超低碳微合金管线钢中柱状铁素体复相组织的研究

超低碳微合金管线钢中柱状铁素体复相组织的研究

通过化学成分、工艺和微组织的改进，提高石油管道钢的覆盖率能力是人们长期努力的目标。自20世纪70年代初以来，人们对这种组织结构的形成、微观特征和强度进行了大量研究。结果表明，传统的多边形铁素体-光体组织比传统的多边形铁素体组织好得多。在焊接领域中,针状铁素体是指在金相下呈典型非等轴状、具有一定长宽比、相互交错成网篮编织结构的铁素体组织.然而,在管线钢中,针状铁素体的定义截然不同,是指在连续冷却过程中形成的、具有高的亚结构和高位错密度的非等轴铁素体组织,具有切变和扩散混合型相变机制,形成温度略高于上贝氏体.在通过先进的控轧控冷工艺(TMCP)生产的管线钢中,由于对温度、变形量、冷却速度等工艺参数的控制不同,可形成多边形铁素体(PF)、准多边形铁素体(QF)、粒状铁素体(GF)和贝氏体铁素体(BF)等4种基本显微结构类型的铁素体组织,这些铁素体组织具有不同的转变机理及特征,可在光学显微镜下进行鉴别.PF是在最高温度、很慢的冷速下形成的先共析铁素体,PF生长受控于置换原子的快速迁移及碳原子的长程扩散,通常其生长速度较慢,最终晶粒具有规则的外形,基本上是等轴的或多边形状的晶粒,且晶界光滑.QF的相变温度相对较低,通过块状转变形成,在理想情况下新相与母相有相同的化学成分,可以通过穿越转变的相界面短程扩散得到,且新相与母相界面在所有方向上都是大角度晶界,转变速度特别快,然而,可能在迁移的界面上发生间隙和固溶原子再分配;因而最终QF的晶粒边界高度的不规则,呈任意弯曲状或锯齿状,具有较高的亚结构和位错密度,有时还伴有马氏体/奥氏体(M/A)岛.GF和BF呈无特征的铁素体晶粒.BF由相互平行且带有很高位错密度的细小的板条铁素体晶体组成,板条界为小角度晶界;若干铁素体板条平行排列构成板条束,板条束界面为大角度晶界.BF的尺寸较大,板条状趋势及轮廓明显.GF是介于QF和BF之间温度范围内形成的显微组织,形成温度稍高于BF,形成冷速比形成BF的冷速低,组织形态与BF不同;基体上弥散分布着粒状或等轴状的残余奥氏体或M/A岛,具有高位错密度,由拉长的细小的铁素体晶粒束构成,板条状趋势及轮廓不明显,被小角晶界分开.当前普遍接受的观点是,针状铁素体(AF)管线钢是具有复相结构特征的混合型组织形态,由上述一种或多种铁素体的显微结构组成.针状铁素体管线钢的组织特征是:在光学显微镜下,原奥氏体晶界基本消除,粒度参差不一,具有不规则的非等轴状铁素体形貌.但目前对其具体的显微结构构成还存在不同的理解,其中比较流行的针状铁素体管线钢的组织鉴别方法有两种:一种是将多边形铁素体和准多边形铁素体划作为多边形铁素体组织范畴,而将粒状铁素体和贝氏体铁素体划归为针状铁素体组织范畴;另一种是将准多边形铁素体、粒状铁素体和贝氏体铁素体均笼统的划作为针状铁素体组织范畴.本文采用后一种组织鉴别方法,并进一步将AF复相组织定量细分,以深入研究AF组成比与力学性能之间的关系规律.近年来,针状铁素体管线钢的研究主要集中在合金元素及热变形对针状铁素体相变和力学性能的影响,但很少有系统的工作研究针状铁素体复相组织的组元比例对力学性能的影响.本文系统研究了通过不同TMCP工艺制备的AF复相组织中不同组元的定量划分及其对管线钢强度的影响,提出AF组成比与力学性能的关系,最终指出提高AF管线钢的综合性能的关键工艺,对于AF管线钢的应用和发展具有指导意义.1连续冷却实验实验材料为自行研制的Mn-Mo-Nb(V)系超低碳(<0.03%C)微合金管线钢,化学成分(质量分数,%)为:C0.025,Si0.24,Mn1.56,Mo0.32,Nb0.039,V0.019,P0.0020,S0.0006,O0.0043,N0.0062,Fe余量.为了达到高洁净度,对钢中的S,P,O和N等杂质元素都进行了严格控制.实验材料经真空感应冶炼,钢锭被锻造成70mm厚的板料,然后制成尺寸为70mm(厚)×78mm(宽)×80mm(长)的热轧实验用板坯.TMCP工艺过程在直径为370mm的二辊实验轧机上进行,板坯加热温度为1150℃,保温50min,模拟卷取温度为500和600℃,利用水幕冷却设备控制冷却.根据已经利用Formastor-F和Gleeble-3500对实验材料连续冷却相变规律的研究,确定了热轧实验的工艺参数,其实测结果见表1.其中选取冷速在20℃/s左右以确保获得AF复相组织;选取终轧温度分别为850,800和750℃,以考察不同终轧温度对AF复相组织比例和性能的影响;选取卷取温度500和600℃以考察不同卷取温度对强度提高的影响.实验中采用三阶段控制轧制,即“奥氏体再结晶区+奥氏体未再结晶区+(奥氏体+铁素体)双相区”控制轧制,轧后立即冷却.