厚規格多相組織X80管線鋼組織控制與斷裂行為研究

高燕，姜金星，左秀榮，洪良，王慧慧

（1.南京鋼鐵股份有限公司，南京 210035；2.鄭州大學 材料物理教育部重點實驗室，鄭州 450052）

隨著高寒地帶油氣田的開發，輸送石油、天然氣用管線距離急劇增加，管線厚度與口徑也隨之增加，對管線鋼低溫韌性的要求也越來越苛刻[1—3]。管線鋼的失效斷裂行為與力學性能和微觀組織有關。管線鋼組織類型受合金元素、再加熱溫度、再結晶區和未再結晶區的組織變形、加速冷卻階段開始和結束溫度等因素的影響[4—10]。此外，隨著管線鋼厚度和口徑的增加，鑄坯軋制過程中壓縮比的控制更加復雜，從而影響到鋼板厚度方向組織的均勻性和細化效果，導致落錘撕裂實驗結果不合格。

為了使厚規格 X80管線鋼具有穩定的強韌性結合，通常選取多相組織類型設計的 X80管線鋼。多相組織型管線鋼組織包含先共析鐵素體、針狀鐵素體、貝氏體等，各相組織的有效結合可使X80管線鋼的強度滿足標準要求，同時還具備良好的變形能力[11]。多相組織的復雜性也導致鋼板在實際生產過程中問題重重[12]，因此，為獲得理想力學性能，對軟相（鐵素體）和硬相（貝氏體/MA島）的組織比例控制則成為多相組織管線鋼的研究重點[13]。

文中以厚規格多相組織 X80管線鋼為研究對象，結合硬度、拉伸、夏比沖擊、落錘撕裂等實驗，對鋼板的斷裂行為與微觀組織關系進行研究，以期為厚規格多相組織X80管線鋼的服役使用提供理論依據。

1 實驗方法

實驗材料為厚度為30.8 mm的X80管線鋼板，鋼板寬度為4527 mm。化學成分見表1。

表1 試樣化學成分（質量分數）Tab.1 Chemical compositions of sample (mass fraction) %

拉伸實驗能在一定程度上反映材料抵抗變形的能力，管線鋼的拉伸性能通常以抗拉強度、屈服強度、屈強比和均勻伸長率作為性能指標。對 X80管線鋼板進行拉伸實驗，取鋼板橫向圓棒拉伸試樣，試樣標距內直徑為 12.7 mm，標距長為 50 mm，在ZWICK1600材料實驗機上進行。

夏比沖擊實驗在RKP450實驗機上進行，采用V型壓制缺口試樣，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm。在鋼板寬橫向 1/4位置取尺寸為 305 mm×76.2 mm×30.8 mm的DWTT試樣，試樣采用V型壓制缺口，在JL-100000實驗機上進行DWTT實驗。硬度實驗在XHD-2000TMSC數顯維氏硬度計上進行，荷載為2 kg，加載持續時間為15 s。硬度的測試點包含了試樣整個厚度方向。

取鋼板橫向試樣，經體積分數為4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，在金相顯微鏡（OM）和JSM-6700F掃描電子顯微鏡（SEM）下觀察鋼板微觀組織及斷口裂紋形貌。試樣經LePera試劑腐蝕后，觀察MA島形貌及其分布，并利用金相分析軟件 Image pro-plus對組織比例及MA島尺寸和體積分數進行測量。

2 結果及分析

2.1 硬度實驗

鋼板厚度方向硬度變化曲線見圖1。可見，鋼板在厚度方向上的硬度值具有明顯差異。表面位置最高，均值高達HV243，沿著厚度方向硬度值逐漸降低，厚度中心硬度值最小，為HV210，最高硬度值與最低硬度值之間差值超過HV30，說明試樣在厚度方向上組織具有明顯的差異。

圖1 鋼板厚度方向硬度變化曲線Fig.1 Hardness distribution in different thickness of steel plate

2.2 拉伸實驗

鋼板的橫向拉伸性能見表2，可見，鋼板的屈服強度較低，但伸長率較高，屈強比低于0.80，說明鋼板具有較好的變形能力。鋼板在制管過程中通常會出現加工硬化和包申格效應，導致鋼管出現強度明顯升高、伸長率下降的情況，尤其易出現屈強比過高的現象，因此鋼板較低的屈服強度和良好的伸長率有利于制管后管體性能滿足標準要求。

表2 鋼板橫向拉伸性能Tab.2 Transverse tensile properties of steel plate

2.3 夏比沖擊實驗

鋼板試樣在-10 ℃的低溫夏比沖擊性能結果見表3。可見，鋼板的低溫沖擊功均超過300 J，剪切面積也均高達100%，說明鋼板低溫沖擊性能優異。

表3 鋼板橫向夏比沖擊性能Tab.3 Transverse Charpy impact properties of steel plate

3 分析討論

3.1 微觀組織

帶狀組織是由元素偏析而形成的硬組織帶，而在落錘實驗中，帶狀組織會在落錘沖擊力作用下與基體組織形成應力集中，形成分離溝[14]。鋼板厚度中心的OM照片見圖2，可見，試樣厚度中心位置均有明顯的帶狀組織出現，但組織帶都較為細小，對分離溝產生的影響較小。結合圖6可知，DWTT斷口僅有一條分離溝。

