管线钢材料冷却工艺下显微组织及力学性能的变化

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[摘 要]X100管线钢因其优良的性能和巨大的经济优势受到广泛关注。本文通过改变控冷工艺条件，对低碳贝氏体X100钢的显微组织和力学性能进行了研究。结果表明：随着卷曲温度的降低和冷却速度的增加，粒状贝氏体组织转变为多边形铁素体或板条状贝氏体组织，使得钢板的屈服强度和抗拉强度逐渐增大，延伸率和冲击功不断减小。

[关键词]控冷工艺 管线钢 低碳贝氏体 析出物

中图分类号：TE377 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）04-0277-01

0 引言

目前，X80钢已成为管线钢的主流，其相关研究也已相当成熟[1]。高强度、高韧性的X100管线钢[2]因其巨大的经济优势吸引了越来越多的研究者，其实验研发已取得初步成功，但还未大规模应用于建筑工程。X100钢是一种低碳贝氏体钢，其微观组织和转变机理还有待研究。作为X100钢的核心生产技术，控冷技术[3]对材料的显微组织及力学性能有着显著影响。本文通过微观组织分析和拉伸试验，对不同控冷工艺条件下低碳X100管线钢的组织细化和性能强化进行了研究，为X100建筑钢的生产应用提供了理论指导。

1 实验方法

本文试验用钢是采用25 kg真空感应炉经冶炼、浇铸后得到的2种低碳X100钢锭，其主要化学成分及质量分数为，实验钢1：C-0.056%、Si-0.22%、Mn-1.86%、Al-0.032%、Mo-0.36%、Cr+Ti+Cu≤1.11%、Nb+V+Ti0.11%，余量为Fe；实验钢2：C-0.049%、Si-0.20%、Mn-1.80%、Al-0.028%、Mo-0.35%、Cr+Ti+Cu1.11%、Nb+V+Ti0.11%，余量为Fe。首先将去除氧化皮后的钢锭在1200℃保温30 min，锻造得到的坯料尺寸为75 mm x 75mm x 85 mm；然后将其放入箱式加热炉，温度设置为1200℃，1h后在二辊可逆轧机上分两阶段进行控制轧制，分别为再结晶区控轧和未再结晶区控轧，所得轧制钢板厚度为9 mm，控轧过程的相关温度参数有：开轧1140℃、精轧900℃、终轧750℃。最后进行现场卷取工艺的模拟，卷取温度为350℃-500℃。

按照GB /T228-2002要求[4]沿轧制方向截取拉伸试样，并在电子万能试验机上对标距为50 mm的试样进行室温拉伸试验。依据GB/T4 160-2004要求取样，并在-20℃进行夏比冲击试验，并根据实验数据计算出标准值。使用扫描电镜（SEM）观察经4 %硝酸溶液腐蚀的试样组织形貌。采用透射电镜（TEM）观察X100钢试样的析出物亚显微结构。

2 实验结果及分析

2.1 不同卷取温度下的显微组织

对不同卷曲温度下的试验钢1进行拉伸试验，并对其力学性能进行统计分析发现，当卷曲温度由350℃升高至450℃时，由于卷曲温度影响了组织转变，使材料的屈服强度由740 MPa降为623MPa，抗拉强度由872 MPa降为794 MPa，而伸长率则由15%提高至21%，冲击功由220 J升高至262 J。贝氏体在低温时可以转变为高强度低韧性的板条贝氏体，且温度越低转变越容易。350℃已达到低温相转变温度要求，得到的微观组织为具有一定取向的粒状贝氏体，夹有少量板条贝氏体，因此，此温度下得到的材料力学性能符合X100钢的性能标准。当卷曲温度升高到400℃时，由于粒状贝氏体和针状形铁素体的分割组织粒度小于板条贝氏体，材料组织未出现取向性，韧性和强度也有所改善。当温度达到500℃时，组织中除粒状贝氏体外出现粗大的多边形铁素体，软化相多边形铁素体使试样强度下降，伸长率和冲击功增加。

2.2 不同冷却速度下的显微组织

轧后X100钢的微观组织会因冷却速度的改变发生不同的相变，进而影响其力学性能。对试验钢2分别进行15、25、35和50℃/s4个冷却速度的试验，统计分析其力学性能参数发现，随着冷却速度的不断增加，抗拉强度和屈服强度大幅提高，伸长率和冲击功略有下降。当冷却速度为15℃/s时，屈服强度为671 MPa，抗拉强度为776 MPa，伸长率为17%，冲击功为245 J。冷却速度升高至50℃/s后，屈服强度升高至815 MPa，抗拉强度升高至936 MPa，伸长率下降3%，冲击功降至201 J。

2.3 X100钢亚显微结构

根据上文分析可知，X100管线钢的微观组织多样且复杂，但主要以粒状贝氏体和板条贝氏体为主，其亚显微结构见图1。其中，图1（a）为紧密排列的平行板条结构，位错密度较大，晶界角度较小。板条宽度为110-280 nm，界面有黑色薄膜状的硬相M/A组元[5]。一方面，基体组织受到窄而密的板条束的分割作用，细晶组织得到强化，使得钢板强度较高；另一方面，板条界面多而平直，加速了裂纹扩展，使得钢板韧性较低。与图1（a）相比，图1 （b）中宽大的平行板条束少而稀疏，位向差异和晶界角度较大，使裂纹扩展方向容易发生改变，扩展困难，使得韧性较高。

2.4 析出物亚显微结构

试验钢中发现了因加入合金元素产生的多种析出物，其亚显微结构如图2所示。图2（a）中的析出物多为分布不规律的规则正方形。对这种大尺寸例子进行EDS能谱分析得知为Ti（C，N）粒子，因其数量少、尺寸大，对试样组织和性能的影响较小。图2 （b）中的析出物为四角圆滑的不规则长方形，尺寸均小于100 nm，经EDS能谱分析得知其为由Nb（C，N）和Ti（C，N）构成的复合组织。除此之外，还发现了一种深色、粒状或长棒状的细小粒子，平均大小为20 nm，弥散分布与基体组织中。经分析，其主要成分为Nb和V。

3 结论

控冷工艺对X100管线钢的显微组织和力学性能有显著影响。随着卷曲温度的降低和冷却速度的增加，粒状贝氏体组织转变为多边形铁素体组织或板条状贝氏体组织，使得钢板的屈服强度和抗拉强度逐渐增大，延伸率和冲击功不断减小。为了提高钢板强度和韧性加入的微量合金元素以多种形貌的氮化物颗粒形式析出，起到沉淀强化的作用。

参考文献

[1] 陈立权，王建明，刘岩.管线钢中钙镁粒子的加入方法及对组织性能影响的研究进展[J].铸造技术.2012（12）.

[2] 王建明，马千贺，丁龙先.高级别管线钢晶粒组织控制方法的研究与应用现状[J].铸造技术.2012（06）.

[3] 牛涛，康永林，顾宏伟，尹雨群，谯明亮，姜金星.高级别X80/X100管线钢的包辛格效应[J].北京科技大学学报.2010（09）.

[4] 肖英杰，孙常全.X100/X120管线钢的研发和生产[J].焊管. 2010（05）.