高钢级X100管线钢的组织与性能

第29卷 第3期Vo l 29 No 3材 料 科 学 与 工 程 学 报Journal of M aterials Science &Engineering 总第131期Jun.2011

文章编号:1673 2812(2011)03 0386 06

高钢级X100管线钢的组织与性能

曾 明,江海涛,胡水平,赵征志

(北京科技大学高效轧制国家工程研究中心,北京 100083)

摘 要 本文利用光学显微康、扫描电镜、透射电镜等,对实验室T MCP 工艺生产的X100管线钢的组织构成、微观结构、析出物的形态和分布等进行了研究。研究结果表明,X100为GB(Granular Bainite)、BF(Bainite Ferrite)、M /A 构成的复相组织,且各相比例和形态对性能影响较大,以GB 为主的基体加上少量BF 及弥散分布的细小M/A 构成的组织具有较好的强度和韧性匹配。TEM 微观形貌观察发现,贝氏体晶粒内部具有高密度位错和不同位向的板条束及M /A 硬化相;萃取复形实验发现,X100中主要有两种类型的析出物:一类尺寸较大为T i 的析出,一类尺寸较小为Nb 的析出物;这两种析出物起阻碍奥氏体再结晶和晶粒长大及析出强化的作用。

关键词 X100管线钢;复相组织;高密度位错;析出物

中图分类号:T G142.33 文献标识码:A

Microstructure and Mechanical Properties of Pipeline Steel X100

ZENG Ming,JIANG Hai tao,HU Shui ping,ZHAO Zheng zhi

(National Engineering Research Center for Advanced Rolling Technology,Beijing University

of Science and Technology,Beijing 100083,China)

Abstract Microstr uctural constituents as w ell as distribution of precipitates in pipeline steel X100pro duced by thermo mechanical contr ol pr ocess (TM CP)techno logy w ere inv estig ated by m eans of optical micro scopy ,scanning electr on m icroscopy,tr ansm issio n electron micr oscopy,etc.Results show that X100is

po lyphase structur ed steel w hich is m ainly constituted of GB (granular bainite)、BF (bainite fer rite )、M/A (martensite austensite ),conformation and proportion o f each phase have significant influence on the performances of X100.It is pro ved that GB based structure w ith a few BF and dispersed fine M /A inside has ex cellent effects on streng th and toughness.H igh density of dislocations,bainite lathes w ith differ ent orientatio ns and M /A har dening phase w ere found by means of T EM o bser vation.It also found tw o types of precipitate,o ne w ith big size mainly constitute of T i,the other w ith sm all size mainly constitute of Nb;each ty pe of precipitate have big effects o n hindering the recry stallizatio n of austenite and on the precipitation streng thening.

Key words pipeline steel X100;poly phase;hig h density o f dislocations;precipitate

收稿日期:2010 09 09;修订日期:2010 10 18

作者简介:曾 明(1985-),男,硕士。研究方向:冶金工艺装备及钢种开发。E mail:z engming0504@https://www.360docs.net/doc/1e17742207.html, 。通讯作者:江海涛,副研究员。E mail:nw pujht@https://www.360docs.net/doc/1e17742207.html,

1 引 言

目前,世界石油管道的建设正朝着长距离、大口径、高输送压力发展,为减少建设和维护成本,高钢级

管线钢的开发应用已成为国内外管道用钢的研究热

点[1~3]。当前石油管道用钢的主流级别已成为X80,围绕该钢种的相关研究也已十分成熟。X100~X120

级别管线钢的实验室研发已取得成功,除了国外有少量实验管道,还未出现大规模工程应用,对其组织的研

究也一直处在对传统低碳贝氏体组织的研究阶段,关于组织的形成和转变机理也未达成统一定论。组织的微观结构、强韧化机理以及复相组织构成与性能之间的关系等一些具体问题还有待研究。相信随着国内一系列管道建设工程的展开,X100的高强度、高韧性带来的成本优势将促使其大规模生产应用,对其组织性能的研究也将更加全面、深入。本文即在实验室采用TM CP工艺成功开发出X100的基础上,借助光学显微镜、扫描电镜、透射电镜对其宏观及微观组织构成、析出相、强韧化机理等进行进一步分析研究。

2 试验材料及方法

试验钢种采用低C+M n+Nb Ti Mo的合金化设计[4],成分见表1。

试验钢在25kg真空感应炉内冶炼,经浇铸冷却

表1 试验钢成分

Table1 C hemical composition of pipeline steel X100/mass%

C Si M n Nb Ti Cr Ni M o Cu S P N

0.0490.20 1.950.0800.0170.210.580.290.29<0.004<0.012<0.004

后将钢锭重新加热至1150 ,均热后锻成80mm 80

mm 90m m的方坯。将试验钢坯放入箱式炉中加热

到1200 保温1h,在实验室二辊轧机上经再结晶区和

未再结晶区两阶段控轧轧制成12m m厚钢板。再结晶区累计变形量50%、未再结晶区累计压下量70%,开轧温度1100 、未再结晶区轧制入口温度920 、终轧温度800 、终冷温度280 ~420 ,冷速20 /s ~60 /s,轧后钢板放入保温炉保温1h后随炉冷却至室温以模拟现场卷取。

