轧后加热温度对高nb管线钢组织性能的影响

轧后加热温度对高nb管线钢组织性能的影响

为了满足管道技术的建设和开发需求，国内外对x80管道钢进行了大量研究，主要集中在钢的成分、工艺、形成、焊接和应用上。然而，关于管道钢组织性能的研究很少。早在2002年,日本JFE钢厂就应用在线热处理工艺(HOP,heattreatmentonlineprocess)以改善管线钢板的低温韧性和变形性能,成功开发了具有双相组织形态的抗应变管线钢。近年来,针对X80管道用弯管、管件的制造需要,少量文献报道了调质热处理工艺对X80管线钢组织性能的影响规律。本文主要以高Nb成分X80管线钢板为研究对象,采用离线热处理工艺,研究轧后加热温度对管线钢板组织性能的影响规律,以确定X80管线钢板性能稳定的受热温度范围。1钢板加热处理试验试验材料取自工业试制的22.0mm厚X80管线钢厚板。采用低C高Nb的成分设计方法,经铁水预处理、LD转炉冶炼、LF+RH二次精炼、微Ca处理等工序后,连铸成300mm厚的连铸坯,随后经板坯再加热以及TMCP工艺轧制成22.0mm厚钢板并堆冷至室温。材料的化学成分见表1。为研究TMCP工艺轧制后加热温度对钢板组织性能的影响,在实验室对钢板进行了不同温度下的离线加热热处理试验。首先将钢板切割成合适的尺寸大小,随后升温至不同的加热温度进行热处理,保温系数为2.5～3.5min/mm,加热温度t分别为150、200、250、300、350、400、450、500、550、600、650℃。试验在NCPE-415加热炉上完成。具体工艺路径如图1所示。对加热处理后的试验钢板按ASTM370标准要求制备ϕ10mm圆棒拉伸试样、全尺寸V型缺口夏比冲击试样,按APIRP5L3要求制备全壁厚DWTT试样,并进行试验。力学性能测试在Z100/SN3A拉伸试验机和RKP450/300冲击试验机上完成;显微组织、碳化物的观察分别在LEICAMEF4A光学显微镜和S4200扫描电镜上完成。采用喷碳萃取覆型的方法对析出相进行提取,并应用EDS对析出相进行能谱成分分析。2试验结果与讨论2.1热温度与热压的关系图2为不同加热温度下强度性能变化图。TMCP钢板的屈服强度为580MPa,加热温度范围为150～300℃时,屈服强度较原始钢板略有下降,抗拉强度基本保持不变;加热温度为350℃时屈服强度上升,抗拉强度不变化;加热温度在400～600℃时,随温度上升,屈服强度、抗拉强度均呈下降趋势;加热温度为650℃时,屈服强度、抗拉强度略上升。由此可见,轧后加热温度对屈服强度、抗拉强度均略有影响,但波动在30MPa以内,影响较小。图3(a)为不同加热温度下-20℃夏比冲击功的变化趋势图,可以看出,采用不同加热温度对钢板进行热处理,在150～600℃温度范围内,冲击功变化不明显,均在290～350J之间;而当加热温度为650℃时,冲击功下降至270～290J。图3(b)为TMCP状态、350℃热处理以及650℃热处理钢板的夏比冲击功转变曲线,随着热处理温度的上升,夏比冲击韧脆转变温度提高,但冲击功上平台能基本保持在同一水平。图4为不同温度下加热处理后-15℃全壁厚落锤撕裂试验结果,与TMCP钢板相比,在150～600℃温度范围内加热处理,DWTT试样断口的剪切面积分数变化不大,均保持在85%以上;而当加热温度为650℃时,试样断口剪切面积分数迅速下降到50%,抗动态撕裂性能恶化。