QLT工藝熱處理后X80管線鋼的顯微組織和力學性能

趙文蕾，趙 嵐，趙月紅

（秦皇島職業技術學院，秦皇島066100）

0 引 言

伴隨著中俄天然氣供應協議的簽訂，天然氣輸送問題再次引起全社會的廣泛關注。因天然氣的輸送距離長且輸送環境惡劣，因此，建設高壓、長距離輸送管線是保證長時期、大規模天然氣運輸的主要方法［1］。近年來，X80管線鋼成為普遍應用的高鋼級天然氣管道用鋼，是建設高壓、長距離輸送管線的理想用鋼。

據API5L標準，X80管線鋼的屈服強度應達到552～690MPa，抗拉強度達621～827MPa，屈強比不大于0.93，通常采用低碳、超低硫、鈮釩鈦微量合金化和控制組織的鉬合金化成分設計，經控軋、控冷得到針狀鐵素體組織，利用晶粒細化、微合金化元素的析出相和位錯亞結構等一些強化效應來達到性能要求。目前使用的X80管線鋼多為淬火、回火態管線鋼。傳統的淬火、回火工藝雖然能夠滿足該鋼性能上的要求，但是能夠滿足強韌性匹配要求的回火溫度區間比較窄（小于20℃），而回火溫度對力學性能的影響又比較大，特別是對低溫韌性的影響，所以回火溫度區間窄，沒有足夠的富余量，在生產上是不利于控制的［2］。在低溫用鋼領域，經常采用兩相區的二次淬火（QLT）工藝來代替傳統的調質處理，用以改善鋼的綜合性能，目前有關X80管線鋼進行QLT工藝處理的研究比較少。為穩定控制X80管線鋼的性能，作者采用不同回火溫度的QLT工藝對其進行熱處理，研究了回火溫度對其顯微組織與力學性能的影響。

1 試樣制備與試驗方法

試驗鋼在50kg真空感應爐內冶煉，采用鋁脫氧，不加稀土，其化學成分見表1。鋼坯在1 180℃保溫2h開坯后軋制成厚度為16mm的鋼板，開軋溫度不低于1 100℃，一階段終軋溫度不低于1 020℃，開冷溫度（800±10）℃，終冷溫度400℃，返紅溫度（450±10）℃；冷速為15～20℃·s-1。軋制態試驗鋼的顯微組織為粒狀貝氏體和板條貝氏體的混合組織。

采用熱膨脹法測得試驗鋼的臨界點Ac1為685℃、Ac3為850℃。將試驗鋼切割成200mm×200mm×16mm的試樣進行QLT熱處理，即先加熱至920℃，保溫40min后水冷；然后馬上在830℃進行臨界淬火處理，保溫時間為40min，水冷；最后在370～610℃進行回火處理，保溫時間為1h，空冷。

表1 試驗鋼的化學成分（質量分數）Tab.1 Chemical composition of the tested steel（mass） %

從不同溫度回火處理后的試樣上切割金相試樣，磨制拋光后用體積分數為4%的硝酸酒精溶液腐蝕，采用Axiover-200MAT型光學顯微鏡、S-3400型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察顯微組織。從不同溫度回火處理后的試樣上截取厚度為100～200μm的薄片，手工磨光后切割成直徑為3mm的薄圓片，采用雙噴的方法進行最終減薄，采用JOEL-2010型透射電子顯微鏡（TEM）觀察組織的精細結構與析出相；將金相試樣重新磨制拋光，采用Lapera腐蝕劑（體積分數為4%的苦味酸酒精溶液與質量分數為1%的硫代硫酸鈉水溶液按1∶1的比例配制）進行著色腐蝕，采用Axiover-200MAT型光學顯微鏡觀察M/A島的形態，并采用Image pro-plus軟件計算出M/A島的面積分數。

在熱處理后試樣上，沿軋制方向切取尺寸為φ10mm×150mm的標準拉伸試樣，按照GB/T 229-2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》，夾頭以3mm·min-1的恒定速度在MTS NEW810型拉伸試驗機上進行室溫拉伸試驗；在垂直于軋向上截取尺寸為10mm×10mm×55mm的標準沖擊試樣（無缺口），按照 GB/T 13239-2006在 NCS系列500J型儀器化擺錘式沖擊試驗機上進行沖擊試驗，試驗溫度為-20℃。

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

從圖1可見，在370～610℃回火后，試驗鋼的組織均為鐵素體和貝氏體，且在貝氏體的基體和邊界上還分布著 M/A島，M/A島的大小不一，尺寸較小的主要分布在貝氏體內部，尺寸較大的主要分布在貝氏體和鐵素體的晶界上；隨著回火溫度升高，鐵素體的數量明顯增多，且尺寸略有增大，而貝氏體和M/A島的數量顯著減少。

圖1 在不同溫度回火后試驗鋼的SEM形貌Fig.1 SEM morphology of tested steel after tempering at different temperatures