对轧后钢板做力学性能相关测试,并沿轧向取横截面,经打磨抛光后用4%硝酸酒精侵蚀进行金相组织观察,经喷碳处理后在扫描电镜下观察组织;通过双喷和萃取复形实验制样并在TEM 2100透射电镜下观察其微观结构、析出物的类型和分布。

3 试验结果及分析

3.1 X100的力学性能

实验钢的力学性能见表2,按照API5L 2007管线钢管规范的相关指标要求,X100抗拉强度760M Pa~ 990M Pa,屈服强度690M Pa~840M Pa,屈强比< 0.93,延伸率>15%, 20 冲击功>200J[5];从试验结果来看随控冷工艺即冷速(Vc)和终冷温度(T c)的不同,钢板的性能有很大的差异,但有部分钢板的力学性能已完全满足相关指标,并且强度有较大的富余量。图1为各钢级管线钢应力 应变曲线,可见相对于X70、X80其强度提升较大。由于X100组织内部高位错密度、较多的亚结构和残留硬化相,它的应力应变曲线表现为连续屈服而未出现屈服平台,外形上呈现明显的屋顶状特征[6]。图2为X100的韧脆转变温度曲线,由曲线可知X100具有较高强度的同时仍然有较

好的低温韧性,同一温度下冲击试样单个值(Sv)波动较小,与平均值(Av)差别不大,韧脆转变温度在 80 ~ 100 之间,具有优良的低温韧性指标。

图1 X70 X100的应力 应变曲线

Fig.1 S tress s train cur ve of pipeline steel X70 X100

图2 X100的韧脆转变温度曲线

Fig.2 Du ctile brittle transition temp eratu re cur ve

3.2 X100的组织及对性能影响

高钢级管线钢的组织倾向于引入低温相产物,在构成上不再是单一的组织类型。X100基体就是由粒状贝氏体(GB)、板条贝氏体(BF)、M/A岛组成的复相组织。图3是实验室条件下采用T MCP工艺生产的

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第29卷第3期曾 明,等.高钢级X100管线钢的组织与性能

表2 X100的力学性能

Table 2 Mechanical properties of pipeline steel X100

NO.Rm/M Pa Rp0.2/M Pa

Rp0.2/Rm A/%Akv(-20 )/J Sv Av Vc/ s -1

T c/ 1#9989280.9316154136139143603202#6986130.8722300301304302204203#8387430.9021212245224227403754#

835

729

0.87

18

196

215

210

207

40

360

X100钢板的金相和扫描组织照片,用金相分析软件image plus6.0对多幅组织照片统计分析得到组织比例构成见表3。

表3 复相组织分析结果

Table 3 Analysis of polyphase microstructure

NO.

Polyph as e microstru cture con stitu tion/%

GB(g ranular bainite)

BF(b ainite ferrite)M /A(m artensite austen site)

1#158142#94063#

62

33

5

1#钢板组织以BF 为主,观察图3(a)(d)由于钢板模拟卷取过程发生自回火,板条的位向和分布在金相照片下不太明显,在扫描照片下可清晰观察到大量的BF 组织,其比例高达81%,由于冷速较大,GB 、M/A 岛量均较少。组织中不同的BF 板条束呈现多个位向从而加大了对晶粒的分割,使得晶粒进一步细化,强度较高,但是这种组织的存在也使得晶界变得相对平直,低温冲击时裂纹源会沿平直界面迅速扩展,造成韧性相对较差。观察这类组织的冲击断口形貌,如图4(a)所示,断面呈现河流状花样,这种断口为典型的解理断裂,属于脆性断口,因此冲击功较低,表2中数据显示1#钢板 20 冲击功仅为143J

。

图3 X100的金相和SE M 组织形貌 (a)1#钢板金相组织;(b)2#钢板金相组织;(c)3#钢板金相组织;

(d)1#钢板S EM 组织;(e)2#钢板SE M 组织;(f)3#钢板SEM 组织

Fig.3 Optical m icrographs (a c)and S EM micrographs (d f)of pipeline steel X100.(a,d)Sample 1;(b,e)Sample 2;(c,f)S am ple 3.

