李龍飛，林騰昌*，孟華棟，張 陽

（1.鋼鐵研究總院有限公司冶金工藝研究所,北京 100081；2.中冶京誠工程技術(shù)有限公司煉鋼技術(shù)工程所,北京 100176）

0 引言

為滿足經(jīng)濟、社會發(fā)展對天然氣的需求，高壓、大管徑管道輸送已經(jīng)成為當前油氣長輸管道發(fā)展的主要發(fā)展方向，目前，X80 管線鋼在天然氣長輸管道中的使用逐漸規(guī)?；?，大量應(yīng)用于我國西氣東輸二線等重要輸送線路[1-3]。

前期的研究已證實，X80 級管線鋼中添加釩可增加鋼中有效氫陷阱的數(shù)量，改善材料的抗氫腐蝕性能[4-5]。另外，微合金元素釩在低合金鋼中可以與碳、氮等間隙原子結(jié)合形成納米級析出相，在鋼中通過釘扎晶界來控制晶粒尺寸，并發(fā)揮沉淀強化作用提高材料強塑性。國內(nèi)外學者已經(jīng)開展了大量關(guān)于釩對鋼的力學性能的影響研究。李永亮等人[6]的研究表明，固溶態(tài)的釩可促進粒狀貝氏體相變，細化顯微組織，提高鋼的抗拉強度。李梅等人[7]研究發(fā)現(xiàn)，與釩含量0.05%相比，釩含量0.20%的Q690 鋼的沖擊吸收功提高了23.27%，抗拉強度和屈服強度分別增加了42 MPa 和25 MPa。卿家勝等人[8]研究發(fā)現(xiàn)，釩氮微合金化是提升高強耐候鋼YQ450NQR1強化屈服強度的重要途徑，釩氮積超過0.001 44 可保證該材料的屈服強度達到465 MPa 以上。劉慶春等人[9]認為，含釩高強度耐候鋼V/N 值控制應(yīng)該高于V 與N 理想化學配位數(shù)3.64，這時鋼的時效等綜合性能更佳。Kim 等人[10]研究發(fā)現(xiàn)，在冷速高于10 ℃/s 時，釩含量為0.042%和0.086%低碳含硼鋼硬度明顯高于釩含量為0.18 %的鋼，且冷速越大硬度差別越大，這是由于釩含量過高會引起含釩析出相的粗化。但是，針對釩含量對X80 級管線鋼力學性能影響方面的研究卻鮮有報道。

筆者以四種不同釩含量的X80 級管線鋼為研究對象，利用高分辨透射電鏡和掃描電鏡統(tǒng)計析出相的尺寸、數(shù)量、分布特征，并觀察顯微組織結(jié)構(gòu)，研究了不同釩含量對鋼的抗拉強度、屈強比等力學性能的影響規(guī)律。

1 試驗材料與方法

試驗用X80 級管線鋼在ZG-0.01 型真空感應(yīng)熔煉爐中進行冶煉，得到四爐不同釩含量的1#、2#、3#和4#試驗鋼，化學成分如表1 所示。冶煉得到的試驗鋼在相同的控軋控冷制度下進行加工，包括兩道次控制軋制及連續(xù)冷卻。第一道軋制在1 130 ℃，變形量為55%（板厚由45 mm 至20 mm），第二道軋制在880 ℃，變形量為40%（板厚由20 mm 至12 mm），軋后水冷至550 ℃再空冷至室溫，再經(jīng)650 ℃回火處理30 min。工藝路線如圖1 所示。

圖1 試驗鋼熱加工工藝示意Fig.1 Schematic diagram of hot working process of experimental steels

