高NbX80管線鋼M/A島研究

韓 晨，孫付濤

﹙中色科技股份有限公司，河南 洛陽471039﹚

高NbX80管線鋼M/A島研究

韓 晨，孫付濤

﹙中色科技股份有限公司，河南 洛陽471039﹚

以高Nb X80管線鋼為研究對象，對鋼中M/A島的大小、形貌和分布特征進行了分析。結果表明，冷卻速度的提高使鋼中M/A島尺寸更為細小，分布更為彌散、均勻，形貌趨于圓形或球狀，有利于提高管線鋼的力學性能；相同的冷卻速度下，提高Nb含量可以促進了條狀M/A島的生成，說明高Nb含量促進了M/A島從點狀、塊狀向條狀的轉變；合金成分和冷卻速度的調整可以減少M/A島對鋼性能產生的不利影響。

高Nb鋼；X80管線鋼；M/A島；合金成分；冷卻速度

0 前 言

隨著社會和經濟的快速發展，以長距離、高壓力和大管徑為特征的管道越來越多的出現在石油天然氣輸送工程中，這對管線用鋼的綜合力學性能尤其是強度和韌性提出了更高的要求[1-3]。

M/A島是低C微合金鋼連續冷卻轉變為貝氏體時，在形成板條鐵素體的過程中，C在剩余奧氏體內逐漸富集而形成的一種成分。對于高Nb X80管線鋼而言，M/A島主要是富C奧氏體難以保留至室溫，在冷卻時轉變為馬氏體而形成的。M/A島組織與F－P鋼中的珠光體不同，后者是高溫共析轉變產物，尺寸較大，分布于鐵素體晶粒的交會點，而貝氏體鋼中富C組成物的分布更為均勻，尺寸更為細小，這可能是貝氏體鋼在保持高強度水平的同時仍具有良好的韌性的原因之一。然而M/A島畢竟是脆性組成物，它對管線鋼的韌性存在不良作用，因此M/A島也是低C貝氏體的一個組織特征，M/A島的數量、大小、形態及分布對管線鋼的強韌性及HIC抗力有一定的影響[4-6]。目前，關于M/A島特征影響因素的研究較少，從理論上分析主要還是成分和冷卻速度。

為了分析高Nb X80管線鋼中M/A島的組織特征，并得出冷卻速度和高Nb含量對其大小、形狀、分布特征的影響，筆者利用Gleeble－2000熱模擬試驗機、金相顯微鏡、掃描電鏡和透射電鏡等對某企業生產的高Nb X80管線鋼進行了觀察分析。同時，通過和低Nb X80管線鋼中M/A島的對比，得出了高Nb含量對M/A島產生的影響，并提出了M/A島的工藝控制措施。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

試驗材料選擇某企業生產的高Nb、低Nb X80管線鋼連鑄坯，鍛打后進行取樣試驗，其主要化學成分見表1。

表1 試驗用鋼化學成分 %

1.2 試驗規程

為了更好地反映生產實際，熱模擬試驗進行了兩階段的變形和相應的冷卻工藝，變形分別在奧氏體再結晶區及未再結晶區進行。

控軋控冷工藝試驗規程：將規格為φ10 mm×15 mm的高Nb、低Nb X80管線鋼圓柱形熱模擬試樣以50℃/s的速度加熱到1 100℃，然后再以10℃/s的速度加熱到1 220℃并保溫3 min。然后以2℃/s的速度冷卻到1 100℃進行第一道次壓下，壓下量為5 mm（壓下率33.3%），應變速率3 s-1。然后再以2℃/s的速度冷卻到930℃進行第二道次壓下，壓下量為5mm（壓下率50.0%），應變速率10 s-1。其中降溫到1 100℃和930℃時，在壓下前各保溫10 s，以消除溫度梯度。變形結束后以2℃/s的速度冷卻到850℃，再以15℃/s和25℃/s的冷速分別冷卻到530℃，然后空冷至室溫。

將經過熱模擬試驗后的試樣沿兩個熱電偶所在的平面進行分切，然后根據試驗需要進行制樣、研磨、侵蝕或拋光，并分別置于金相顯微鏡、掃描電鏡和透射電鏡下進行微觀組織的觀察和分析。

2 高Nb鋼M/A島組織特征

以15℃/s的冷速從850℃冷卻到530℃的高Nb X80管線鋼的金相顯微組織和掃描電鏡組織（SEM）如圖1所示。

圖1 試驗用高Nb X80管線鋼的微觀組織

從圖1（a）可以看出，高Nb X80管線鋼整體晶粒尺寸較小，組織中存在粒狀貝氏體、針狀鐵素體和塊狀鐵素體，并以粒狀貝氏體組織為主。圖1（b）中可以看出，M/A島狀組織多為點狀或長條狀，尺寸較小，分布也很均勻，主要以彌散狀態分布在貝氏體和鐵素體的晶界和晶內。