为了保证道次的变形量,控制道次压下分配为:70—56—45—30—24—16—11—7mm(变形量20%—20%—33%—20%—33%—31%—36%),热加工工艺制度示意图如图1所示.其中前3道在奥氏体再结晶区轧制,后4道在奥氏体未再结晶区和(奥氏体+铁素体)双相区轧制.轧制后轧板尺寸为7mm(厚)×120mm(宽).金相样品在轧板横截面1/4宽度附近取样,经机械研磨并抛光后用3%硝酸酒精溶液腐蚀.组织观察在MEF-4型光学显微镜上进行,各相面积比的测定及平均晶粒度由SISC-IAS图像分析仪给出.拉伸和V型缺口冲击试样均从轧板中心部位取样.拉伸试样在热轧板上沿轧向取样,试样表面未作任何处理,保持原始轧制状态,实验按照ASTME8M-96标准在SCHENCK-100KN型电液伺服拉伸试验机上室温下进行.冲击试样为横向试样,参照ASTME23-02标准,试样尺寸为5mm×10mm×55mm,冲击实验在-40℃下进行.2结果2.1准分形铁素体qf的边界采用不同的TMCP工艺控制,样品A,B,C和D均获得了AF复相组织,如图2所示.图中可见3种不同形貌的组织,其中晶粒边界清晰不规则、呈任意弯曲状或锯齿状并且不含或者有少量M/A岛的组织是准多边形铁素体(QF),其边界用黑色线条勾出;板条状趋势及轮廓不明显、分布着粒状或等轴状的M/A岛的组织是粒状铁素体(GF),其边界用灰色线条勾出;板条状趋势及轮廓明显、分布着板条状M/A岛的组织是贝氏体铁素体(BF),其边界用白色线条勾出.图2中右侧各图用黑色,灰色,白色区域更进一步显示三类组织的分布.采用SISC-IAS图像分析仪,按照GB/T6394-2002标准,对图2a,c,e和g进行测定,分别得出样品A,B,C和D的平均晶粒度;对图2b,d,f和h,采用多项面积比测定出不同组织的比例,如表2所示.2.2拉拔剂的性能表3为样品的力学性能测试结果.从表中可以看到,样品通过优化的TMCP工艺获得了较高的屈服强度和抗拉强度,其强度水平已大大超过了APIX65级别管线钢的要求((σs≥448MPa,σb≥530MPa).其韧性也得到了明显的改善,综合力学性能明显高于传统热轧工艺的性能水平,甚至大部分已达到了APIX80级别管线钢的要求(σs>551MPa,σb>620MPa,δ5>22%).3动态cct曲线在本研究中,通过选取合适的TMCP工艺参数,获得了不同组元比例的AF复相组织,在提高管线钢强度的同时也提高了其低温韧性,获得了优良的综合力学性能.在不同TMCP工艺下,样品C的强度最高,D次之,A最低.由表2可知大变形条件下(90%变形量)样品的平均晶粒尺寸相近且均<5μm.终轧温度由850℃降到800℃时,样品中BF含量基本不变、QF含量下降、GF含量上升;终轧温度由850℃降到750℃时,样品中BF含量由31%提高到48%,强度大幅提升;在终轧温度为750℃时,在冷速15—25℃/s范围内,冷速提高,QF含量下降、GF含量增加、BF含量基本不变.由动态CCT曲线(图3)可知,两道次轧制时,终轧温度降低导致AF开始转变温度降低,从而在低温区间形成的AF含量升高.而AF复相组织按形成温度由高到低依次为QF,GF和BF.因此,样品A和C相比,终轧温度由850℃降到750℃,导致C中的QF比例低、GF和BF比例高.同理,样品B和D之间终轧温度由800℃降到750℃,导致D的GF比例低、BF比例高.由于BF组织对提高管线钢强度的贡献大于GF组织,而这两者又大于QF组织,因而样品C和D的强度都高于A和B.样品C的冷却速度高于D,已有研究表明有利于形成AF的低温组织,从而使C中的QF比例降低,GF比例提高,导致C的强度提高.已有研究表明,对Nb-V微合金钢,Nb和V的碳氮化物析出峰值温度是600℃;因而卷取温度由500℃提高到600℃时,由于碳氮化物的析出充分,沉淀强化效果增强,细小的碳氮化物会进一步提高钢的强度但是会略微降低冲击韧性.样品C的卷取温度高于D,碳氮化物析出强化充分.因而样品C的强度要明显高于样品D.虽然终轧温度的降低和卷取温度的提高均提高强度,但是根据样品B的强度高于终轧温度和卷取温度均较高的A,表明终轧温度由850℃降到800℃比卷取温度由500℃提高到600℃对强度的贡献更大,即终轧温度变化导致的组织含量变化的强化效果优于沉淀强化.综上所述,当开轧温度1050℃、终轧温度750℃、冷速约25℃/s、卷取温度600℃时,由于获得了高的BF含量(接近50%)、较高的GF含量、低的QF含量(约10%)的AF复相组织,导致了材料具有高的强度、良好的韧性,综合力学性能优良.4综合力学性能(1)改变TMCP工艺条件,可以使Mn-Mo-Nb(V)系管线钢获得不同组元比例(准多边形铁素体QF、粒状铁素体GF和贝氏体铁素体BF)的针状铁素体(AF)复相组织,从而获得了不同的力学性能.(2)在给定的冷却速度15—25℃/s、终轧温度750-850℃范围内,降低终轧温度、提高冷速