李合意，王清波，孫瑩杰，劉宏亮

（1河南濟源鋼鐵（集團）有限公司，河南 濟源459000；2本溪鋼鐵（集團）有限公司，遼寧 本溪117000）

1 前言

目前，國內X80管線鋼生產(chǎn)以高溫軋制（HTP）工藝為主，這種工藝的典型特點是鈮含量較高而不添加鉬元素，部分鋼廠根據(jù)自己實際情況采用了控軋控冷（TMCP）工藝，添加的強化元素種類和含量也各不相同，采取的TMCP工藝參數(shù)也各有差異。國內某鋼鐵公司采用TMCP生產(chǎn)工藝，研制開發(fā)X80管線鋼，但是并沒有明確的微合金化方案，本文主要研究鉬和鈮在管線鋼中的作用，確定鉬、鈮元素在X80管線鋼中的適宜含量，以達到降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質量的要求，為X80管線鋼的成分設計和性能優(yōu)化提供理論依據(jù)。

2 試樣制備

設計6種成分的X80管線鋼，化學成分以低CMn-Nb系列微合金化鋼為基礎，采用100 kg真空感應爐以純鐵為母料，配加各類合金等，實際化學成分如表1所示。采用750 kg空氣錘鍛造鋼錠終鍛尺寸：75 mm×75 mm×（100～150）mm；采用某鋼廠確定的控冷控軋工藝，軋制成厚度12 mm厚板，檢測力學性能和金相組織。

表1 X80管線鋼的化學成分（質量分數(shù)）%

拉伸試樣尺寸和實驗方法依據(jù)GB/T 228—2002《金屬材料室溫拉伸實驗方法》，采用R7標準試樣。拉伸實驗為單軸拉伸實驗，在CMT30噸微機控制電子萬能實驗機進行，實驗溫度為室溫25℃，得到各組鋼樣的力學性能指標。沖擊實驗方法和試樣尺寸依據(jù)國標GB/T 229—1994，實驗采用JBW-500沖擊試驗機，沖擊能量為500 J·cm-2。對各組試樣的微觀組織用金相顯微鏡觀察分析，確定微觀組織的構成，用掃描電鏡對沖擊斷口組織形態(tài)做進一步分析，確定各組試樣的微觀組織特征使用的掃描電鏡型號為SSX-550。

3 結果與討論

對不同鉬含量的管線鋼進行拉伸試驗，結果如圖1和圖2所示。

圖1 屈服強度和鉬含量的關系

圖2 抗拉強度和鉬含量的關系

3.1 鉬對管線鋼強度的影響

三組管線鋼的屈強比如表2所示。

表2 管線鋼的屈強比

由圖1和圖2實驗結果表明，在軋態(tài)和熱處理狀態(tài)下，無論是抗拉強度還是屈服強度，都在鉬含量為0.30%時達到最大值，分別為690 MPa和545 MPa，當鉬含量為0.19%和0.38%時，抗拉強度和屈服強度略有降低。由表2可知，軋態(tài)試樣屈強比隨著鉬含量增加而降低，三組管線鋼的屈強比都＜0.9，符合標準要求。在熱處理狀態(tài)下，屈強比隨著鉬含量的增加沒有規(guī)律性，當鉬含量為0.30%時，屈強比＞0.9，其他兩組都＜0.9，符合國標GB/T 9711—2011要求。

鉬使珠光體轉變曲線明顯右移，抑制先共析鐵素體的形成，但對貝氏體轉變的推遲較小，所以過冷奧氏體直接向貝氏體轉變，而在此之前沒有或者只有少量先共析鐵素體析出，這樣也就不再發(fā)生珠光體轉變［1］，鉬含量增加，抑制先共析鐵素體轉變的作用增強。添加鉬能夠抑制回復、阻止動態(tài)再結晶的發(fā)生［2］。研究表明，含Nb-Mo鋼較之含鈮鋼可以具有更高的強度，Nb-Mo鋼比Nb-V鋼屈服強度能提高約80 MPa［3］，是因為鉬能降低碳化物形成元素如鈮等的擴散能力，從而阻礙碳化物的形成，推遲碳化物的析出過程，從而產(chǎn)生細小的碳化物顆粒［4-5］。高強度低合金鋼中，屈服強度隨鉬加入量的增加而提高。

