；擬合后直線截距為ln k，根據(jù)Jeziorny 方程冷卻速度修正ln，得到連續(xù)冷卻條件下動(dòng)力學(xué)參數(shù)kc。

圖4 相變過(guò)程ln［-ln（1-X）］-ln t 曲線

850 ℃不同保溫時(shí)間后冷卻過(guò)程中針狀鐵素體相變動(dòng)力學(xué)Jeziorny 方程參數(shù)擬合結(jié)果見(jiàn)表3。

將參數(shù)擬合結(jié)果帶入公式（1）即可得含Nb 管線鋼850 ℃保溫不同時(shí)間后針狀鐵素體析出動(dòng)力學(xué)方程，為：

保溫0 s，X=1-exp（-0.117 8t9.5744）

保溫300 s，X=1-exp（-0.241 5t6.2705）

保溫600 s，X=1-exp（-0.293 8t5.3570）

保溫1 200 s，X=1-exp（-0.329 9t4.8010）

表3 試樣850 ℃保溫不同時(shí)間條件下相變動(dòng)力學(xué)參數(shù)擬合結(jié)果

850 ℃保溫不同時(shí)間針狀鐵素體相變的Avrami動(dòng)力學(xué)曲線如圖5 所示。可以看出，隨著保溫時(shí)間的增加，相變開(kāi)始時(shí)間逐漸縮短，即針狀鐵素體形核析出的驅(qū)動(dòng)力增大，形核孕育期縮短，使得動(dòng)力學(xué)曲線向左移動(dòng)。與此同時(shí)，隨著保溫時(shí)間的增加，曲線變得更陡，相變完成越快，初步分析原因是850 ℃保溫過(guò)程中發(fā)生了微合金顆粒的析出，以致于影響了針狀鐵素體的形核即相變動(dòng)力學(xué)。

圖5 850 ℃保溫不同時(shí)間鐵素體轉(zhuǎn)變量-時(shí)間曲線

2.3 Nb（C，N）析出對(duì)針狀鐵素體相變的影響

文獻(xiàn)［11-13］指出，影響貝氏體鐵素體/針狀鐵素體析出動(dòng)力學(xué)的主要因素有：原始奧氏體晶粒大小，較大的晶粒尺寸會(huì)導(dǎo)致Ar3降低，不利于針狀鐵素體的相變析出；最終冷卻速度，較快的冷卻速度有利于針狀鐵素體的析出。而在本研究中，各組試樣的奧氏體晶粒和冷卻速度均保持不變，試驗(yàn)條件中唯一的變量是850 ℃保溫時(shí)間，考慮到試驗(yàn)鋼種為Nb 微合金化管線鋼，推測(cè)在保溫時(shí)間內(nèi)發(fā)生了微合金元素化合物的析出，從而對(duì)針狀鐵素體相變析出臨界溫度即動(dòng)力學(xué)參數(shù)產(chǎn)生影響。

為了觀察鋼中的微合金析出相，使用透射電鏡對(duì)各組試樣進(jìn)行了高分辨率分析能量色散X 射線光譜儀（EDX）能譜檢測(cè)，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 試樣在850 ℃保溫不同時(shí)間后Nb（C，N）析出相形貌及EDX 能譜分析結(jié)果

圖6（a）~（d）分別為850 ℃保溫0~1 200 s 時(shí)的析出相形貌，可以看出隨著保溫時(shí)間增加，析出相含量逐漸增加，且析出相顆粒直徑均處于10~20 nm。對(duì)圖6（d）中箭頭所指析出相進(jìn)行能譜分析，結(jié)果證實(shí)該析出相為Nb（C，N）。

文獻(xiàn)［14-15］報(bào)道，Nb（C，N）的析出對(duì)過(guò)冷奧氏體相變過(guò)程及相變臨界溫度有重要影響。一方面固溶Nb 原子可以與C 原子相互作用從而降低C 原子的活性；固溶Nb 原子還可以對(duì)晶界起到拖拽作用，阻礙鐵素體晶粒的生長(zhǎng)。另一方面，Nb（C，N）的析出可以為鐵素體提供大量形核位置，據(jù)報(bào)道，針狀鐵素體在奧氏體晶粒內(nèi)部的位錯(cuò)、缺陷及貧碳區(qū)處形核生長(zhǎng)，Nb（C，N）的析出必然導(dǎo)致周圍貧碳區(qū)的產(chǎn)生，因而有利于針狀鐵素體的形核生長(zhǎng)。因此，隨著850 ℃保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，Nb（C，N）析出量增大，溶解量減少，管線鋼室溫組織中鐵素體體積分?jǐn)?shù)增大，貝氏體鐵素體含量逐漸減少，保溫時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)室溫組織以針狀鐵素體為主。

3 結(jié) 語(yǔ)

（1） 隨著含Nb 管線鋼奧氏體化后850 ℃保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，管線鋼室溫組織由貝氏體鐵素體/針狀鐵素體混合組織轉(zhuǎn)變?yōu)橐葬槧铊F素體為主；

（2） 含Nb 管線鋼850 ℃保溫后冷卻試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，Nb（C，N）析出量增多，微合金化合物的析出能為針狀鐵素體的相變提供大量形核位置，有利于針狀鐵素體的形成，為控制鐵素體/貝氏體雙相管線鋼室溫組織相比例提供了新的工藝措施；

（3） 850 ℃保溫不同時(shí)間條件下針狀鐵素體相變Jeziorny 動(dòng)力學(xué)方程擬合結(jié)果顯示，隨著Nb（C，N）析出量的增多，曲線向左移動(dòng)，相變開(kāi)始時(shí)間逐漸縮短，同時(shí)曲線變得更陡，相變完成時(shí)間縮短，證實(shí)Nb（C，N）等溫析出，有利于針狀鐵素體的相變析出。