制管用Q345B帶鋼性能分析

1、摘要：金屬材料經(jīng)過冷加工變形通常使拉伸性能和沖擊韌性提高，硬度上升，塑性下降，而焊管在常溫下由帶鋼卷制加工而成，其管體材料比同一爐號同一位置帶鋼材料的抗拉強(qiáng)度下降5080 MPa，屈服強(qiáng)度下降約100 MPa，沖擊韌性下降6070 J，塑性提高10%，硬度下降HRB24。通過金相分析和冷變形狀態(tài)下金屬變形機(jī)理分析，帶鋼微觀組織級別一般在3級以上，由帶鋼加工成鋼管，變形量（大約為1%3%）一般都低于臨界變形量，成型后金相帶狀組織中鐵素體變寬，條狀珠光體略成斷續(xù)狀，在成型應(yīng)力作用下，焊管只產(chǎn)生少量位錯(cuò)與位錯(cuò)滑移，不必通過晶粒整體移動(dòng)，導(dǎo)致管體材料整體變形后強(qiáng)度有明顯降低。0 引言 漳州嘉年鋼鐵有限

2、公司生產(chǎn)出口歐洲的螺旋埋弧焊管，材料為Q345B鋼?？蛻粑袊HSGS公司廈門分公司進(jìn)行第三方檢驗(yàn)，按EN102192006標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行質(zhì)量控制。其檢驗(yàn)項(xiàng)目為：元素成分分析、管體材料拉伸試驗(yàn)和低溫（20）沖擊試驗(yàn)。在性能試驗(yàn)上普遍出現(xiàn)管體材料比帶鋼原材料性能低，部分原材料檢驗(yàn)性能合格，而同一爐號管體材料性能卻達(dá)不到要求的現(xiàn)象，這與通常金屬冷變形產(chǎn)生加工硬化而引起材料性能大幅提升的現(xiàn)象截然不同。本研究就螺旋埋弧焊管冷加工時(shí)出現(xiàn)性能下降的原因進(jìn)行了試驗(yàn)和分析。1 成型前后母材性能的變化成型后焊管母材為Q345B鋼，其化學(xué)成分見表1。成型前帶鋼拉伸性能見表2，成型后管體拉伸性能見表3。2試驗(yàn)分析通常帶鋼

3、經(jīng)冷加工后抗拉性能呈較大增加，而Q345B帶鋼經(jīng)螺旋成型后反而出現(xiàn)拉伸性能下降的反?，F(xiàn)象，針對這一情況，筆者對爐號為4024139132和402515252帶鋼成型前后性能進(jìn)行了對比試驗(yàn)，成型前后母材拉伸性能變化見表4，沖擊性能變化見表5。制備金相試樣，用硝酸酒精腐蝕，成型前后母材金相組織如圖1所示?？梢钥闯觯尚颓皫т摻M織為F+P，帶狀組織為3級；成型后鋼管組織為F+P，帶狀組織為4級。 通過以上兩組試樣拉伸和沖擊性能對比發(fā)現(xiàn)，同爐號、同位置、同一厚度線上帶鋼經(jīng)螺旋成型加工成鋼管后，母材拉伸性能和沖擊值下降，延伸率上升，硬度值略降HRB24。金相組織中鐵素體成型前寬度為69m，成型后寬度為1

4、215m，比原鐵素體寬度增加了一倍，帶狀組織增加12級。本研究取樣方向?yàn)楣荏w橫向，同樣，管體縱向試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)材料性能發(fā)生以上類似的變化，在此不贅述。金相分析中均未發(fā)現(xiàn)晶粒變形的亞晶界組織。3討論3.1原因分析 對于Q345B帶鋼經(jīng)螺旋成型后出現(xiàn)的拉伸性能下降的反?，F(xiàn)象，筆者分析認(rèn)為，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是母材帶狀組織偏析。 Q345B屬低合金亞共析鋼，在鐵水冷卻過程中，存在比較嚴(yán)重的枝晶偏析，在鋼錠鑄胚中由于枝晶與枝干部分各元素的含量相差很大，兩者間過冷點(diǎn)Ar3也就不同，這就導(dǎo)致軋制過程析出的不同時(shí)性，即Ar3點(diǎn)高的先析出鐵素體，Ar3點(diǎn)低的后形成富碳的珠光體，這樣就交替形成鐵素體與珠光體的帶