不同鉬含量的金相組織如圖3所示，當鉬含量為0.19%時，組織中除了具有高密度亞結構的貝氏體組織外，還有強度較低的先共析鐵素體。當鉬含量為0.30%時，由于鉬元素抑制了先共析鐵素體的產(chǎn)生，組織中沒有先共析鐵素體相，組織由貝氏體組成。所以鉬含量為0.30%的管線鋼比鉬含量為0.19%的管線鋼強度要高。當鉬含量為0.38%時，組織雖然也是有貝氏體組成，但是晶粒尺寸比較大，所以強度比鉬含量為0.30%的管線鋼要低。

圖3 X80管線鋼熱處理金相組織顯微照片

對比發(fā)現(xiàn)，3組試樣的組織都是由板條狀貝氏體組成。但是當鉬含量為0.30%時，貝氏體束比其他兩組的貝氏體束細小，并且整體組織均勻。而鉬含量為0.19%和0.38%時的組織貝氏體束比較粗大，晶粒尺寸也不均勻。所以，鉬含量為0.30%的管線鋼強度比其他兩組試樣強度高。

適當含量的鉬可以改善管線鋼的組織，有效增加管線鋼的強度。在本實驗條件下，從提高強度的角度考慮，管線鋼中適宜的鉬含量為0.30%左右。

3.2 鉬對管線鋼沖擊韌性的影響

在室溫（20℃）條件下，測試熱處理狀態(tài)下管線鋼的沖擊韌性，結果如圖4所示。管線鋼斷口掃描電鏡如圖5所示。

圖4 鉬含量對沖擊韌性的影響

由圖4可知，當鉬含量為0.19%和0.38%時，管線鋼的沖擊功均為218 J。當鉬含量為0.30%時，管線鋼的沖擊功為191 J。由圖5可知，在室溫20℃條件下，3組試樣沖擊斷口都是韌性斷口，都屬于延性斷裂，在韌窩底部均分布有大小不一的第二相粒子。2#試樣的韌窩比較粗大，并且韌窩深度較淺，所以韌性稍差。1#試樣和3#試樣的細小韌窩較多，且韌窩的深度較深，故韌性較好。

圖5 X80管線鋼沖擊斷口的掃描電鏡圖片

綜合強度和韌性結果，如果管線鋼使用狀態(tài)側重于強度，則鉬含量為0.30%比較合適，這時室溫夏比沖擊功為191 J。如果管線鋼的服役條件對沖擊韌性要求較嚴格，則鉬含量為0.19%比較適宜，這時夏比沖擊功達到了223 J，屈服強度為550 MPa左右，綜合性能良好。

3.3 鈮對管線鋼強度的影響

對不同鈮含量的管線鋼進行拉伸試驗，結果如圖6、圖7所示。3組X80管線鋼的屈服比分別為0.75、0.82、0.80。

圖6 屈服強度和鈮含量的關系

圖7 抗拉強度和鈮含量的關系

鈮的特點在于它對鋼的特殊影響，也就是對附帶碳、氮和氧的鐵基體的影響，鈮在管線鋼中的作用與其碳化物、氮化物和碳氮化物的溶解和析出行為有關，它通過高溫固溶于奧氏體中的微合金原子和高溫軋制過程中應變誘導析出Nb（CN）等沉淀質點來抑制奧氏體的回復和再結晶過程［6］。另外，微合金元素鈮還具有阻止奧氏體晶粒粗化的作用，在控軋工藝的再加熱階段，未溶微合金碳、氮化物，將通過質點釘扎晶界的機制而明顯阻止奧氏體晶粒的粗化過程。

實驗結果表明，隨著鈮含量增加，管線鋼的抗拉強度和屈服強度明顯增加，當鈮含量為0.087%時，抗拉強度和屈服強度達到了最大值，分別為710 MP和570 MP。實驗結果表明，鈮能夠顯著提高管線鋼的抗拉強度和屈服強度。屈強比隨著鈮含量的增加沒有規(guī)律性，三組管線鋼的屈強比都小于0.9，符合標準要求。

隨著鈮含量的增加，管線鋼的晶粒尺寸明顯變得細小、均勻。晶粒愈小，晶界就愈多，晶界阻力也愈大，為使材料變形所施加的切應力就要增加，從而使材料的屈服強度增加。晶粒尺寸對屈服強度的影響可有由Hall-Petch公式表示：

