微量Ce對退火高級別管線鋼組織結構的影響

牛鵬勇，王 昕，王社斌，b

（太原理工大學a.材料科學與工程學院；b.新材料界面科學與工程教育部重點實驗室，太原 030024）

近年來，隨著國內石油、天然氣和煤層氣工業的快速發展，管線鋼用量和級別不斷提高。為滿足管線鋼日益惡化的服役條件，對其質量提出愈來愈苛刻的“超高純，超均質，超細化”要求；對其使用性能提出 “高強度，高韌性，可焊接性強”的要求，超高強度管線鋼管的應用也顯著地節省長距離天然氣輸送管線的總成本[1]。因此，近年來對超高強鋼的研制與開發得到了國際同行的高度重視。

高級別管線鋼以針狀鐵素體（AF）＋馬奧島（M／A）雙相組織為主，但在生產應用過程中組織發生的相變會對鋼材的性能產生較大影響，國內外鋼鐵企業主要利用TMCP（Thermo Mechanical Control Process）工藝控制 AF、GF（粒狀鐵素體）、QF（塊狀鐵素體）和M／A微觀組織比例，提高其力學性能[2]。高真風等人對高級別管線鋼組織與韌性的關系進行了大量的研究[3-7]，而研究開發高強度、高韌性、可焊接性強的高級別管線鋼的適宜金相組織，及其該組織在連鑄、軋制和焊接過程中的演變規律鮮見報道。

本研究用真空感應爐熔煉4組含不同微量Ce的試樣鋼，研究、分析和探討微量Ce元素對退火高級別管線鋼顯微組織的影響及其機理，以期為低成本開發高強韌性、可焊接性強的高級別管線鋼，為拓展稀土元素在鋼中應用范圍提供基礎實驗數據。

1 實驗方法

用ZG0.025-100-2.5型真空感應爐在800Pa的Ar氣氛中熔煉4組不同Ce含量的鋼棒，然后把鋼棒加熱到1373±20K，鍛造成?18mm的棒材（終鍛溫度為1023～1123K），自然冷卻至室溫。其化學成分如表1所示。

表1 實驗鋼的化學成分 （質量分數） %

用線切割從棒材上截取27mm×10mm×10mm的試樣，分別放入SX3-6-14電阻爐中，按10K／min升溫至1223K后，保溫30min，隨爐冷卻至室溫。

分別用不同型號水磨砂紙對試樣橫斷面依次研磨、拋光，用蒸餾水和酒精棉清洗，待試樣烘干后，用4%（體積分數）硝酸酒精浸蝕。采用GX60型高級三目倒置金相顯微鏡觀察其金相組織，用JSU-6700F掃描電鏡（SEM）和EDAXGENESIS型能譜分析儀（EDS）觀察、分析和表征其微觀組織和夾雜物形貌、尺寸、數量、分布及物相。

2 結果與討論

2.1 Ce含量對鐵素體晶粒尺寸和M／A島微觀形貌的影響

2.1.1 Ce含量對鐵素體晶粒尺寸的影響

圖1為不同Ce含量退火試樣的金相顯微組織照片，可以看出它主要由大量鐵素體（灰白色）＋少量珠光體（黑色）組成。采用Nano Measure 1.2粒徑分布計算軟件測算得出：當Ce的質量分數為0%時，退火試樣的平均鐵素體晶粒尺寸為9.28μm；當Ce的質量分數為0.0374%時，其平均晶粒尺寸降至5.58μm。由此可知，在鋼液中添加微量Ce元素，可使試樣的晶粒尺寸減小近一倍左右。鋼液中的表面活性元素Ce即使有微量的增加，也可增大鋼材相變時的過冷度，增加形核驅動力和單位體積的形核數量[8-9]。同時，在奧氏體變為α＋Fe3C的相變過程中，比Fe原子半徑（Fe共價半徑為0.1210 nm）大55%的Ce原子（Ce共價半徑0.1650nm）偏聚于晶界、亞晶界處，有效地拖拽著Fe原子向相變前沿擴散遷移而限制晶粒的長大。熱力學與動力學的作用可有效抑制晶粒長大，從而細化鋼材基體組織，為提高鋼材的強韌性能奠定了基礎。