圖2 鋼板厚度中心OM照片Fig.2 OM micrographs for specimen in 1/2 thickness

鋼板從表面到厚度中心的 SEM 照片見圖3。鋼板微觀組織由多邊形鐵素體（PF）、粒狀貝氏體貝氏體（GB）、準多邊形鐵素體（QPF）、針狀鐵素體（AF）和貝氏體鐵素體（BF）組成，多相組織交錯分布提高了鋼板強韌性。此外，由于表面位置BF和MA島的體積分數最高，導致該位置硬度最大。1/4位置處，BF和MA島減少，QPF和AF逐漸增多，硬度降低。正是由于鋼板由多相組織組成，才保證了優異的強韌性結合。

Lepara試劑腐蝕后 30.8 mm試樣在厚度方向的MA島分布見圖4，可見，MA島在厚度方向上存在明顯區別。在表面位置，MA島成片狀分布，且體積分數較高，尺寸較大。沿著厚度方向，MA島逐漸由片狀向粒狀轉變。到1/4厚度和1/2厚度處，MA島已是均勻細小的粒狀結構。試樣在厚度方向各位置的MA島體積分數統計結果見表4。由表4可見，由于表面位置存在較多的BF，因此在Lepara試劑腐蝕后有大量的白色片狀結構，且仍能看出BF輪廓，體積分數高達37.4%，使表面位置硬度最高。沿著厚度方向，隨著片狀的MA島逐漸消失，MA島體積明顯降低。在1/4厚度位置，MA島體積分數為15.3%。在1/2厚度位置，MA島體積分數有所升高。

MA島在試樣厚度方向的平均直徑變化曲線見圖5，可見，試樣在1/4和中心厚度位置MA島尺寸基本一致，表面位置MA島尺寸較大。厚度越大，鋼板在軋制過程中厚度中心的冷卻速率越低，導致MA體積分數和尺寸增加。大尺寸MA島能夠引起微孔或微裂紋的產生，降低鋼板的低溫韌性[15]。

3.2 DWTT斷口形貌及斷裂行為

低溫落錘試樣斷口宏觀形貌見圖6。試驗溫度為-20 ℃，剪切面積為83%。采用Image pro-plus軟件測量試樣的韌性斷裂和脆性斷裂面積，測量結果見表5。由表5可見，試樣的韌性斷裂面積為81.7%，說明在低溫下試樣具有優異的低溫韌性。起始斷裂面積較小，逆向解理面積占斷口總面積的16.0%，在起始斷裂區下方有分離溝出現。

落錘撕裂試樣近斷口區的裂紋與組織形貌見圖7，可見，裂紋附近組織均未出現變形，且斷口附近GB形貌清晰可見。在圖7a和圖7b中，裂紋穿過QPF時呈平直擴展，裂紋在穿過GB時呈波浪式擴展，說明裂紋在此處擴展速度降低，也說明在多相組織中，GB的存在能夠起到阻礙裂紋擴展、提高斷裂韌性的作用。圖7b為主裂紋附近的一條二次裂紋，可以看出，裂紋沿著AF和QPF的邊界形核并擴展，最終在AF內部晶界處裂紋的擴展受到阻礙而停滯，說明在AF周圍，QPF的出現，會因為組織的強韌性差異而產生應力集中，導致裂紋的萌生和擴展。AF增加，QPF的減少，均有利于DWTT性能的改善[16]。圖7c為裂紋尖端組織，可以看出，裂紋在擴展的過程中使細小的MA島組織出現破碎，裂紋的擴展受到阻礙出現停滯，說明細小的MA島組織能夠有效阻止裂紋的擴展，使裂紋快速止裂。

表4 X80管線鋼中BF,GB,PF,QPF,AF,MA體積分數Tab.4 Volume fraction of BF,GB,PF,QPF,AF and MA in X80 pipeline steel %

圖3 鋼板厚度方向SEM照片Fig.3 SEM micrographs of specimen in thickness directions

圖4 鋼板厚度方向MA島分布Fig.4 Optical micrographs of MA constituents of specimen in thickness directions

圖5 鋼板厚度方向MA島尺寸Fig.5 Size distribution of MA constituents of specimen in thickness directions

圖6 鋼板DWTT宏觀斷口形貌Fig.6 Optical fractographs of DWTT specimen

表5 DWTT斷口斷裂面積分數Tab.5 Area fraction of fracture area of DWTT specimens %

圖7 鋼板DWTT斷口裂紋形貌Fig.7 Crack micrographs of DWTT specimen

4 結論

1）PF,GB,QPF,AF,BF多相組織的結合保證了X80管線鋼板優異的強韌性。厚度方向組織的均勻性影響鋼板厚度方向的硬度分布。由于較高體積分數的BF和MA島，導致鋼板表面硬度最大。

2）多相混合組織X80管線鋼中，裂紋擴展至QPF時呈平直擴展，裂紋擴展至GB時，裂紋的擴展軌跡較為曲折迂回，說明GB對裂紋擴展的阻礙能力較大。細小的MA島和AF，同樣能夠有效阻礙裂紋的擴展。