5、狀組織。 表6為帶狀組織成分分析結(jié)果。可以看出，Q345B帶鋼的Mn含量較高，但Mn是不易被均勻化的，并在一定程度上仍保持枝狀偏析，而在軋制過程造成化學(xué)成分不均勻性分布，易引起帶狀組織偏析。只要各個(gè)偏析帶存在化學(xué)成分不均勻性，就會(huì)引起Ar3過冷點(diǎn)溫度的差異，如P和Si會(huì)使Ar3點(diǎn)溫度升高，Mn會(huì)使Ar3點(diǎn)溫度降低，這就具備形成帶狀組織的先決條件。從表3可以看出，帶狀組織成分存在很大差異，這是引起Ar3點(diǎn)溫度差異的主要原因。帶鋼的帶狀組織嚴(yán)重時(shí)，就會(huì)造成材料各向性能有微小差異，并會(huì)對成型后管體材料拉伸強(qiáng)度和沖擊值造成不利影響。表7為室溫下典型低碳鋼金相組織的性能，從表7可以看出，鐵素體抗拉強(qiáng)度很

6、低而珠光體沖擊韌性很低，當(dāng)帶鋼帶狀級別高時(shí)，從微觀看，帶鋼被帶狀鐵素體和條狀珠光體區(qū)域所分割，各項(xiàng)綜合性能呈薄弱狀態(tài)。當(dāng)晶體通過位錯(cuò)移動(dòng)產(chǎn)生滑移時(shí)，實(shí)際上并不需要整個(gè)滑移面上的全部原子一起移動(dòng)，而只是在位錯(cuò)中心附近的少數(shù)原子發(fā)生移動(dòng)，通過位錯(cuò)產(chǎn)生滑移要比整體滑移所需的臨界切應(yīng)力小得多。在成型應(yīng)力作用下，晶體滑移面上存在位錯(cuò)源，晶體通過位錯(cuò)移動(dòng)產(chǎn)生滑移，從位錯(cuò)源可以不斷產(chǎn)生通過滑移面移動(dòng)的新位錯(cuò)，從而不斷造成滑移變形，金屬晶體存在少量位錯(cuò)就會(huì)顯著降低金屬材料的整體強(qiáng)度。在滑移作用下從金相分析可觀察到經(jīng)成型加工后，焊管管體材料帶狀鐵素體變寬，珠光體帶狀斷裂，帶狀級別增加，力學(xué)性能進(jìn)一步下降。 另外

7、，焊管成型和管體橫向取樣壓平，產(chǎn)生反向塑性變形，造成包辛格效應(yīng)，使管體材料力學(xué)性能下降。 以上兩者因素疊加，就是螺旋焊管管體拉伸性能比同爐號、同位置原材料性能普遍下降的基本原因。 當(dāng)然帶鋼屬多晶體織構(gòu)，它的塑性變形主要以滑移和孿生的方式進(jìn)行，隨著變形量增加到臨界變形度以上，晶粒產(chǎn)生明顯變形和組織破碎，形變阻力增大，材料得到強(qiáng)化，當(dāng)材料加工強(qiáng)化作用大于包辛格效應(yīng)時(shí)，力學(xué)性能呈上升現(xiàn)象。而焊管螺旋成型過程帶鋼截面變形量一般為13，都低于臨界變形度，只產(chǎn)生電鏡可觀察到的位錯(cuò)組織，這些位錯(cuò)缺陷在較小切應(yīng)力下就可產(chǎn)生晶體滑移變形，致使管體力學(xué)性能低于帶鋼性能指標(biāo)。只有母材金相組織中鐵素體呈等軸彌散狀，珠