圖1 不同Ce含量試樣退火后的金相照片

2.1.2 Ce含量對M／A島微觀組織形貌的影響

由圖2可見，M／A島呈亮白色浮凸狀，灰白的塊狀組織是塊狀鐵素體（QF），黑色的基底是針狀鐵素體（AF）被腐蝕后留下的形貌組織。

由圖2可知，當w[Ce]＝0%時，試樣鋼組織中鐵素體基體內M／A島呈塊狀且分布不均勻，其平均尺寸為2.22μm；當w[Ce]＝0.0052%時，試樣鋼組織中M／A島呈點狀且均勻分布，其平均尺寸降為2.09μm。隨著Ce含量的增加，當w[Ce]＝0.0167%和w[Ce]＝0.0374%時，其中 M／A島的分布十分彌散。對X100、X120級管線鋼而言，這樣彌散的組織特征被證明是最佳選擇[10]。當w[Ce]＝0.0167%時，平均粒徑為5.85μm，M／A島呈點狀或少量細條狀彌散分布，平均尺寸為1.40μm；當w[Ce]＝0.0374%時，平均粒徑為5.58μm，M／A島呈點狀或細條狀彌散分布于晶粒內部，平均尺寸為1.23μm。隨著Ce含量的增加，M／A島形狀的分布大大提高了管線鋼的強韌性。不同Ce含量的退火后試樣鋼，所得組織中M／A島的微觀特征參數如表2所示。

圖2 不同Ce含量試樣退火后M／A的SEM照片

表2 不同Ce含量試樣中M／A島的微觀特征參數

2.2 Ce含量對夾雜物形態和晶內鐵素體形成的影響

2.2.1 Ce含量對夾雜物形態的影響

鋼基體中的夾雜物形態對其韌性有很大影響，所以有必要通過掃描電鏡和能譜儀對夾雜物的形貌和物相進行分析。

圖3（a，e）是退火后w[Ce]＝0%的試樣中典型夾雜物的SEM像和EDS能譜圖。從中可知，當w[Ce]＝0%時，夾雜物呈不規則形態，且平均尺寸為2.39μm，棱角鮮明，尺寸較大，形成 MnS-SiO2系，加工時發生熱脆，使鋼材的性能惡化；圖3（b，f）是w（Ce）＝0.0052%的試樣中典型夾雜物的SEM像和EDS能譜圖，夾雜物平均尺寸為2.11μm大小的類橢球狀物，體積依然較大，但棱角慢慢消失，邊緣出現鈍化，形成Si-Ti-Ce-O系；圖3（c，g）是w（Ce）＝0.0167%的試樣中典型夾雜物的SEM像和EDS能譜圖，此時夾雜物顯示為平均尺寸2.02μm的球狀物，與圖3（a，b）中的夾雜物相比有顯著變化，尺寸非常小，且呈球狀，形成MnS-Ce-O系，說明Ce元素把長條不規則的MnS轉變為球狀的MnS，球狀MnS各向同性，能明顯提高鋼材的韌性；圖3（d，h）是w（Ce）＝0.0374%的試樣中典型夾雜物的SEM像和EDS能譜圖，其夾雜物平均尺寸為1.86μm左右的球狀物，尺寸也明顯減小，形貌為球狀，無尖角，可能不會影響鋼材的韌性，會變成有益的組織，形成MnS-Ti-Ce-O系。

由以上分析可見，隨鋼液中Ce含量的增加，夾雜物不僅改變了形貌（由棱角鮮明的不規則形狀變成了球形）、減小了尺度（由2.39μm 減到1.86 μm），而且其組成也發生變化。說明在高級別管線鋼中加入Ce元素，可實現夾雜物變形，并減小夾雜物尺寸[5]，為提高鋼的力學性能奠定了基礎。

2.2.2 Ce含量對晶內鐵素體形成的影響

鋼中含Ce復合夾雜可以有效誘導晶內鐵素體形核析出，改善鋼的組織和性能[11-14]。同時，晶內鐵素體的形核與形核夾雜物的類型、尺寸、形狀及奧氏體晶粒大小、冷卻速率等因素均有密切關系。

在光學顯微鏡下，觀察退火后不同Ce含量的試樣中夾雜物誘導晶內鐵素體形核的情況，如圖4（a）所示。可以看出，在w[Ce]＝0.0347%時，試樣中存在許多由夾雜物（如A）誘導形核呈放射狀分布的晶內針狀鐵素體組織（IAF）；并可看到在針狀鐵素體片條間又長出了新的針狀鐵素體，即針狀鐵素體的感生形核現象[15]。晶內鐵素體的感生形核是由于一次晶內鐵素體在夾雜物上形核后有較高的界面能及高密度的位錯，具有高的應力-應變能，促進了二次晶內鐵素體形核長大[16]。一次針狀鐵素體和感生形核二次鐵素體均在原奧氏體晶內形核、長大，故可使組織進一步得到細化。