式中：wi表示元素i的質量分數(shù)，各項系數(shù)為元素的固溶強化系數(shù)，即每1%質量分數(shù)的i物質可以提高的屈服強度；D為等軸鐵素體晶粒平均截線長；R是單晶純鐵的屈服強度。

式中可以看出，鐵素體晶粒細化對提高屈服強度的效果是明顯的。Piekering給出了HSLA鋼抗拉強度的計算模型：

式中：［Mn］、［Si］為元素質量分數(shù)；fp為鐵素體體積百分數(shù)；D為鐵素體晶粒直徑。

從式中可以看出，晶粒細化也能提高抗拉強度，但和Hall-Petch公式相比，D-0.5的系數(shù)由1.5降為0.5，可得出晶粒細化對抗拉強度的影響要比對屈服強度的影響要小。從實驗結果來看，當鈮含量由0.018%增加到0.087%時，屈服強度由450 MPa增加到570 MPa，增加了26.7%，抗拉強度由600 MPa增加到710 MPa，增加了18.3%。

鈮還有強烈的沉淀強化和彌散強化作用，含鈮管線鋼的組織中含有大量的Nb（C、N），在軋制過程中或者軋后冷卻時沉淀析出，起到第二相沉淀強化作用。根據(jù)Orowan-Ashby的計算，第二相質點所產(chǎn)生的強度增加值為：

式中：ψ為第二相質點體積百分數(shù)，x為第二相質點的直徑。

從式中可以看出，質點引起的強化效果與質點的平均直徑成反比，與其體積分數(shù)的平方根成正比，質點越小，體積分數(shù)越大，第二相引起的強化效果就越好。所以鋼中鈮含量的增加也使彌散的第二相粒子增加，從而提高了強度。

3.4 鈮對管線鋼沖擊韌性的影響

在-20℃條件下，測試管線鋼的夏比沖擊功，結果見圖8。管線鋼斷口掃描電鏡見圖9。

圖8 鈮含量對沖擊韌性的影響

圖9 X80管線鋼沖擊斷口的掃描電鏡

在各種強化機制中，晶粒細化是唯一既能使鋼的強度提高又能降低韌脆轉變溫度的方法。由于晶粒的細化而使晶界數(shù)量增加，晶界可以把塑性變形限定在一定范圍內，使變形均勻化，提高了塑性。晶界還可以阻止裂紋擴展的阻力，因而可以改善韌性。晶粒越細，裂紋擴展臨界應力越大，韌性越高。Petch提出了沖擊韌脆轉變溫度與晶粒尺寸的關系：

式中：A為常數(shù)，℃；m為常數(shù)，℃/mm；D為鐵素體晶粒直徑，mm。

從式中可以看出，鐵素體直徑減小，可以使鋼的韌脆轉變溫度Tc降低，也就是說，在相同的溫度下，提高了管線鋼的沖擊功。在本次實驗中，當鈮含量由0.018%增加為0.037%、0.087%時，在-20℃下管線鋼的沖擊功由155 J增加為198 J、213 J。

圖9為斷口掃描電鏡，含鈮量為0.018%的4#試樣斷口以準解理形態(tài)為主，撕裂棱較多并且有少量的韌窩，說明其沖擊韌性較差。含鈮量為0.037%的2#試樣斷口以延性斷裂為主，斷面上有大量的延性韌窩，說明其韌性較1#要好。從實驗結果來看，4#試樣的夏比沖擊功為（-20℃）155 J，5#試樣夏比沖擊功（-20℃）為198 J。

隨著鈮含量的增加，管線鋼的屈服強度、抗拉強度以及沖擊韌性都顯著增加，當鈮含量為0.087%時，這三項性能指標分別為570 MPa、710 MPa、213 J（-20℃）。從軋態(tài)組織來看，組織由細密均勻的晶粒組成，組織狀態(tài)良好，綜合考慮，管線鋼中合適的鈮含量為0.087%左右。

4 結語

通過對不同鉬和鈮含量的X80管線鋼強度以及韌性的分析，明確了鉬和鈮對強度X80管線鋼強度以及韌性的影響，根據(jù)實驗結果，確定了鉬和鈮在鋼中合適的含量，為優(yōu)化生產(chǎn)工藝、降低成本提供了理論依據(jù)。