表1 試驗鋼化學成分Table 1 Chemical compositions of experimental steels %

在不同釩含量試驗鋼樣品中制取碳復(fù)型樣品，并通過帶有EDS 能譜分析功能的高分辨透射電鏡（High resolution transmission electron microscopy,HRTEM）對鋼中納米級析出相進行觀察分析，使用Image J 圖像分析軟件統(tǒng)計相同面積上各試驗鋼中析出相的數(shù)量及尺寸分布。分別在試驗鋼厚度的1/4 處取金相樣，經(jīng)磨拋及4%硝酸酒精溶液侵蝕后，在冷場發(fā)射掃描電鏡（FESEM，JSM-6701F）下觀察顯微組織。使用電子背散射衍射技術(shù)（Electron backscatter diffraction,EBSD）分析四種試驗鋼的晶粒取向及晶界類型。

在軋制后的試驗鋼板的厚度中心位置沿軋制方向取拉伸樣品，根據(jù)GB/T 228.1-2010 加工出原始標距為25 mm，截面為?5 mm 的圓棒拉伸試樣。拉伸性能的測試在室溫條件下利用CMT4105 型拉伸試驗機進行，拉伸速率為2 mm/min。四種試驗鋼各進行2 次拉伸試驗，分別獲取其抗拉強度、屈服強度和伸長率，并用游標卡尺測量斷口直徑與原截面直徑，進而計算出斷面收縮率值。通過JSM-6480LV 掃描電鏡觀察拉伸斷口的宏觀和微觀形貌，并利用EDS 能譜分析斷口處夾雜物成分類型。

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗鋼中析出相特征分析

利用HRTEM 對四種試驗鋼的碳復(fù)型樣品進行顯微觀察，在同樣放大倍數(shù)下隨機拍攝照片，并對析出相數(shù)量、尺寸進行統(tǒng)計分析。圖2 為四種試驗鋼在40 000 倍下觀察到的析出相形貌及分布，可見析出相尺寸均較為細小，多在晶內(nèi)均勻彌散分布。對相同面積內(nèi)的析出相進行統(tǒng)計，結(jié)合McCall-Boyd法計算公式(1)[11]，得到四種試驗鋼中統(tǒng)計面積上析出相的數(shù)量N以及體積分數(shù)Vf（‰），如表2 所示。

圖2 四種試驗鋼碳復(fù)型樣品中析出物形貌Fig.2 Morphology of precipitates in carbon replica samples of four experimental steels

表2 試驗鋼中析出相分析Table 2 Analysis of precipitates in experimental steels

式中，N為統(tǒng)計面積上析出相數(shù)量，個；Dmean為析出相平均直徑，mm；A為統(tǒng)計面積大小，μm2。

鋼中納米級析出相的數(shù)量分布及平均直徑如圖3 所示。結(jié)果表明，隨著鋼中釩含量的升高，納米級析出相在單位面積上的數(shù)量以及體積分數(shù)均呈上升趨勢。特別是在釩含量由0.110%的3#鋼升高到0.150%的4#鋼，數(shù)值變化非常明顯，析出相體積分數(shù)由3.12 ‰升高到9.95 ‰，原因是鋼中釩含量升高可以提高其在鋼中的活度以及碳化釩的生成吉布斯自由能，促進析出。

圖3 四種試驗鋼中納米級析出相尺寸數(shù)量分布及平均直徑Fig.3 Size distribution and average diameter of nano precipitates in four experimental steels

由圖3 中析出相尺寸分布結(jié)果可以看出，不同釩含量的四種試驗鋼中析出相尺寸主要集中在0～20 nm。隨著鋼中釩含量的升高，尺寸小于10 nm 的析出相數(shù)量逐漸增多，雖然4#鋼中小于10 nm 析出相比例有所降低，但是由于總體基數(shù)大，其數(shù)量仍多于另外三種試驗鋼。另一方面，鋼中納米級析出相的平均直徑也發(fā)生了微小變化，隨著釩含量的增加，平均直徑先降低后升高，3#鋼中顆粒的平均尺寸最小。這表明4#鋼除了具有最大的析出相體積分數(shù)，其高的釩含量也會促進碳化釩顆粒的長大。對4#鋼中典型的橢球形及近球形納米級析出相進行TEM 分析，結(jié)果如圖4 所示。對高分辨透射電鏡下的析出相進行傅里葉變換和逆傅里葉變換，得到高分辨襯度條紋，對相的晶格間距進行測量，并與標準數(shù)據(jù)庫中相的參數(shù)對比，得到圖4(a)和圖4(b)中的析出相均為V8C7的碳化釩相，尺寸分別為10.06 nm 和16.94 nm。

