纯高温轧制工艺管线钢的组织性能研究

纯高温轧制工艺管线钢的组织性能研究

0高温轧轧制度随着天然气、石油供应和输送距离的增加，管道中的钢一般需要使用x80级以上的钢。以往高级别管线钢的成分设计加入了价格较高的钼、钒等元素,带来成本增加和工艺复杂等问题,因此,近年来又发展了高温轧制工艺(HTP)管线钢。HTP管线钢通过添加较多的微合金元素铌,同时取消了昂贵的钼元素,可用于制造X65～X100级管线钢,使管线钢获得良好力学性能的同时,还能有效地降低其冶炼及轧制成本。针对当前我国能源紧缺,供需缺口增大的现状,开发及研制高钢级HTP管线钢可以节约大量的资金,带来巨大的经济效益。作者结合国内某厂的设备情况,通过实验室的热轧试验,开发出厚度为16mm的X80级HTP管线钢,对其组织及力学性能进行了研究,分析了影响韧脆转变温度的因素,并对试验钢中析出物的形貌及成分进行了观察和分析,为制定现场的轧制生产工艺提供了依据。1钢板的拉伸试验试验钢采用真空感应炉冶炼,并浇铸成100kg钢锭,其化学成分(质量分数/%)为0.049C,0.22Si,1.80Mn,0.0053P,0.0021S,0.108Nb,0.019Ti,0.26Ni,0.15Cu。将钢锭加工成断面尺寸为100mm×100mm的热轧试样。将热轧试样加热到1200℃保温1h后,利用D450mm试验轧机,经两阶段控制轧制,第一阶段的轧制温度为1050～1000℃,第二阶段轧制温度为900～800℃,轧制后经加速冷速后得到厚度为16mm的钢板,其热轧方案见图1。对轧后钢板取样在100t电液伺服万能试验机上进行拉伸试验,采用矩形试样,标距长度为80mm,标距内宽度为20mm,取3次拉伸结果的平均值。从试验钢板的垂直于轧制方向切取冲击试样,加工成10mm×10mm×55mm的夏比V型缺口冲击试样,在20,-20,-30,-40,-60℃下,按照GB4159-1984和GB/T229-1994,在摆锤式机械冲击试验机上进行冲击试验,取每个温度下3次冲击结果的平均值。用Leica-DMIRM型多功能光学显微镜和JSM-5500LV型扫描电镜(SEM)观察显微组织,用H-800型透射电镜(TEM)观察试样组织及析出物。2试验结果2.1力学性能分析由表1可见,经试验室两阶段控温轧制得到的X80管线钢具有良好的力学性能。当试验钢的屈服强度达到600MPa以上时,其具有较高的抗拉强度、良好的断后伸长率,具有较好的综合力学性能。管线钢的屈强比是钢管抵抗破裂的重要参数。根据API5LX80管线钢的技术条件,对屈强比的限定值在0.92以下,而国外大部分石油公司的规范都限制屈强比不超过0.90,根据此规范,试验用钢达到要求。由图2可见,拉伸试验得到的应力-应变曲线未出现明显的屈服平台,具有连续屈服行为,因而具有较高的形变强化能力。由图3可见,X80管线钢的组织由多边形铁素体和贝氏体组成。由图4可见,铁素体成细条状,形状不规则,同时,发现了少量的典型的板条状贝氏体。2.2不同冲击温度对微观断口形貌的影响由表2可见,在-60～20℃温度范围内,试验用X80管线钢的冲击功随温度的变化幅度较小,都在250J以上。这与试验钢中的针状铁素体有关,因针状铁素体的比例增多时,材料将获得高的夏比冲击性能。由图5可见,当冲击温度为-20℃和-40℃时,微观断口呈现较深的等轴韧窝,说明在断裂前经历了很大的塑性变形;当冲击温度降为-60℃时,微观断口形貌仍为韧窝断口,只是较前者韧窝浅平粗大,说明在此温度下仍为韧性断裂。结合冲击功和冲击断口的微观形貌可知,其韧脆转变温度低于-60℃,试验钢具有良好的低温韧性指标。3讨论3.1影响钢质及组织的因素由文献可知,钢中的锰可以提高韧性,随着锰含量的增加,脆性转变温度降低。