高溫形變量對X70管線鋼組織性能的影響

麻力 虞毅

1. 海洋石油能源發展油田建設工程公司，天津塘沽 300452

2. 中海福建天然氣有限責任公司，福建福州 350000

高溫形變量對X70管線鋼組織性能的影響

麻力1虞毅2

1. 海洋石油能源發展油田建設工程公司，天津塘沽 300452

2. 中海福建天然氣有限責任公司，福建福州 350000

管線鋼在高溫形變過程中，其組織和性能將發生變化。本文采用熱模擬試驗方法、力學性能測試技術及顯微分析技術研究了不同高溫形變量對X70管線鋼組織-性能的影響規律。結果表明：隨著形變量的增加，可使得X70管線鋼的沖擊韌性增加，韌性增加的原因是由于形變造成了針狀鐵素體和M/A組元的細化和鐵素體中位錯密度的增加。

高溫形變；X70管線鋼；組織；性能

本文將以目前海洋石油中應用的最高鋼級管線鋼X70為對象，研究材料在高溫形變過程中組織性能的變化規律，為海洋管線彎管的研究應用提供理論基礎，

1 試驗材料和實驗方法

1.1 試驗材料

實驗材料為X70管線鋼。

試樣位于板厚中部（沿板厚方向兩側加工）沿板材橫向取樣，即試樣長度方向垂直于鋼板軋向。采用冷加工方式加工到10.5× 10.5×55mm的試樣。

1.2 熱模擬試驗

熱模擬技術是管線材料科學研究中的重要手段之一，采用熱模擬試驗裝置進行熱模擬試驗不但可以模擬鋼材經受的熱過程，而且可以模擬鋼材經受的應力、應變過程，從而可以研究石油管工程材料經受不同的加熱、冷卻、應力、應變循環對組織、性能的影響，為管線材料研究、正確選材和失效分析提供依據。采用熱模擬技術可以用較少的材料和費用取得較好的實驗結果，節省時間和費用，已成為材料組織性能研究及熱加工工藝的重要方法。

1.3 試驗內容及步驟

實驗在Gleeble-1500熱模擬機上進行。采用熱模擬實驗技術研究不同變形量奧氏體經工藝處理后組織轉變的特征將試樣以20℃/s的加熱速率加熱到變形溫度950℃，保溫5min，之后再以不同的形變量進行形變處理，形變量分別為0.1、0.2、0.4、0.6，形變速率為0.1/s。變形后以60℃/s 的冷卻速率冷卻到室溫，之后再在箱式爐中進行550℃保溫1小時的回火處理。

將處理完的試樣進行進一步精加工，加工成10×10×55mm的標準沖擊試樣，并開制V型缺口，在-20℃下進行沖擊韌性試驗。對試樣進行磨制和拋光處理，并采用4%的硝酸酒精溶液進行腐蝕，之后進行金相光學和透射電鏡組織觀察。光學顯微組織分析在RECHART MEF3A型顯微鏡上進行，透射電子顯微分析在JEM 200CX型顯微鏡上進行，掃描電子顯微分析在S—360型顯微鏡上進行。

2 試驗結果及分析

不同形變量下X70管線鋼沖擊韌性的實驗結果如圖1所示。

圖1 不同形變量對X70管線鋼韌性的影響

由圖1可以看出，隨著形變量的增加，X70管線鋼的沖擊韌性呈現逐漸增大的變化趨勢。仔細觀察還可以看出，在較小的應變量下（0.2%以下），沖擊韌性的增加趨勢較大，而當形變量較大時（大于0.2%），沖擊韌性的增加量較小。

材料性能的變化是由材料的微觀組織所決定的。圖2為不同應變量下試驗鋼的光學顯微組織。

由圖2可以看出：在不同的形變量下，試驗鋼的顯微組織都由板條狀的貝氏體鐵素體、粒狀鐵素體和少量的多邊形鐵素體組成。但各組織的形態、數量和尺寸則隨著形變量的增大而變化。在形變量為0時（圖2(a)，貝氏體鐵素體占據了大多數，粒狀鐵素體和多邊形鐵素體含量較少,此時的晶粒尺寸較大，為40～50微米左右。隨著形變量的增加，可以很明顯地看到，晶粒的尺寸顯著減小，組織更加均勻(圖2(d))，粒狀鐵素體的含量有所增加，因而材料的沖擊性能得到了一定的提高。

形變促使材料性能變化的原因之一，是因為形變過程促使奧氏體晶粒減小和變形帶的形成，從而促使相變核心增多，有利于細小針狀鐵素體的獲得（圖3）。這時可觀察到沿形變核心多位向形成的板條（圖4）。隨形變量的增加，針狀鐵素體和M-A細化，有利于材料性能的提高。

形變促使材料性能變化的另一原因，是因為形變促使位錯密度增加。圖5顯示了在不同形變量下板條貝氏體和針狀鐵素體中位錯密度的變化。材料位錯密度的增加有利于材料強韌性的提高。

圖2 不同形變量下X70管線鋼的光學顯微組織 400X

圖3 試驗鋼針狀鐵素體形態

圖4 多位向針狀鐵素體形態

圖5 不同形變量下的位錯密度

3 結論

利用熱模擬實驗方法研究了管線鋼X70管線鋼在高溫變形后的組織與性能的轉變規律所得結論如下：隨形變量的增加，X70管線鋼的韌性增加。隨形變量的增加，針狀鐵素體和M-A細化，貝氏體鐵素體和粒狀鐵素體中位錯密度的增加，有利于材料沖擊韌性的提高。

[1] 高惠臨,張驍勇,馮耀榮,等. 管線鋼的研究進展[J].機械工程材料.2009, 33(10):1-4

[2] 張驍勇,高惠臨. X70管線鋼感應加熱彎管工藝參數的熱模擬試驗[J].熱加工工藝. 2005,35(9): 34-38

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.13.059