2#

钢板的相组织为典型全粒状贝氏体,如图3(b)(e)所示,晶粒呈现无规则外形且分布无明显取向。晶粒内部沿一定方向弥散分布着M /A 岛,其中在晶粒中间的呈弥散点状,边界处为小块状。由于M/A 岛比例较少、形态以小颗粒状居多且分布均匀,加上晶界相互咬合交错在一起,使得这种组织能够有效地抵抗裂纹的扩展,具有较好的韧性。如图4(b)所示断口形

貌,断面上出现大量密集韧窝。这种断裂机制属于韧性断裂,因此具有较好的冲击韧性, 20 冲击功达到300J 以上,但是由于基体中没有BF 分割作用晶粒无明显位向,因此变形开动较易,造成强度性能略差。表2中数据显示其抗拉强度698MPa,屈服强度613M Pa,均未达到X100的强度指标。

观察3#钢板的组织(c)(f),金相显微镜下已能明

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显观察到组织取向。经统计分析基体主要为GB,比

例达60%以上,BF 所占比例大于30%,SEM 照片中发现GB 基体中间沿一定位向不连续的分布着弥散小块状M /A 岛,从而勾勒出BF 的分布位向。BF 的存在加大了对基体的分割、细化了晶粒,同时,以GB 为主的基体晶粒间交错咬合,加上M/A 硬化相的弥散

分布,使得这种组织不仅拥有较好强度还具有较好的

韧性。图4(c)显示这类组织的断口中仍有大量的韧窝,表现为韧性断裂。表2中数据显示,其抗拉强度达838M Pa,屈服强度达743M Pa, 20 冲击功达227J,强度和韧性都有较大的富余量。

从性能上看,(c)(f)对应的组织较好,

针对该组

图4 断口S EM 形貌(a)1#钢板冲击断口;(b)2#钢板冲击断口;(c)3#钢板冲击断口Fig.4 Impact fractograph s by S EM.(a)Sample 1;(b)Sam ple 2;(c)S am ple 3.

织定量分析其组织构成为:大于60%粒状贝氏体+30%左右的板条贝氏体+弥散分布的细小M/A 岛。宏观上描述这种组织类型的特征应该为:具有一定位向的粒状贝氏体基体上弥散分布少量细小的岛状物。由此可见,X100组织对性能的影响,主要取决于BF 、GB 比例及M /A 的数量和分布形态。试验结果表明,以GB 为主的基体加上少量BF 及弥散分布的细小M/A 构成的组织具有较好的综合力学性能。

3.3 X100微观结构

X100管线钢实质上是一种通过控轧控冷得到的低碳贝氏体钢,与传统钢种相比其强度已不在依靠含碳量的增加,而是主要靠相变后得到细化的含有高密度位错的贝氏体晶粒、位错亚结构、MA 岛硬化相以及Ti 、Nb 碳氮化物沉淀析出[8],因此它的微观结构特征直接反映性能的特点。如图5为实验室下采用TM CP 工艺生产的钢板的SEM 和T EM

形貌。

图5 X100的S EM 和TE M 组织

Fig.5 SEM (a)and TEM (b e)m icrographs of pipeline s teel X100,and electron diffraction pattern (f)

经控轧控冷后变形奥氏体以切变和扩散的混合转

变方式发生相变,得到粒状贝氏体基体和板条贝氏体[9 10]。见图5(a)SEM 形貌,GB 取向明显,BF 分布在基体中形成的板条束对原奥氏体晶粒分割导致晶粒

十分细小。在TEM 下观察高倍透射显微组织,发现经快冷转变的晶粒内部有很高的位错密度,见图5(b),高密度位错团缠结在一起阻碍了变形时位错的进一步扩展,使得钢板具有较好的强度。观察图5(c)

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发现相同位向板条成束分布,相邻板条位向差为6 ~8 ,为小角度界面,不同位向的板条束呈大角度晶界,这种结构的存在能有效抵制变形时晶粒的协调变形和位错的迁移。图5(d)为单个板条形貌,板条宽度在300nm~500nm 之间,长宽比>4,界面处较平直,内部还保留一定密度的位错团,在板条界面之间,分布着片状薄膜状的M /A 。M /A 为硬化相,它能够有效地阻碍晶界的移动,如图5(c)(e)所示,明场相下为黑色条状,暗场下为亮白色,标定结果见5(f)。

可见X100的微观结构对性能的影响表现为:一方面相变形成GB 或BF 组织对形变奥氏体分割,得到不同位向的细化晶粒;另一方面通过切变产生的高密度位错累积在GB 或BF 中阻碍晶粒变形;另外控制相变引入部分MA 硬化相,分布在界面处阻碍晶界的迁移,从而进一步强化基体。3.4 析出物分析

对于本文所研究的X100在成分设计时采用微合金化技术加入适量的Nb 、T i,它们在加热阶段起阻止奥氏体晶粒的长大、细化原始奥氏体晶粒的作用;在轧制过程中形变诱导析出阻止奥氏体的再结晶;在冷却时大量沉淀析出,钉扎位错起到析出强化作用。通过双喷和萃取复形实验,在透射电镜下观察到的析出物如图6所示。