钢中的硫、磷等杂质易偏聚于晶界,降低晶界表面能,产生沿晶断裂,同时降低脆断应力,降低硅及硫、磷等杂质的含量可提高韧性。试验钢锰含量为1.80%,一定程度上降低了试验钢韧脆转变温度。同时,由于试验钢冶炼时硫、磷及杂质元素控制得相对较低,一定程度上消除了它们对韧性的不良影响。控制硅含量在较低的水平,对韧脆转变温度的降低也起到一定的积极作用。除合金元素外,试验钢的组织也影响韧脆转变温度。派奇方程描述了晶粒大小与脆性转变温度的关系,晶粒尺寸越细小,脆性转变温度越低。结合图3、图4可见,试验钢的组织为细小的针状铁素体组织,组织的细化一方面提高了试验钢的强度,另一方面可以改善试验钢的韧性,降低韧脆转变温度。3.2碳氮化物的成分测定结合表1和图2、图3可见,试验钢经控制轧制和控制冷却后得到了细小的针状铁素体组织,提高了钢的强度。X80管线钢属于低碳微合金钢系列,在要求较高强度的同时,又要求具有良好的低温韧性。在强韧性方面,微合金元素的析出可有效提高强度,同时,控制好微合金元素的析出能够减少对韧性的损害。由图6可见,X80管线钢中的析出物主要为微合金元素的碳氮化物。在组织中能观察到不同尺寸的碳氮化物,它们主要是在不同阶段不同温度下析出的,在钢中起不同的作用。经过两阶段控制轧制和随后的加速冷却后,试验钢中存在着大量的亚微米及纳米级的析出相。由图6可知主要存在两种典型的析出物。一种为尺寸相对较大的碳氮化物,其尺寸一般在50nm～0.2μm。图6的成分分析表明,这种尺寸较大的碳化物主要为Nb、Ti(CN)。在多种碳氮化物中,以TiN的作用最为显著,这是由于TiN在奥氏体中的溶解度最低以及高的热力学稳定性,最不容易粗化。另一种为尺寸相对较小的碳化物,其尺寸一般在30nm以下,由图6可知,这种析出物的尺寸大多在10nm以下,其主要为NbC,由于试验钢中含有微合金元素钒,因此,在成分测定中也检测到钒的碳化物。从三种微合金元素的溶解度关系式可见,TiN的固溶度最低,NbC和TiC、NbN的固溶度接近,VC、VN固溶度最大。针对作者所观察到的较大的析出物来说,方形TiN析出物主要是在较高温度下形成的,析出相中含有的复合铌以及极少量的钒是由于在变形和温降过程中形成的,少量的铌和钒在已经存在的TiN上进一步析出NbC和VC,从而形成了复合的析出产物,其形貌成圆形和椭圆形。对于试验钢中所观察到的细小的析出物来说,其主要是在奥氏体→铁素体转变过程或冷却到单相的铁素体相区时形成的。过饱和的固溶微合金元素在脱溶过程中析出了这种碳氮化物,尽管它们的体积分数很小,却能起到有效的强化作用。由形貌及成分分析表明,主要为细小圆形的NbC析出相。同时,该析出相周围基体具有择优腐蚀特征,表现为析出相均处于圆坑中,这可能是共格应力场的应力腐蚀效应,间接证明了这种析出物与基体具有共格和半共格的关系。从析出物的成分分析可以看出,析出相中钒的碳氮化物相对较少,这是由于在铌、钛的碳氮化物大量析出的同时,钢中碳、氮的浓度迅速降低,阻碍了后期钒的析出,同时,钒的析出温度低,受扩散的影响,析出物尺寸相对细小,不易在碳复型中测定。由图7可见,尺寸相对细小的析出物相对数量较多,这些细小的析出物对提高试验钢的强度起到重要的作用。在现场的生产过程中,综合运用微合金元素的作用,合理控制其析出相的析出过程是管线钢开发的关键。分析表明,如果在析出总量相同的条件下,析出物的尺寸越细小,分布越分散,对强度的贡献越大,同时,其对韧性的损害越小。4试验钢的特性(1)通过控轧控冷工艺轧制出的16mm厚X80级HTP管线钢中,细化的针状铁素体及细小弥散的析出物有效地改善了试验钢的强度及韧性。屈服强度达到600MPa以上,其屈强比为0.87,韧脆转变温度低于-60℃,达到了很好的强韧性匹配。(2)试验钢中低的硫、磷等杂质含