高鋼級管線鋼TEM顯微組織分析

張小立,馮耀榮,王亮亮

(1.中原工學院,鄭州450007;2.中國石油天然氣集團公司管材研究所,西安710065)

高鋼級管線鋼TEM顯微組織分析

張小立1,馮耀榮2,王亮亮1

(1.中原工學院,鄭州450007;2.中國石油天然氣集團公司管材研究所,西安710065)

對X70到X100鋼級管線鋼的透射組織進行了微觀分析和研究,并對其組織和力學性能的對應關系進行了研究.結果表明,隨著鋼級的提高,微觀組織中針狀鐵素體增加,MA島數量增加,位錯密度增加.該結果和管線鋼的力學性能變化相對應,和其所對應的TMCP工藝相吻合.

高鋼級管線鋼;TEM顯微組織;力學性能;MA島

中國隨著經濟的強勁增長,對石油天然氣等能源的需求也相應增加.這意味著從中亞和西伯利亞到中國東北部有必要建設一巨大的長距離管線輸送網絡工程.而長距離管線輸送的關鍵在于不斷提高其工作壓力,降低單位輸送成本,且通過減少其管壁厚度來減少鋼材用量及相關建設費用.鑒于此,長距離輸送則要求更高鋼級的高強度管線鋼管,同時還要求鋼管有高韌性,特別是很高的CVN.因此,近年來開發更高強度管線鋼的經濟驅動力不斷增加.曾在國際標準中處于最高鋼級的X70已被X80所取代,X100和X120國際標準的草稿業已推出.

我國的高鋼級管線鋼發展應該說剛剛起步,西氣東輸管道工程在我國首次成功使用了 X70鋼級管線管,陜京二線輸氣管道和正在建設的中石化出川管線使用了同樣管材.今后會有更多的輸氣管道使用高鋼級管材.

管線鋼組織和性能的研究是一個傳統的話題,也是連接材料使用與制備的一個承上啟下的重要環節.在一些有關于新一代傳統材料專門研究的高校里,有該方面的專業設置方向,如組織與性能的關系,制備與加工過程的工藝優化,顯微組織的定量表征與組織-性能定量關系等.

在材料組織性能及其相互間關系(如圖1所示)研究中,由于鋼鐵生產過程的復雜性,顯微組織與力學性能的演變及關系是控制產品質量的重要一環,也是為達到生產出高質量產品而進行的基礎研究.

圖1 組織與性能研究的關系

本文主要對系列管線鋼 TEM組織特征進行分析研究.

1 試驗方法

選擇了國內3個廠家的X80級管線鋼和1個國外廠家的X70和X80級管線鋼及國外X100級管線鋼進行研究.利用JEM-200CX透射電子顯微鏡進行各鋼級管線鋼TEM組織特征分析.

2 試驗結果

透射電鏡分析表明,X80管線鋼中MA島較少,鐵素體類型為等軸狀、條狀和針狀.而X70管線鋼中,以等軸鐵素體為主,存在馬氏體島、部分針狀鐵素體和少量條狀鐵素體.在X100管線鋼中,針狀鐵素體內部存在大量的MA島,在鐵素體晶界有MA島存在,也有部分馬氏體條;同時也以針狀鐵素體為主,存在部分條狀鐵素體,位錯密度增加.

可見,隨著鋼級的增加,鐵素體由等軸狀向針狀過渡并增加,MA島數量增加(如圖2所示),位錯密度增加.從而使得隨著鋼級的增加,強度不斷提高,而又能保持一定的韌性值.

圖2 管線鋼中的MA島

2.1 X70管線鋼 TEM顯微組織分析

X70鋼的組織主要呈現鐵素體+馬氏體小島,如圖3所示.其鐵素體形態主要為等軸形貌,而條狀鐵素體很少,如圖4所示.在觀察中同時發現馬氏體島較大,如圖5所示.

2.2 X80管線鋼 TEM顯微組織形貌

研究表明,國內 X80鋼級管線鋼屬于半成熟產品.對幾個不同廠家的X80管線鋼的 TEM組織研究表明,組織略有不同.這和作者以前所報道的其力學性能的變化是一致的[1].

(1)1#廠家X80管線鋼的組織形貌主要呈現鐵素體+MA島,如圖6所示.

鐵素體有呈等軸狀的,也有呈條狀的,如圖7、圖8所示.總體觀察,M A島較少.(2)2#廠家X80管線鋼的組織形貌主要呈條狀、針狀和等軸鐵素體的共存形貌,并且鐵素體較寬,約500 nm,如圖9-圖11所示.

同時,發現MA島少而小,并伴有Fe3C條以及馬氏體島,馬氏體島有大有小,如圖12-圖15.

該X80鋼組織形貌主要呈條狀鐵素體+等軸鐵素體,在鐵素體條界上存在馬氏體島.同時可觀察到,條狀鐵素體明顯多于等軸鐵素體,并且晶粒比較粗大,如圖16、圖17所示.