由圖2可見，當回火溫度為370℃時，從基體上開始析出（黑色）短棒狀碳化物；當回火溫度升高到490℃時，碳化物開始發生球化，并主要聚集在貝氏體板條邊界上；當回火溫度進一步升高到610℃時，碳化物明顯長大。

2.2 M/A島的形態與含量

由圖3可見，鐵素體基體為灰色，M/A島為白色；當回火溫度為370℃時，M/A島數量較多，尺寸較大，塊狀M/A島主要分布在鐵素體和貝氏體的晶界處，而尺寸較小、長條狀M/A島主要分布在貝氏體板條之間；當回火溫度升至490℃時，M/A島的數量明顯減少，尺寸也減小，此時由于貝氏體板條邊界不明顯，M/A島主要以塊狀分布于鐵素體邊界，并以粒狀分布于貝氏體內部，而且分布得更加均勻；當回火溫度升至610℃時，M/A島的數量進一步減少，非常細小的M/A島以小塊狀或粒狀在鐵素體邊界和貝氏體內部呈無序排列。

圖2 在不同溫度回火后試驗鋼的TEM形貌Fig.2 TEM morphology of tested steel after tempering at different temperatures

圖3 不同溫度回火后試驗鋼中M/A島的OM形貌Fig.3 OM morphology of M/A islands in tested steel after tempering at different temperatures

從表2可知，在370～610℃回火溫度區內，隨著溫度升高，試驗鋼中M/A島的面積分數由3.1%下降到1.4%；M/A島的平均尺寸由2.1μm減小到0.8μm。

表2 在不同溫度回火后試驗鋼中M/A島的分析結果Tab.2 Quantitative results of M/A island in tested steel after tempering at different temperatures

2.3 力學性能

由圖4可以看出，隨著回火溫度由370℃升至610℃，試驗鋼在室溫下的屈服強度從615MPa降至555MPa，抗拉強度則從780MPa降至635MPa，屈強比從0.78升至0.88。依此可以推測，屈服強度的下降是由α相基體的高溫回火軟化以及γ穩定化元素的再分配使得其在α相中的固溶強化作用被削弱這兩個因素共同造成的［3］。將QLT工藝中的回火溫度控制在370～610℃，可以使試驗鋼同時滿足屈服強度和抗拉強度的要求。

圖4 在不同溫度回火后試驗鋼的拉伸性能Fig.4 Tensile properties of tested steel after tempering at different temperatures

圖5 在不同溫度回火后試驗鋼的低溫（-20℃）沖擊功Fig.5 Low-temperature（-20℃）impact energy of tested steel after tempering at different temperatures

由圖5可見，試驗鋼在-20℃的沖擊功隨著回火溫度升高而顯著增大。

試驗鋼組織中M/A島的含量和尺寸對其低溫韌性具有重要影響［4］，粗大的 M/A島本身并不具備大的塑性變形能力，且容易誘發裂紋，使試驗鋼在裂紋擴展后發生解理斷裂。經回火處理后，M/A島分解，其含量降低，尺寸減小，且分布得更加彌散，在細小的M/A島上不易形成裂紋，且裂紋擴展到細小的M/A島處時會發生路徑偏轉，單位裂紋擴展路徑較小，因此回火后的M/A島可有效改善試驗鋼的低溫沖擊韌性［5］。隨著回火溫度升高，M/A島的分解程度不斷增加，因此低溫沖擊功不斷增大。兼顧沖擊韌性和強度，回火溫度控制在430～490℃較好。

3 結 論

（1）經QLT工藝處理的試驗鋼在370～610℃溫度區間回火后均形成了由鐵素體、貝氏體和M/A島組成的混合組織；隨著回火溫度升高，鐵素體數量增多、尺寸略有增大，貝氏體和M/A島的數量顯著減少。

（2）隨著回火溫度升高，試驗鋼的屈服強度與抗拉強度均呈下降的趨勢，-20℃的沖擊功明顯升高，屈強比則從0.78升至0.88。

（3）將QLT工藝處理中的回火溫度控制在430～490℃，可以使試驗鋼得到良好的強韌性匹配。

［1］孔祥磊，黃國建，黃明浩，等.X80管線鋼成分工藝與組織性能研究［J］.熱加工工藝，2012，40（24）：20-23.

［2］羅小兵，楊才福，柴鋒，等.兩相區二次淬火對高強度船體鋼低溫韌性的影響［J］.金屬熱處理，2012（9）：71-74.

［3］楚覺非，雷曉榮，何烈云，等.5NiCrMo低溫鋼 QLT熱處理工藝研究［J］.燕山大學學報，2013，37（2）：102-106.

［4］張敏，楊亮，陳飛綢，等.X100管線鋼埋弧焊焊接接頭的組織性能［J］.機械工程材料，2013，37（9）：6-8.

［5］魯修宇，劉靜，王貞，等.一種新型超低碳X120管線鋼的顯微組織［J］.機械工程材料，2012，36（9）：43-46.