純高溫軋制工藝管線鋼的組織性能研究

純高溫軋制工藝管線鋼的組織性能研究

0高溫軋軋制度隨著天然氣、石油供應(yīng)和輸送距離的增加，管道中的鋼一般需要使用x80級(jí)以上的鋼。以往高級(jí)別管線鋼的成分設(shè)計(jì)加入了價(jià)格較高的鉬、釩等元素,帶來成本增加和工藝復(fù)雜等問題,因此,近年來又發(fā)展了高溫軋制工藝(HTP)管線鋼。HTP管線鋼通過添加較多的微合金元素鈮,同時(shí)取消了昂貴的鉬元素,可用于制造X65～X100級(jí)管線鋼,使管線鋼獲得良好力學(xué)性能的同時(shí),還能有效地降低其冶煉及軋制成本。針對(duì)當(dāng)前我國能源緊缺,供需缺口增大的現(xiàn)狀,開發(fā)及研制高鋼級(jí)HTP管線鋼可以節(jié)約大量的資金,帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。作者結(jié)合國內(nèi)某廠的設(shè)備情況,通過實(shí)驗(yàn)室的熱軋?jiān)囼?yàn),開發(fā)出厚度為16mm的X80級(jí)HTP管線鋼,對(duì)其組織及力學(xué)性能進(jìn)行了研究,分析了影響韌脆轉(zhuǎn)變溫度的因素,并對(duì)試驗(yàn)鋼中析出物的形貌及成分進(jìn)行了觀察和分析,為制定現(xiàn)場(chǎng)的軋制生產(chǎn)工藝提供了依據(jù)。1鋼板的拉伸試驗(yàn)試驗(yàn)鋼采用真空感應(yīng)爐冶煉,并澆鑄成100kg鋼錠,其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為0.049C,0.22Si,1.80Mn,0.0053P,0.0021S,0.108Nb,0.019Ti,0.26Ni,0.15Cu。將鋼錠加工成斷面尺寸為100mm×100mm的熱軋?jiān)嚇?。將熱軋?jiān)嚇蛹訜岬?200℃保溫1h后,利用D450mm試驗(yàn)軋機(jī),經(jīng)兩階段控制軋制,第一階段的軋制溫度為1050～1000℃,第二階段軋制溫度為900～800℃,軋制后經(jīng)加速冷速后得到厚度為16mm的鋼板,其熱軋方案見圖1。對(duì)軋后鋼板取樣在100t電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn),采用矩形試樣,標(biāo)距長(zhǎng)度為80mm,標(biāo)距內(nèi)寬度為20mm,取3次拉伸結(jié)果的平均值。從試驗(yàn)鋼板的垂直于軋制方向切取沖擊試樣,加工成10mm×10mm×55mm的夏比V型缺口沖擊試樣,在20,-20,-30,-40,-60℃下,按照GB4159-1984和GB/T229-1994,在擺錘式機(jī)械沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行沖擊試驗(yàn),取每個(gè)溫度下3次沖擊結(jié)果的平均值。用Leica-DMIRM型多功能光學(xué)顯微鏡和JSM-5500LV型掃描電鏡(SEM)觀察顯微組織,用H-800型透射電鏡(TEM)觀察試樣組織及析出物。2試驗(yàn)結(jié)果2.1力學(xué)性能分析由表1可見,經(jīng)試驗(yàn)室兩階段控溫軋制得到的X80管線鋼具有良好的力學(xué)性能。當(dāng)試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度達(dá)到600MPa以上時(shí),其具有較高的抗拉強(qiáng)度、良好的斷后伸長(zhǎng)率,具有較好的綜合力學(xué)性能。管線鋼的屈強(qiáng)比是鋼管抵抗破裂的重要參數(shù)。根據(jù)API5LX80管線鋼的技術(shù)條件,對(duì)屈強(qiáng)比的限定值在0.92以下,而國外大部分石油公司的規(guī)范都限制屈強(qiáng)比不超過0.90,根據(jù)此規(guī)范,試驗(yàn)用鋼達(dá)到要求。由圖2可見,拉伸試驗(yàn)得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線未出現(xiàn)明顯的屈服平臺(tái),具有連續(xù)屈服行為,因而具有較高的形變強(qiáng)化能力。由圖3可見,X80管線鋼的組織由多邊形鐵素體和貝氏體組成。由圖4可見,鐵素體成細(xì)條狀,形狀不規(guī)則,同時(shí),發(fā)現(xiàn)了少量的典型的板條狀貝氏體。2.2不同沖擊溫度對(duì)微觀斷口形貌的影響由表2可見,在-60～20℃溫度范圍內(nèi),試驗(yàn)用X80管線鋼的沖擊功隨溫度的變化幅度較小,都在250J以上。這與試驗(yàn)鋼中的針狀鐵素體有關(guān),因針狀鐵素體的比例增多時(shí),材料將獲得高的夏比沖擊性能。由圖5可見,當(dāng)沖擊溫度為-20℃和-40℃時(shí),微觀斷口呈現(xiàn)較深的等軸韌窩,說明在斷裂前經(jīng)歷了很大的塑性變形;當(dāng)沖擊溫度降為-60℃時(shí),微觀斷口形貌仍為韌窩斷口,只是較前者韌窩淺平粗大,說明在此溫度下仍為韌性斷裂。結(jié)合沖擊功和沖擊斷口的微觀形貌可知,其韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于-60℃,試驗(yàn)鋼具有良好的低溫韌性指標(biāo)。3討論3.1影響鋼質(zhì)及組織的因素由文獻(xiàn)可知,鋼中的錳可以提高韌性,隨著錳含量的增加,脆性轉(zhuǎn)變溫度降低。