高Nb X80管線鋼在冷卻轉變為貝氏體時，在形成板條鐵素體的過程中，C在剩余奧氏體內逐漸富集。由于相變溫度高，相變驅動力小，轉變不能進行到底，少量奧氏體殘留下來，以島的形式分布于板條間，同時在大角度晶界上也常有小島存在，這應該是C沿晶界擴散較快的原因。

在高Nb X80管線鋼M/A島的控制上，筆者通過在總壓下量一定的情況下，分配奧氏體再結晶區和未再結晶區的壓下量分別為23.3%和56.5%，33.3%和50.0%，壓下量43.3%和41.2%進行試驗分析和對比。試驗得出了在滿足33.3%和50.0%兩階段分配壓下量基礎上，通過提高第二階段即未再結晶區的變形量，可以得到較為理想的M/A島形狀、尺寸和分布狀態。

3 冷卻速度對M/A島的影響

軋后冷卻控制對微合金鋼的組織和性能產生非常重要的影響。在相同的變形條件及溫度控制下，隨軋后冷卻速度的提高鋼的晶粒明顯變細。當鋼中含有一定量的Mn，Nb和Mo等元素時，隨冷卻速度的提高，先共析鐵素體和珠光體轉變被抑制，組織中將出現貝氏體和M/A組織等低溫轉變產物，鋼的力學性能尤其是屈服強度顯著提高[7]。

在本試驗方案中設定了2個不同的冷速參數，以分析冷卻速度對高Nb X80管線鋼中M/A島的影響。圖2為高Nb X80管線鋼在15℃/s和25℃/s冷卻速度下的掃描電鏡組織。

圖2 試驗用高Nb X80管線鋼不同冷速下的SEM組織

從圖2可以看出，當冷速為從15℃/s提高到25℃/s時，高Nb X80管線鋼組織中存在的尺寸較大的粒狀貝氏體和塊狀鐵素體變得細小和均勻。同時可以看出，M/A島組織變得更為細小、均勻，接近球形和彌散分布，細小均勻的M/A島組織能有效的提高管線鋼的強韌性。

由于只是冷卻速度的不同，而其他控軋控冷工藝參數均相同，根據熱力學和相變動力學分析其原因，冷卻速度越大，形核激活能越大，形核速率也越大，其相變后的晶粒越細小、均勻。因此冷卻速度越大，M/A島越細小，形狀越接近球形。但冷卻速度越大，溫度降低越快，而溫度越低，C擴散越困難，不利于形成一定量的先共析鐵素體，會影響鋼材的韌性。

4 高Nb對M/A島的影響及其成因

4.1 高Nb含量對M/A島的影響

為了分析高Nb含量對X80管線鋼中M/A島大小、形狀、分布等特征的影響，選擇控軋控冷工藝規程相同的低Nb X80管線鋼掃描電鏡組織進行對比分析，如圖3所示。

對比和分析相同冷速下的高Nb、低Nb X80管線鋼SEM組織，當冷卻速度為15℃/s時，高Nb X80管線鋼中的M/A島以條狀為主，多分布在板條狀貝氏體和鐵素體的內部，有一定的方向性。而在此冷速下低Nb X80管線鋼中的M/A島以點狀和塊狀為主，在鐵素體晶內及晶界處均有分布，所含長條狀M/A島的數量遠低于高Nb X80管線鋼。當冷卻速度提高到25℃/s時，高Nb和低Nb X80管線鋼中M/A島數量均有所增加，尺寸更為細小圓滑，分布也更為均勻。25℃/s冷速下兩種鋼中的M/A島形貌差異更為明顯，但基本不存在異形的M/A島。高Nb X80管線鋼中幾乎全部為長條狀的M/A島，分布在板條狀貝氏體和鐵素體的內部或之間，構成小角度晶界，而低Nb X80管線鋼中的M/A島仍以點狀和塊狀為主。

圖3 試驗用低Nb X80管線鋼不同冷速下有SEM組織

由以上分析可知，冷卻速度對高Nb X80管線鋼中的M/A島影響相比于低Nb鋼來說更為明顯，適當的提高冷卻速度能夠使鋼中的M/A島尺寸減小，變得較為規則，且分布較為彌散，這對高Nb X80管線鋼性能的提高是有利的。

4.2 高Nb鋼中M/A島的成因及控制措施

M/A島的形狀、大小及分布等特征主要受到鋼的成分和冷卻速度的影響。成分對M/A島的影響主要體現在C的含量以及所加微合金元素在鋼中所占的質量分數。

由于M/A島是富C組織，一般C含量越多，相同條件下M/A的數量也越多，而C含量的高低對M/A島的形貌影響較小。研究中通過掃描電鏡觀察到低Nb X80管線鋼中的M/A數量明顯多于高Nb X80管線鋼，而實際成分中低Nb X80管線鋼中的C含量是高于高Nb鋼的（見表1），也就是說C含量對M/A數量的影響理論分析和試驗結果是一致的。

