X100管線鋼加工過程中組織變化的熱模擬研究

張偉衛，王海濤，張繼明，李 鶴，吉玲康，熊慶人

(中國石油集團石油管工程技術研究院，西安710065)

X100管線鋼加工過程中組織變化的熱模擬研究

張偉衛，王海濤，張繼明，李 鶴，吉玲康，熊慶人

(中國石油集團石油管工程技術研究院，西安710065)

通過熱模擬試驗對X100管線鋼在熱加工過程中終軋溫度和弛豫溫度對顯微組織的影響進行了研究，對不同終軋溫度和弛豫溫度作用下的組織轉變規律和組織特征進行了深入分析。結果表明，通過調整終軋溫度和弛豫溫度可控制X100管線鋼中多邊形鐵素體的含量，從而影響X100管線鋼的力學性能。本研究可為開發具有優良變形能力的X100管線鋼提供重要理論支持。

熱模擬；弛豫；X100管線鋼；顯微組織

0 前 言

為滿足高壓、大流量輸氣管線的需要，X100管線鋼的研究和開發正受到關注和重視。自20世紀80年代開始[1]，有關X100管線鋼的研究已歷經近30年的發展，目前對X100管線鋼的研究僅限于提高強度和韌性，但在地層斷裂帶等一些特殊地區還要求管線鋼具有很好的抗大變形能力[2-4]。對大量的X70和X80大變形管線鋼的研究證明，鐵素體+貝氏體雙相組織能夠在強度與塑性的平衡基礎上獲得優異的綜合性能結果[5]。其中貝氏體硬相為管線鋼提供必要的強度，鐵素體軟相保證管線鋼具有足夠的塑性。其強度與韌性的平衡，一方面是通過軟相與硬相的比例大小和形貌分布進行調整，另一方面主要是依靠細晶強化、位錯強化和彌散強化等強化機制實現[6]。因此，優化TMCP工藝，以獲得適當的鐵素體+貝氏體雙相組織中軟硬相的比例，是研究開發X100抗大變形管線鋼的關鍵。

1 試驗材料與方法

試驗用X100管線鋼的化學成分見表1。管線鋼的弛豫行為試驗在Gleeble3500熱模擬試驗機上進行。從管線鋼鍛坯上取熱模擬試樣，試樣尺寸φ8mm×10mm，試驗方案見表2。以5℃/s將試樣加熱至1 200℃，保溫1min，再以5℃/s的冷卻速度冷卻至1 050℃，然后以5s-1應變速率施加應變20％。變形完成后以5℃/s的冷卻速度冷卻至810℃，780℃和750℃，施以應變40％，應變速率5s-1，再以1℃/s的冷速分別冷至750℃，720℃，690℃，660℃，630℃和600℃，最后以20℃/s的冷速冷卻至300℃，隨后以1℃/s的冷速冷至室溫。工藝路線如圖1所示。

表1 試驗用X100管線鋼的化學成分 ％

表2 X100管線鋼的熱模擬方案

圖1 X100管線鋼的熱模擬工藝路線

對熱模擬試驗后的樣品采用光學金相和電子顯微分析方法分析相變組織特征。光學金相試樣經機械拋光后以3％硝酸酒精溶液進行腐蝕，在MEF4M金相顯微鏡及圖像分析系統下觀察。TEM試樣在300 μm的試樣上機械減薄至50 μm，然后在雙噴電解裝置上以10％高氯酸+90％醋酸溶液進行雙噴，在JEM 200CX透射電子顯微鏡上觀察。

2 試驗結果與分析

圖2、圖3和圖4分別給出了不同終軋溫度和弛豫條件下的金相組織。表3給出了不同終軋溫度和弛豫溫度下管線鋼的鐵素體含量統計結果。圖5給出了鐵素體含量與弛豫溫度關系曲線。可看出，在不同終軋溫度下，試樣均由PF(多邊形鐵素體)，QF(準多邊形鐵素體)和B(貝氏體)組成。

圖2 810℃終軋時不同弛豫條件下的金相組織

圖3 780℃終軋時不同弛豫條件下的金相組織

圖4 750℃終軋時不同弛豫條件下的金相組織

表3 不同終軋溫度和弛豫溫度下管線鋼的鐵素體含量

圖5 鐵素體含量與弛豫溫度關系曲線

PF晶粒首先在奧氏體晶界和奧氏體變形帶形核，沿著原奧氏體晶界生長，并勾勒出原奧氏體晶界的輪廓。PF具有規則的晶粒外形，呈等軸或者規則的多邊形，晶界清晰、光滑、平直，在光學顯微鏡和TEM下基體呈亮白色，晶界呈灰黑色，晶粒內有較小的位錯密度，沒有明顯的亞結構，PF在TEM下的形貌如圖6(a)所示。