通過SEM、EDS觀察夾雜物尺寸和組成對晶內鐵素體形核的影響進行研究，如圖4-b所示。從圖中可以看出，具有誘導晶內鐵素體形核作用的夾雜物（如B）主要為球形Ce-O-Ti及MnS復合夾雜物，夾雜物尺寸多在1～3μm之間。

圖4 含Ce退火試樣鋼以夾雜物為形核點的形貌

綜上所述，不同Ce含量的試樣鋼存在大量細小彌散分布的含Ce復合夾雜物，可作為晶內鐵素體的形核核心，誘導晶內鐵素體形核，形核夾雜物尺寸多在1～3μm之間。此外，晶內部分針狀鐵素體可促進感生形核現象細化組織，這種相互交叉、互鎖連接的鐵素體板條，能夠更好地提高鋼材的強度和韌性[17]。

3 結論

高級別管線鋼試樣經（1223K，30min）退火處理后，隨著Ce含量（質量分數）的增加（0～0.0374%），針狀鐵素體尺寸由9.28μm降為5.58μm，組織得到了明顯細化；M／A島形狀由塊狀不均勻分布變成點狀或細條狀彌散分布，且平均尺寸由2.22 μm降為1.23μm，大大提高了鋼的強韌性；獲得了較多細小、彌散分布的含Ce復合夾雜物，可作為晶內鐵素體的異質形核核心誘導晶內鐵素體形成，并可促使出現感生形核現象，具有形核效果的夾雜物一般在1～3μm之間。

[1]高珊，鄭磊，章傳國.超高強度系列管線鋼厚板的研制[J].世界鋼鐵，2009（5）：1-6.

[2]趙英利，時捷.X120級超高強度管線鋼生產工藝研究現狀[J].特殊鋼，2009（5）：25-27.

[3]高真風，黃維.俄羅斯高強度管線鋼焊接接頭熱影響區組織及性能研究[J].焊管，2012（10）：67-72.

[4]辛希賢.針狀鐵素體管線鋼焊接熱敏感性的研究[J].焊管，2005（5）：15-20.

[5]杜偉.X120管線鋼焊接試驗及分析[J].焊管，2011（1）：25-29.

[6]趙輝，胡水平.X120管線鋼焊接熱影響區的模擬研究[J].熱加工工藝，2010（1）：20-23.

[7]喬桂英，李建龍.X120管線鋼焊接熱影響區組織與韌性研究[J].燕山大學學報，2011（6）：528-532.

[8]回春華，李廷舉，金文中.稀土對4137H 鋼純凈度、過冷度、組織及性能的影響[J].鋼鐵研究學報，2009，21（4）：8-12.

[9]余宗森，褚幼義.鋼中稀土[M].北京：冶金工業出版社，1982.

[10]張小立，馮耀榮，趙文軫高鋼級管線鋼顯微組織的演變[J].特殊鋼，2008，29（2）：41-43.

[11]文彬.鈰和鎂在氧化物冶金中應用的基礎研究[D].北京：北京科技大學，2011.

[12]文彬，宋波，潘寧，等.Ce對16Mn鋼中夾雜物和組織的影響[J].中國稀土學報.2010，28（6）：728-733.

[13]Wen B，Song B，Pan N，et al.Influence of Ce on Characteristics of Inclusions and Microstructure of Pure Iron[J].Journal of Iron and Steel Research，Internationa，2011，18（2）：38-44.

[14]Wen B，Song B，Pan N，et al.Effect of austenitizing temperature on microstructure in 16Mn steel treated by cerium[J].International Journal of Minerals，Metallurgy and Materials，2011，18（6）：652-658.

[15]Ricks R A，Howell P R，Barritte G S.The nature acicular ferrite is HSLA steel weld metals[J].Journal of Materials Science，1982，17（3）：732-740.

[16]余圣甫，余陽春，謝明立，等.二次熱循環對晶內鐵素體的影響[J].焊接學報，2003，24（2）：89-96.

[17]Tomita Y，Saito N，Tsuzuki T，et al.Improvement in HAZ toughnes s of steel by TiN-MnS addition[J].ISIJ International，1994，34（10）：829-835.