圖4 4#鋼中典型析出相的HRTEM 像Fig.4 HRTEM images of typical precipitates in 4# steel

2.2 試驗鋼顯微組織結(jié)構(gòu)分析

圖5 為四種不同釩含量X80 管線鋼的顯微組織照片。從圖5 可以看出，四種鋼的顯微組織均由塊狀鐵素體及粒狀貝氏體組成，兩種結(jié)構(gòu)組成的比例及分布差異不大，這表明本研究中的釩含量變化對顯微組織的影響不大。釩通常只可以微弱提高鋼中鐵素體的形成溫度，并且鐵素體與釩的碳氮化物之間的界面符合B-N(Baker-Nutting)取向關(guān)系，即(001)V(C,N)//(001)α，[010]V(C,N)//[110]α，且界面能低，會促使晶內(nèi)鐵素體在碳氮化物表面形核[12-13]。此外，通過對組織的局部放大觀察，可以看到在鋼的基體中含有大量的細小析出物，分布較為彌散。

圖6 為四種不同釩含量試驗鋼垂直于法向方向平面的晶粒取向，可以看出鋼中均存在著一定量的板條狀結(jié)構(gòu)。比較四種鋼可以發(fā)現(xiàn)，1#鋼中的板條狀結(jié)構(gòu)含量最少，而其他三種鋼中數(shù)量相當。對相同區(qū)域四種試驗鋼中的晶界類型及數(shù)量比例進行分析，結(jié)果如圖7 所示。左側(cè)圖中紅色實線代表取向差角大于15°的晶界，右側(cè)則為取向差角分布，對于取向差角大于15°的數(shù)據(jù)進行求和，四種試驗鋼中的大角度晶界比例分別為23.27%、20.69%、23.13%和16.24%，釩含量最高的4#鋼中的大角度晶界最少。大角度晶界兩側(cè)原子與晶界層中的原子排列存在更大差異，具有更高的晶界能，阻礙裂紋延伸擴展的能力更強[14-16]。

圖6 四種試驗鋼垂直于法向的晶粒取向Fig.6 Grain orientation diagrams perpendicular to normal direction of four experimental steels

圖7 四種試驗鋼中晶界及取向差角分布Fig.7 Angular distribution of grain boundary and misorientation in four experimental steels

2.3 試驗鋼的強度和塑性分析

四種不同釩含量試驗鋼的室溫拉伸結(jié)果如表3所示?？梢钥闯?，隨著釩含量由0.036%增加到0.075%，試驗鋼的抗拉強度和屈服強度均有明顯提高，釩含量進一步升高則對試驗鋼的強度增加影響很小，甚至當釩含量由0.110%升高至0.150 %時，試驗鋼的抗拉強度均小幅度降低，并且屈服強度下降幅度更大，約降低20 MPa。由圖6 可知，釩含量最高的4#鋼的屈服強度低與其自身大角度晶界比例最低有關(guān)，在其內(nèi)部產(chǎn)生裂紋后更容易沿小角度晶界發(fā)生偏折擴展。但是四種試驗鋼的抗拉強度均在660 MPa 以上，符合API 5L-2018Line Pipe 標準中對X80 級管線鋼拉伸性能的要求。四種鋼屈強比差別不大，釩含量最高的4#鋼的屈強比最低，表明其承受載荷的能力低，對于管材的服役安全性不利。此外，斷后伸長率和斷面收縮率沒有太大變化，其與鋼中的釩含量沒有明顯對應(yīng)關(guān)系。