鋼中的硫、磷等雜質(zhì)易偏聚于晶界,降低晶界表面能,產(chǎn)生沿晶斷裂,同時(shí)降低脆斷應(yīng)力,降低硅及硫、磷等雜質(zhì)的含量可提高韌性。試驗(yàn)鋼錳含量為1.80%,一定程度上降低了試驗(yàn)鋼韌脆轉(zhuǎn)變溫度。同時(shí),由于試驗(yàn)鋼冶煉時(shí)硫、磷及雜質(zhì)元素控制得相對(duì)較低,一定程度上消除了它們對(duì)韌性的不良影響?？刂乒韬吭谳^低的水平,對(duì)韌脆轉(zhuǎn)變溫度的降低也起到一定的積極作用。除合金元素外,試驗(yàn)鋼的組織也影響韌脆轉(zhuǎn)變溫度。派奇方程描述了晶粒大小與脆性轉(zhuǎn)變溫度的關(guān)系,晶粒尺寸越細(xì)小,脆性轉(zhuǎn)變溫度越低。結(jié)合圖3、圖4可見,試驗(yàn)鋼的組織為細(xì)小的針狀鐵素體組織,組織的細(xì)化一方面提高了試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度,另一方面可以改善試驗(yàn)鋼的韌性,降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度。3.2碳氮化物的成分測(cè)定結(jié)合表1和圖2、圖3可見,試驗(yàn)鋼經(jīng)控制軋制和控制冷卻后得到了細(xì)小的針狀鐵素體組織,提高了鋼的強(qiáng)度。X80管線鋼屬于低碳微合金鋼系列,在要求較高強(qiáng)度的同時(shí),又要求具有良好的低溫韌性。在強(qiáng)韌性方面,微合金元素的析出可有效提高強(qiáng)度,同時(shí),控制好微合金元素的析出能夠減少對(duì)韌性的損害。由圖6可見,X80管線鋼中的析出物主要為微合金元素的碳氮化物。在組織中能觀察到不同尺寸的碳氮化物,它們主要是在不同階段不同溫度下析出的,在鋼中起不同的作用。經(jīng)過兩階段控制軋制和隨后的加速冷卻后,試驗(yàn)鋼中存在著大量的亞微米及納米級(jí)的析出相。由圖6可知主要存在兩種典型的析出物。一種為尺寸相對(duì)較大的碳氮化物,其尺寸一般在50nm～0.2μm。圖6的成分分析表明,這種尺寸較大的碳化物主要為Nb、Ti(CN)。在多種碳氮化物中,以TiN的作用最為顯著,這是由于TiN在奧氏體中的溶解度最低以及高的熱力學(xué)穩(wěn)定性,最不容易粗化。另一種為尺寸相對(duì)較小的碳化物,其尺寸一般在30nm以下,由圖6可知,這種析出物的尺寸大多在10nm以下,其主要為NbC,由于試驗(yàn)鋼中含有微合金元素釩,因此,在成分測(cè)定中也檢測(cè)到釩的碳化物。從三種微合金元素的溶解度關(guān)系式可見,TiN的固溶度最低,NbC和TiC、NbN的固溶度接近,VC、VN固溶度最大。針對(duì)作者所觀察到的較大的析出物來說,方形TiN析出物主要是在較高溫度下形成的,析出相中含有的復(fù)合鈮以及極少量的釩是由于在變形和溫降過程中形成的,少量的鈮和釩在已經(jīng)存在的TiN上進(jìn)一步析出NbC和VC,從而形成了復(fù)合的析出產(chǎn)物,其形貌成圓形和橢圓形。對(duì)于試驗(yàn)鋼中所觀察到的細(xì)小的析出物來說,其主要是在奧氏體→鐵素體轉(zhuǎn)變過程或冷卻到單相的鐵素體相區(qū)時(shí)形成的。過飽和的固溶微合金元素在脫溶過程中析出了這種碳氮化物,盡管它們的體積分?jǐn)?shù)很小,卻能起到有效的強(qiáng)化作用。由形貌及成分分析表明,主要為細(xì)小圓形的NbC析出相。同時(shí),該析出相周圍基體具有擇優(yōu)腐蝕特征,表現(xiàn)為析出相均處于圓坑中,這可能是共格應(yīng)力場(chǎng)的應(yīng)力腐蝕效應(yīng),間接證明了這種析出物與基體具有共格和半共格的關(guān)系。從析出物的成分分析可以看出,析出相中釩的碳氮化物相對(duì)較少,這是由于在鈮、鈦的碳氮化物大量析出的同時(shí),鋼中碳、氮的濃度迅速降低,阻礙了后期釩的析出,同時(shí),釩的析出溫度低,受擴(kuò)散的影響,析出物尺寸相對(duì)細(xì)小,不易在碳復(fù)型中測(cè)定。由圖7可見,尺寸相對(duì)細(xì)小的析出物相對(duì)數(shù)量較多,這些細(xì)小的析出物對(duì)提高試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度起到重要的作用。在現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)過程中,綜合運(yùn)用微合金元素的作用,合理控制其析出相的析出過程是管線鋼開發(fā)的關(guān)鍵。分析表明,如果在析出總量相同的條件下,析出物的尺寸越細(xì)小,分布越分散,對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)越大,同時(shí),其對(duì)韌性的損害越小。4試驗(yàn)鋼的特性(1)通過控軋控冷工藝軋制出的16mm厚X80級(jí)HTP管線鋼中,細(xì)化的針狀鐵素體及細(xì)小彌散的析出物有效地改善了試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度及韌性。屈服強(qiáng)度達(dá)到600MPa以上,其屈強(qiáng)比為0.87,韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于-60℃,達(dá)到了很好的強(qiáng)韌性匹配。(2)試驗(yàn)鋼中低的硫、磷等雜質(zhì)含