由以上讨论可知,在150～650℃范围内对TMCP工艺生产的高Nb成分X80管线钢板进行热处理后,钢板的屈服强度、抗拉强度均略有波动,但波动范围在30MPa以内;随加热温度的升高,钢板横向的冲击功韧脆转变曲线的上平台能基本保持不变,但韧脆转变温度上升;且当加热温度为650℃时,钢板的抗动态撕裂性能显著恶化。2.2热处理对钢板基碳化物及出相的影响图5为原始钢板及350、650℃加热热处理后钢板的显微组织照片。采用TMCP工艺生产的钢板得到了粒状贝氏体显微组织,在贝氏体板条间及晶界上弥散分布着较多的MA组元,如图5(a)、(d)。当对钢板进行350℃热处理后,显微组织基本无明显变化,仍保持粒状贝氏体组织形态,但MA组元略细小,如图5(b)、(e)。当加热温度升高到650℃时,显微组织发生比较明显变化,贝氏体板条束粗化,基体组织变得更加平坦;部分MA组元分解成较粗大的碳化物,分布在晶界或晶界附近基体上,如图5(c)、(f)。图6为原始钢板及350、650℃加热热处理后钢板基体内的弥散析出相分布。可以看出,对于TMCP状态钢板,基体上弥散分布着细小的析出相,尺寸在10～30nm之间,如图6(a)。当350℃加热处理后时,弥散析出相的数量明显增加,原有的析出相粗化,而在热处理过程中产生析出相尺寸较小,所以析出相主要分布在10～100nm之间,如图6(b)。随着加热温度进一步上升到650℃时,原有的析出相聚集长大,尤其是靠近晶界,析出相(或碳化物)显著粗化,如图6(c)。图7为能谱分析结果,析出相主要为NbC,还存在Nb、Ti的复合析出相,而靠近晶界粗大碳化物应为渗碳体。2.3加热处理对钢板组织的影响对于高Nb成分体系的X80管线钢板,主要通过采用TMCP工艺,利用Nb的析出强化、晶粒细化、位错强化、相变控制等机制来获得所需的强度和韧性。试制钢板经两阶段控轧后,以20～25℃/s的冷速冷却到530～580℃后停冷,形变奥氏体在该温度范围发生中温贝氏体转变,最终得到由高位错密度贝氏体板条和MA组元(马氏体-奥氏体)组成的粒状贝氏体组织,组织十分细小;同时由于钢中Nb含量较高,在随后的空冷过程中,部分固溶Nb析出生成弥散的NbC颗粒分布在贝氏体基体上。对于该组织而言,大量的晶界及沿晶界分布(或晶粒交汇处)的MA组元有利于改变裂纹扩展路径,提高材料的冲击韧性;而弥散析出的NbC则起到了钉扎位错、强化基体的的作用。350℃加热处理后,长时间保温使得原有析出相略有长大,而基体中过饱和的固溶Nb继续析出为细小的NbC,因此析出物的数量增多且尺寸分布较宽;由于第二相粒子数增多且保持细小,加大了位错和亚晶界的运动阻力,因此钢板仍保持高位错密度和原有组织形态,强度略有提高;同时由于极少量MA组元分解为Fe的碳化物,提高了钢板的韧脆转变温度。650℃加热处理后,长时间高温保温使得大量MA组元分解为脆性相渗碳体,分布在原MA组元所在的晶界或附近基体上,成为裂纹扩展的通道,降低了裂纹扩展的阻力,使得材料的韧脆转变温度显著提高,冲击韧性急剧降低;同时,高加热温度使得第二相粒子聚集长大,削弱了钉扎位错和阻碍亚晶界迁移的效果,因此大量位错发生运动而相互抵消、亚结构合并长大,最终得到粗大平坦的块状铁素体组织,恶化了钢板的抗动态撕裂性能。综上所述,对于采用TMCP工艺制造的高Nb管线钢板,轧后加热温度会对其组织性能产生影响。温度较低时,析出相增多,但对组织状态、力学性能影响不大;温度较高时,析出相长大粗化,MA组元分解,明显降低材料的冲击韧性和抗动