8、光體呈條帶狀分布，成型前后母材金相組織變化就不大，母材拉伸、沖擊性能及硬度變化也不大，成型后管體材料各項(xiàng)綜合性能指標(biāo)均能達(dá)到較好水平。 Q345B帶鋼因枝狀偏析易形成帶狀組織，但帶狀組織并不一定都會(huì)出現(xiàn)，這還取決于軋制條件和冷卻工藝。3.2解決措施（1）微合金化。即在冶金過程中加入強(qiáng)碳化物元素V或Nb，可使鐵素體固溶強(qiáng)化、細(xì)化晶粒，改善帶鋼強(qiáng)韌性及減少帶鋼帶狀組織傾向。（2）控軋控冷。Q345B帶鋼帶狀組織級別與軋制工藝有著密切關(guān)系，為了得到較高的強(qiáng)度與韌性，必須在奧氏體再結(jié)晶溫度區(qū)間進(jìn)行多次軋制，使帶鋼進(jìn)行充分再結(jié)晶，得到細(xì)小的奧氏體化組織，帶鋼出爐溫度1 1301 180°C，終

9、軋溫度控制在850930。試驗(yàn)證明，控軋后帶鋼基本上是塊狀鐵素體加條帶狀珠光體，為帶狀2級。 經(jīng)控軋控冷噴水冷卻的帶鋼組織為塊狀鐵素體加細(xì)珠光體，鐵素體晶粒比不噴水冷卻的帶鋼細(xì)化12級，帶狀級別更低，帶狀組織基本得到消除。4以供貨帶鋼硬度作為參考指標(biāo) 供貨帶鋼帶狀組織狀態(tài)與帶鋼終軋后冷卻工藝有很大關(guān)系。帶鋼軋制一般都要經(jīng)過34道的連軋。Q345B屬普通低合金鋼，帶狀級別不作為交貨條件，只要軋制溫度控制在奧氏體再結(jié)晶溫度區(qū)間反復(fù)軋制，終軋后帶鋼有較快冷卻速度，冷卻速度越快，熱處理工藝越接近正火狀態(tài)，經(jīng)正火相變后其帶狀組織基本得到消除。試驗(yàn)證明，Q345B帶鋼軋制后隨冷卻速度提高，硬度上升，因此，

10、一般以供貨帶鋼硬度作為參考指標(biāo)。只要帶鋼硬度控制在HRB8093就可滿足成型后管體材料拉伸性能，沖擊性能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。5影響包辛格效應(yīng)的因素（1）材料的強(qiáng)度等級越高，包辛格效應(yīng)越明顯，隨著強(qiáng)度的提高，強(qiáng)化效果降低，包辛格效應(yīng)占主導(dǎo)位置，導(dǎo)致母材屈服強(qiáng)度低于板材。（2）材料金相組織為鐵素體和珠光體時(shí)，強(qiáng)化效果不明顯，特別是嚴(yán)重帶狀組織，而彌散度好的金相組織強(qiáng)化效果好些，受包辛格效果影響程度相對小些。（3）鋼管形變量影響到屈服強(qiáng)度大小，在螺旋焊管形變量較小，無法使材料得到強(qiáng)化效果的情況下，形變量越大，受包辛格效應(yīng)影響越大。（4）板厚越大，包辛格效應(yīng)越明顯，屈服強(qiáng)度值降低越大。（5）同規(guī)格螺旋焊管，帶鋼寬度越大，螺旋成型角也越大，包辛格效應(yīng)亦越明顯。6 結(jié)語 常溫下經(jīng)螺旋成型后，焊管管體材料相對帶鋼原材料抗拉、屈服、硬度等各項(xiàng)性能下降，其主要影響因素是帶鋼材料的帶狀組織和微量變形至使晶內(nèi)產(chǎn)生位錯(cuò)、滑移，帶狀級別越高其受影響程度