隨著弛豫終止溫度的降低，PF組織含量逐漸增加，與此同時，QF和B相繼形核并長大。QF越過原奧氏體晶界生長，使原奧氏體晶界被掩蓋。QF呈現不規則外形，邊界為鋸齒狀或波紋狀，有時如無特征的碎片。在TEM下，這種QF有較高的位錯密度(如圖6(b)所示)，偶爾可發現QF間存在M/A島狀組織[7](如圖6(c)所示)。B的基本組織特征為平行的板條，板條間界模糊，板條間為不同尺寸的條狀M/A組元(如圖6(d)所示)，板條內有高密度的位錯[8-9]。

隨著終軋溫度的降低，奧氏體相變溫度點降低，相變后PF和QF含量減少，B含量相對增加。弛豫至600℃時，810℃，780℃和750℃軋溫度下管線鋼的鐵素體(包含PF和QF)體積分數分別為26.84％，22.22％和20.61％。

圖6 熱模擬過程中不同組織在TEM下的形貌

不同溫度終軋時，弛豫至750℃時都可以觀察到明顯的鐵素體形核。810℃終軋時，弛豫至720℃時可以觀察到鐵素體明顯的長大；780℃終軋時，弛豫至690℃時可以觀察到鐵素體明顯的長大；750℃終軋時，弛豫至660℃時才可以觀察到鐵素體明顯的長大。在相同的弛豫終止溫度時，隨著終軋溫度的降低，可以觀察到鐵素體逐漸細化，且QF在鐵素體組織中的相對含量逐漸增加。

分析認為，由于在Ar3以上較高的溫度終軋，試驗鋼變形后獲得的組織缺陷及形變能累積作用小，發生鐵素體相變的驅動力比較小，此時，鐵素體主要在能量較高的原奧氏體晶界形核，在終軋后弛豫過程中生成先共析仿晶界型鐵素體，隨著弛豫終止溫度的降低和時間的延長，鐵素體晶粒逐漸長大。隨著終軋溫度的降低，將會使過冷度加大，鐵素體的形核驅動力加大，形核率增加[10]，從而提供更多的相變形核位置，但此時鐵素體相變時間較短，隨著弛豫溫度的降低，鐵素體晶粒來不及長大，導致最終材料的鐵素體含量降低且晶粒明顯細化。

3 結 論

(1)弛豫過程中，PF晶粒首先在奧氏體晶界和奧氏體變形帶形核，其沿著原奧氏體晶界生長，并勾勒出原奧氏體晶界的輪廓。隨著弛豫終止溫度的降低，PF和QF組織含量逐漸增加，晶粒逐漸長大。

(2)PF具有規則的晶粒外形，呈等軸或者規則的多邊形，晶界清晰、光滑、平直，在光學顯微鏡和TEM下基體呈亮白色，晶界呈灰黑色，晶粒內有較小的位錯密度，沒有明顯的亞結構。

(3)隨著終軋溫度降低，奧氏體相變溫度點降低，相變后PF和QF含量減少，且晶粒逐漸細化，QF在鐵素體組織中的相對含量逐漸增加。

(4)QF呈不規則的外形，邊界為鋸齒狀或波紋狀，QF內有較高的位錯密度，偶爾可見QF間的M/A塊狀組織。

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Thermal Simulation Research on Microstructure Transformation in the Manufacturing Process of X100 Pipeline Steel

ZHANG Weiwei，WANG Haitao，ZHANG Jiming，LI He，JI Lingkang，XIONG Qingren
(CNPC Tubular Goods Research Institute，Xi’an 710065，China)

This paper studied the effect of finish rolling temperature and relaxation temperature on the microstructure of X100 pipeline steel through thermal simulation test,and the microstructure transformation rule and its essential characteristics under the action of different finish rolling temperature and the relaxation temperature were analyzed.The results showed that by controlling the finish rolling temperature and relaxation temperature could control polygon ferrite content in X100 pipeline steel,thus affect the mechanical properties of the X100 pipeline steel.The research can provide important theoretical support on the research and development X100 pipeline steel with excellent deformation ability.

thermal simulation;relaxation;X100 pipeline steel;microstructure

TG113.12

A

1001-3938(2015)02-0011-05

張偉衛(1981—)，男，碩士，主要從事石油天然氣輸送管道與管線鋼材料的應用研究工作。

2014-10-09

李紅麗