兩種鋼中都沒有添加V，Ti的含量基本相同，而其在高溫下形成的TiN粒子具有很高的熱力學穩定性，很難固溶于再加熱態的連鑄坯中。所以，Nb的含量成為兩種X80管線鋼中微合金元素影響M/A島的主要因素。由于兩種鋼的熱模擬試驗參數完全一致，所以，鋼中M/A島形貌等特征的差異主要是由元素Nb的含量不同所引起。Nb含量的增加促進了條狀M/A島的出現，且主要分布在板條狀貝氏體和鐵素體束的內部或板條束之間。這是因為微合金元素Nb和Ti在增加管線鋼奧氏體穩定性的同時，能夠使鐵素體板條傾向更為顯著，從而導致M/A島多分布于板條間呈長條狀。

M/A島作為一種硬質相，其尺寸大小、形態、分布和數量對于鋼的性能尤其是強韌性影響很大。對于所研究的高Nb X80管線鋼，一定數量的、長寬比相對較小的M/A島對鋼的性能尤其是強度的提高非常有利。而在試驗研究中，在高Nb X80管線鋼中利用透射電鏡也發現了一些尺寸較大、形狀不規則、存在尖角的M/A島（由于M/A島為富C組織，所以其含C量高于基體，因此顏色也比基體深一些），如圖4所示。研究表明，當M/A島的長寬比大于4時，會給鋼的性能帶來不利影響。

圖4 試驗用高Nb X80管線鋼中不規則M/A島形貌

鋼在變形時會集中大量的應變，應變的分配與M/A島的含量密切相關，M/A島含量越高，組織承受的應變量越大，變形后組織的位錯密度就越高。因此，在一定體積范圍內提高M/A島的含量可以有效提高鋼材的強度和韌性。當組織中M/A島的體積分數一定時，M/A島尺寸越大，對位錯起有效阻礙的粒子越少，在組織中能塞積的位錯數量少，鋼材的強度越低。而M/A島的體積分數和大小一定時，其形狀對強度和韌性也有重要的影響。有尖角的方形或三角形M/A島比點狀的或圓形的M/A島在變形時更容易產生應力集中，從而誘發裂紋，降低了材料的強度和DWTT值。如果M/A島在晶界呈鏈狀或網狀分布，對鋼的強韌性也會產生非常有害的影響。因為在外力的作用下，裂紋可以沿著相界迅速擴展，導致韌性惡化，引起脆性斷裂。而細小彌散分布的M/A島組織則不易出現裂紋。理想情況的M/A島應該是數量少、尺寸小、分布均勻，形態趨于圓形或球狀。

在實際生產中，應該通過成分的調整或生產工藝參數的控制來減少或抑制這種不規則、尖角、長寬比大于4的M/A島的產生。根據高Nb X80管線鋼的成分和實際生產條件，在Nb含量基本不減少的情況下，為了降低M/A島對鋼可能帶來的不利影響，可以通過進一步降低C的含量（w(C)≤0.03%）來控制M/A島的數量。或者在控制w（N）＜0.3%的前提下，通過TiN的理論化學配比值3.42來調整鋼中的Ti含量[8]，而較低的Ti含量能夠降低高Nb X80管線鋼中M/A島的長寬比。研究表明，在鋼中w（Ti）＜0.015%時對鋼的性能影響較為理想[9-10]。以上成分的調整或控制主要基于所研究的高Nb X80管線鋼中實際w（Ti）＞0.015%。

5 結 語

通過對不同條件下高Nb X80管線鋼中M/A島組織特征的觀察和分析，以及與低Nb X80管線鋼的對比，得出了以下結論：

（1）當冷速從15℃/s提高到25℃/s時，M/A島不僅尺寸變小，而且分布更為彌散、均勻，形貌趨于圓形或球狀，這有利于提高管線鋼的力學性能；

（2）相同的冷卻速度下，提高Nb含量后，鋼中出現了更多的條狀M/A島，多分布在板條狀貝氏體和鐵素體內部或板條之間，這說明高Nb含量促進了M/A島從點狀、塊狀向條狀的轉變；

（3）為了減少高Nb X80管線鋼中帶有尖角或長寬比較大的M/A島給鋼性能帶來的不利影響，可以對C，N和Ti的加入量進行調整和控制。

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Study on M/A Island of High-Nb X80 Pipeline Steel

HAN Chen,SUN Futao
（China Nonferrous Metals Processing Technology Co.,Ltd.,Luoyang 471039,Henan,China）

In this article,it took high-Nb X80 pipeline steel as research object to analyze the size,morphology and distribution characteristics of M/A islands.The results showed that increasing cooling rate can make M/A islands become more fine and uniform,and the shape tends to be round or globular,it is in favour to improve the mechanical properties of pipeline steel.Under the same cooling rate,increasing Nb content can improve M/A islands forming,it explained high Nb content to promote M/A islands transformation from the dot,block to strip.The adverse effects on steel properties of the M/A islands can be reduced when the composition and cooling rate are adjusted.

high Nb steel;X80 pipeline steel;M/A islands;alloy composition;cooling rate

TG115.21

A

1001－3938（2015）05-0013-05

韓晨（1982—），男，工程師，碩士，主要從事金屬壓力加工工藝研究。

2015－01－09

李紅麗