微合金元素釩主要是通過改變鋼中第二相析出物的數(shù)量、尺寸和分布特征的方式，以沉淀強化和細晶強化來提高管線鋼強度。鋼鐵材料中的位錯滑移是導(dǎo)致其發(fā)生塑性變形的主要因素，通過各種方式阻礙位錯的滑移是提高強度的重要手段。目前，鋼鐵材料的強化方式主要包括固溶強化、細晶強化、形變強化（加工硬化）和沉淀強化（第二相粒子強化），它們在鋼中通常是共同作用的，可以由公式(2)表示各種強化方式對屈服強度的貢獻[17]。

式中，σ0為鋼材的基體強度；σG、σP、σSS、σD分別為細晶強化、沉淀強化、固溶強化和位錯強化的貢獻。其中，細晶強化對屈服強度的貢獻可由Hall-Petch公式(3)表示，沉淀強化對屈服強度的貢獻可由公式(4)表示[17]。

式中，D為鋼中的晶粒平均尺寸，μm；ky 為常數(shù)，7.4 N·mm-2/3；Vf為第二相體積分數(shù)；d為第二相顆粒尺寸，nm。

可見，試驗鋼中的晶粒尺寸越小，析出相體積分數(shù)越大且顆粒平均尺寸越小則對強度的提高作用越明顯。1#鋼中的析出相體積分數(shù)最小且平均尺寸較大，故而沉淀強化對其強度的提高最弱。圖8 為高分辨透射電鏡下細小析出相與位錯之間位置關(guān)系的STEM 圖像及對應(yīng)析出相顆粒的能譜分析結(jié)果，可以看到鋼中存在大量納米級含釩析出相，且其被大量的位錯纏繞，表明其對位錯運動會有明顯的阻礙作用，同樣可以提高強度。

圖8 STEM 下3#鋼中位錯、納米級析出相形貌及對應(yīng)能譜Fig.8 Morphology and corresponding energy spectrum of dislocation and nano precipitates in 3# steel under STEM mode

四種釩含量不同的試驗鋼拉伸斷口的宏觀、微觀形貌及韌窩處夾雜物分析結(jié)果如圖9～12 所示?？梢钥闯觯姆N試驗鋼的拉伸斷口形貌沒有太大的差別，宏觀斷口均為杯錐狀，表現(xiàn)出了良好的塑性。微觀斷口同為有大量韌窩組成的韌性斷口，并且通常在韌窩底部會發(fā)現(xiàn)有類型接近的夾雜物存在，能譜分析表明這些夾雜物多為Al2O3、MnS 等。

圖9 1#鋼拉伸斷口分析結(jié)果Fig.9 Tensile fracture analysis of 1# steel

圖10 2#鋼拉伸斷口分析結(jié)果Fig.10 Tensile fracture analysis of 2# steel

圖11 3#鋼拉伸斷口分析結(jié)果Fig.11 Tensile fracture analysis of 3# steel

圖12 4#鋼拉伸斷口分析結(jié)果Fig.12 Tensile fracture analysis of 4# steel

3 結(jié)論

1）隨著鋼中釩含量的升高，納米級析出相數(shù)量和體積分數(shù)均呈上升趨勢。四種試驗鋼中析出相尺寸主要集中在0～20 nm，且隨著鋼中釩含量的升高，尺寸小于10 nm 的析出相數(shù)量增多。晶內(nèi)和晶界上析出的納米級第二相顆粒均多為含釩的碳化物。

2）四種不同釩含量試驗鋼顯微組織均由塊狀鐵素體及粒狀貝氏體組成，內(nèi)部大角度晶界比例分別為23.27%、20.69%、23.13%和16.24%，釩含量最高的4#鋼中的大角度晶界最少。

3）隨著釩含量由0.036%增加到0.075 %，試驗鋼的抗拉強度和屈服強度均有明顯的提高，然而釩含量進一步升高對試驗鋼的強度影響較小，強度的增加主要是納米級析出相沉淀強化和細晶強化的共同作用。試驗鋼的塑性受釩含量變化的影響不大。