观察图6(a)在试验钢中发现大量析出物颗粒,析出位置处在晶界处或是高密度位错团中(图6(b)),析出物的尺寸、形貌有很大差别。对析出物进行尺寸统计分析(图(c)),发现大部分析出物尺寸较小:超过100nm 的只占12%,分布较为集中;73%的析出物尺寸在50nm 以下,且集中处于20nm ~30nm 之间并且分布较为弥散,这种尺寸范围的析出物使位错在绕过时能有效地被钉扎住,阻碍位错迁移,对析出强化的贡献较大[11]

。

图6 X100中的析出物(a)析出物的分布;(b)析出位置;(c)析出物尺寸统计

Fig.6 Precipitate in pipeline steel X100.(a)Distribution of the precipitates;(b)Position of a p recipitate;(c)His togram of the precipitate

sizes.

图7 析出物分析 (a)T i 的析出物形貌;(b)衍射斑点标定;(c)E DS 能谱分析;(d)Nb 的析出物形貌;(e)衍射斑点标定;(f)EDS 能谱分析Fig.7 Precipitate analysis of pipeline s teel X100.M orp hology of a Ti precipitate (a),its electron diffraction pattern (b)and EDS spectrum

(c);and morphology of a Nb precipitate (d),its electron diffraction pattern (e)and EDS sp ectrum (f);

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对析出物定性分析发现这些析出物可分为这样几类:第一类析出物数量较少,尺寸在100nm~150nm 之间,外形上呈正方形(图7(a)),EDS能谱分析显示Ti的原子百分比达93%(图7(c)),说明主要是Ti的析出物,电子衍射花样最终标定结果为T i(C,N)(图7 (b))。由于T iN析出温度较高,在开轧之前冷却过程中已经出现,随后TiC会附在TiN析出。这类析出物主要分布在晶界处,起到钉轧晶界阻碍奥氏体晶粒长大的作用。

第二类析出物数量较多,尺寸较小,在50nm以下,外形上呈圆形(图7(d)),EDS能谱分析显示Nb 的原子百分比为100%(图7(f)),说明全部为N b的析出物,电子衍射花样最终标定结果为Nb(C,N)(图7 (e))。这类析出物的析出温度较低,刚好处在轧制温度区间,因此在轧制过程中会大量形变诱导析出,这类析出对阻碍奥氏体再结晶和抑制晶粒长大效果明显。

此外还发现部分Ti、Nb的混合析出物,尺寸在50nm~80nm之间。虽然这些析出物的析出方式不同,在控制轧制过程中各阶段起到的作用不同,在快冷后这些析出物会弥散分布在基体中,由于析出物的存在,晶粒变形位错需绕过或切过,位错的扩展会更加困难。正是基于这种机理,析出物的存在为X100的高强度起到较大的贡献。

4 讨 论

高钢级管线钢是一类典型的低碳贝氏体钢,但是随成分体系和工艺制度不同组织形态差异较大,关于各种组织的定论仍说法不一。有关文献认为X100为针状铁素体(AF)、粒状贝氏体(GB)、板条贝氏体(BF)构成的复相组织。实际生产中为达到X100的强度级别,工艺上采取了低的终冷温度和大冷速,由于相变驱动力更大组织的构成应该是低温相产物,而不再有AF,因此,本文认为在满足性能的前提下X100的组织构成应该主要为GB和少量BF。另外,M/A岛这类精细结构在组织构成中往往未被提到,实际上M/A 的数量、分布形态对冲击韧性、屈强比等都有较大影响,所以X100的组织性能应该是由GB、BF、M/A的比例共同决定的。T EM观察发现GB基体中有较高的位错密度,BF中有大量不同位向的狭长板条束,板条束间分布的针状M/A薄膜,晶界处和位错团中弥散分布的(Nb、T i)(C、N)析出物,这些微观结构反映各类组织具有的特点,也从宏观上说明了复相组织的构成对性能的影响。因此,要成功开发出X100,组织控制是关键,为达到强度和韧性的要求,必须控制复相组织中GB、BF、M/A的合适比例。

5 结 论

1.X100的组织为GB、BF、M/A构成的复相组织,且各相比例对性能影响较大,通过控制成分和相关轧制参数(冷速、终冷温度)得到以GB为主的基体、少量BF加上弥散分布的细小M/A的组织能够得到很好的强韧性;

2.与普通低合金钢相比,X100的高强韧性主要依靠相变产生的不同位相的细化晶粒和高密度位错亚结构以及Ti、Nb的弥散析出;

3.试验钢中的析出颗粒大多在50nm以下,且集中处于20nm~30nm之间并且分布较为弥散,这种尺寸范围的析出物对析出强化的贡献较大,使得试验钢表现出较好的综合力学性能。

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