圖16 條狀鐵素體(20000×)

X80鋼中MA島形貌如圖18所示.

(3)3#廠家X80鋼的組織形貌主要是以等軸鐵素體、少量針狀鐵素體以及馬氏體島為主,很少能觀察到條狀鐵素體,其等軸鐵素體晶粒細小,約為 1～2μm,如圖 19、圖 20 所示.

針狀鐵素體的形貌如圖21所示;組織中馬氏體島的形貌如圖22所示.

2.3 X100管線鋼TEM顯微組織形貌

X100組織形貌主要是條狀鐵素體和針狀鐵素體,其中條狀鐵素體里含有滲碳體,針狀鐵素體里含有MA島,并且MA島含量較多,如圖23、圖24所示.

在組織中同時可觀察到板條馬氏體,如圖25所示.此外,可觀察到由于變形位錯密度增加,有位錯繞結和位錯包出現,如圖26、圖27所示.

3 討 論

從各高級管線鋼的透射組織可以看出,隨著鋼級的增加,TMCP過程的冷卻速度增加.隨冷卻速度增加,過冷度增加,形核驅動力增加,從而增加了相變時鐵素體的形核率,細化了鐵素體組織.

由X70到X100管線鋼的透射組織表明,其組織特征逐漸由多邊鐵素體向針狀鐵素體發展,貝氏體含量逐漸增多.一般認為,多邊形鐵素體不是管線鋼理想的組織形態.斷口金相分析表明,裂紋在通過多邊形鐵素體時,經常呈直線擴展,在斷裂面出現較大的解理臺階.另外,珠光體也是需要控制的組織相.研究結果表明,隨著珠光體體積分數的增加,材料上平臺能下降.

資料表明[2],對于X80和X100管線鋼,盡管二者的Pcm值相當,但 X100管線鋼的抗拉強度(759～923 M Pa)比X80管線鋼的抗拉強度(646～805 M Pa)高許多,這表明控軋技術發揮了充分作用.

同時透射電鏡組織研究表明,奧氏體未在再結晶區變形,造成了以位錯、形變帶和胞狀組織等形式組成的應變積累奧氏體.應變積累不僅可以增加鐵素體形核位置和形核率,而且可以產生形變誘導鐵素體[3]和鐵素體的動態再結晶,使晶粒細化.

由于2#和3#X80管線鋼擁有較細小的鐵素體組織和細小彌散的MA島,其表現出優異的強度性能和屈強比,如圖28、圖29所示.

M A的體積分數受化學成分、ACC及加熱狀況的影響[4].圖30、圖31表明了MA的體積分數對屈強比的影響.較低的屈強比(低于80%)可以通過增加MA的體積分數至5%以上而得到.該規律表明了管線鋼由X70到X100高鋼級發展的設計思路.

4 結 語

對X70、X80和X100管線鋼TEM顯微組織的分析表明,隨著管線鋼向高鋼級發展,針狀鐵素體含量逐漸增加,且位錯密度增加,MA島數量增加;各鋼級管線鋼TEM組織分析結果和其力學性能相對應.研究表明,X80管線鋼擁有較細小的針狀鐵素體組織和細小彌散的MA島時,表現出優異的強度性能和屈強比;隨著管線鋼由X70到X100發展,MA島增加,強度增加而屈強比下降,這是管線鋼發展的組織設計思路.

[1]張小立.X80高鋼級管線組織圖譜[J].中原工學院學報,2010,21(4):4-10.

[2]張紅梅,王宏斌,劉振宇,等.X70微合金管線鋼組織中針狀鐵素體細化機制的研究[J].材料熱處理學報,2006,27(6):99-102.

[3]黃開文.X80和X100鋼級管線鋼的合金化原理和生產要點[J].軋鋼,2004,21(6):55-58.

[4]Mauro Pontremoli.A New generation of U ltra-high Strength X100/120 Pipelines:A Breakthrough fo r Economic Long-distance Gas Transportation[DB/OL].[2010-09-25](2005-06-19).http://www.isope.org/conference/2005/PAP-2005-0121-JPwe.pdf.

The TEM M icrostructure of High Grade Pipeline Steels

ZHANG Xiao-li1,FENG Yao-rong2,WANG Liang-liang1
(1.Zhongyuang University of Technology,Zhengzhou 450007;2.Tubular Goods Research Centre,CNPC,Xi’an 710065,China)

The TEM of X70 to X100 w ere studied in this paper,and the co rresponding relationship sw ith mechanical p ropertieswere also exp lored.The results showed that as the steel grade imp roved,the acicular ferrite increased,the amount of M A island increased,and the density of dislocation w ere increased too.These attainments are agreed w ith mechanical p roperties of pipeline steels and their TMCP p rocesses.

high grade pipe line steels;TEM;mechanical p roperties;MA island

TG142.1

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2011.01.001

1671-6906(2011)01-0001-06

2010-09-28

博士后基金項目(20060390319)

張小立(1969-),女,甘肅武威人,高級工程師,博士.