高強度管線鋼夏比沖擊韌性的研究

高強度管線鋼夏比沖擊韌性的研究

0沖擊韌性是影響管線鋼性能的主要因素管道運輸是一條長距離輸送石油、天然氣的最經(jīng)濟、合理的運輸方式。為了提高輸送效益,降低能耗,減少投資,管線用鋼材向高強度、高韌性和優(yōu)良焊接性能的高鋼級管線鋼發(fā)展已成為必然趨勢。沖擊韌性是管線鋼重要的性能之一,也是管道設(shè)計所必須考慮的最重要的因素。長期以來,有關(guān)沖擊韌性控制因素的研究一直成為高鋼級管線用鋼的研究熱點。筆者基于實驗室三種不同微觀組織類型的熱軋管線鋼板,分析了微觀組織對夏比沖擊韌性等性能的影響,并探討了高強度管線鋼板沖擊韌性的控制因素。1試驗材料和方法1.1物理分化試驗用鋼的主要化學成分如表1所示。1.2均熱和控軋工藝實驗用鋼采用25kg真空感應(yīng)爐熔煉,鐵模澆注后,開模取出鋼錠,并將鋼錠鍛造成坯,開鍛溫度為1080～1120℃,鍛坯尺寸為80mm×90mm×110mm。將鍛坯送入均熱爐內(nèi),均熱工藝為1200℃×30min。均熱后在350四輥/二輥熱軋實驗機上采用兩階段控軋工藝軋制8～9道次,通過不同控軋控冷工藝制度獲得具有不同微觀組織類型的高強度管線鋼熱軋鋼板,具體工藝參數(shù)如表2所示。在熱軋鋼板的中心部位橫向截取拉伸和夏比沖擊試樣,分別在WAW-Y型電液伺服拉伸試驗機和JB-30B型沖擊試驗機上按照ASTMA370和ASTME23標準進行拉伸和夏比沖擊試驗。在EVO-50型掃描電鏡上進行夏比沖擊斷口觀察和分析,在NUPHOT-32型光學顯微鏡和H-800型透射電鏡上進行晶粒度、夾雜物和析出物分析。2試驗結(jié)果與分析2.1微觀組織類型1#～3#試樣的顯微組織如圖1所示。分析可知,1#試樣的微觀組織類型為針狀鐵素體+大量MA島,并含有較多的粒狀貝氏體,記為AF+M/A;2#試樣的微觀組織類型為針狀鐵素體+少量M/A島,記為AF;3#試樣的微觀組織類型為多邊形鐵素體+少量珠光體,記為FP。晶粒度、拉伸和夏比沖擊測試結(jié)果見表3。由試驗結(jié)果可知:3#試樣屬于鐵素體+少量珠光體型組織,晶粒度為9級,與1#和2#試樣相比,屈服強度和夏比沖擊功明顯偏低。對于1#和2#試樣,同屬于針狀鐵素體型微觀組織,晶粒度均為11級,因此兩者都具有較高的強度和沖擊韌性。但1#試樣,相對2#試樣具有較多粗大的M/A島和粒狀貝氏體,根據(jù)文獻報道,其是引起沖擊韌性偏低的原因之一。2.2斷口斷口分析圖2(a)、圖2(b)和圖2(c)分別為-20℃下1#、2#和3#試樣的沖擊斷口形貌圖。由圖可見,溫度為-20℃時,1#和2#沖擊試樣均為韌性斷口,韌窩的底部均能看見細小的球形第二相粒子。不同之處是,1#試樣斷口韌窩的邊緣可以看見解理面,說明有脆性斷裂存在,2#試樣斷口韌窩大小均勻,呈現(xiàn)明顯的延性斷裂。對于3#試樣在-20℃下,沖擊斷口以準解理形態(tài)為主,撕裂脊較多并有少量的韌窩,說明其沖擊韌性較1#和2#試樣差。溫度為-60℃時,2#試樣沖擊斷口呈現(xiàn)為解理形態(tài)和準解理形態(tài),脆性斷裂特征變得明顯,如圖2(d)所示。AF型組織之所以具有高的止裂能力是由其微觀組織決定的。由圖1(b)分析可知,AF組織是由較細的鐵素體晶粒和細小彌散分布的M/A島組成,其大大提高了管線鋼的沖擊韌性。此外,裂紋在受到彼此咬合、互相交錯分布的針狀鐵素體的阻礙也不易擴展。2.3缺陷物的種類夾雜物是孔穴生成的最有利位置,沖擊時周圍會發(fā)生應(yīng)力集中,并且條狀夾雜物會對基體起到割裂作用,而且使得裂紋在鋼中形成的機會增多。對1#～3#試樣進行夾雜物分析,發(fā)現(xiàn)1#和2#試樣的夾雜物均為0.5級,而3#試樣的夾雜物為1.5級,因此,3#試樣的夏比沖擊功與1#和2#試樣相比較,明顯偏低。對1#～3#試樣的夾雜物進行能譜分析,發(fā)現(xiàn)夾雜物主要有兩類,一類屬于硅酸鹽類夾雜,另一類屬于硫化物夾雜。典型硅酸鹽類和硫化物夾雜的能譜分析結(jié)果如圖3所示。2.4第二相粒子及體體能譜分析在透射電鏡下對1#～3#試樣析出物的形貌、分布進行分析,發(fā)現(xiàn)析出物大部分為橢圓形或圓形,棱角不分明,也有少數(shù)以方形存在,析出物較均勻地分布于晶粒內(nèi)部,如圖4所示。對于1#和2#試樣,第二相粒子在整個基體內(nèi)呈細小彌散分布,尺寸約為5～20nm,能夠起到有效的強化作用并改善鋼的沖擊韌性。對3#試樣進行觀察,發(fā)現(xiàn)基體中分布著顆粒尺寸較大、數(shù)量較少的第二相粒子,經(jīng)能譜分析,析出物以(Nb,Ti)(C,N)、Nb(C,N)為主,尺寸一般在20～40nm之間。稀疏粗大的第二相粒子,會導(dǎo)致鋼板強韌性的下降,這也是3#試樣比1#、2#試樣沖擊韌性低的原因之一。2.5高鋼級管線鋼組織通過上述沖擊韌性控制因素的分析,提出提高管線鋼板沖擊韌性的幾個措施如下:(1)管線鋼的微觀組織結(jié)構(gòu)對其沖擊韌性起著重要的作用。對于X65～X80高鋼級管線用鋼,宜采用AF型組織,不宜采用FP型組織。(2)對于針狀鐵素體型管線鋼,應(yīng)控制針狀鐵素體的最佳比例,如具有85%左右的針狀鐵素體的基體韌性最好,同時盡量減少粒狀貝氏體的含量。(3)采用合適的化學成分和適當快冷,減少M/A島的數(shù)量,使其呈細小彌散分布。(4)提高管線鋼的純凈度,嚴格控制夾雜物的數(shù)量、大小、形態(tài)和分布。(5)采用合理的控軋控冷工藝細化晶粒、減小有效晶粒尺寸,可顯著提高管線鋼的強韌性。3管線鋼沖擊韌性的降低(1)針狀鐵素體型管線鋼具有比多邊形鐵素體+少量珠光體型管線鋼更高的沖擊韌性。(2)粗大的鐵素體晶粒、M/A島以及較多的粒狀貝氏體,均可能引起管線鋼沖擊韌性的降低。(3)管線鋼