管線鋼微觀組織特性與強韌性關(guān)系綜述

賈玉萍

（山東萊克工程設(shè)計有限公司，山東 東營 257001）

一、引言

管線鋼應(yīng)用于各種不同的氣候環(huán)境，因此要具有抵抗各種惡劣服役條件的能力，如高強度、高韌性、低的韌脆轉(zhuǎn)變溫度等。一般而言，金屬材料的性能是由內(nèi)部的微觀組織特征決定的，而管線鋼之所以具備高強韌性能，與其良好的微觀組織特征密切相關(guān)。本文從晶粒尺寸、組織類型、非金屬夾雜物、帶狀組織方面分析微觀組織對強韌性的影響。

二、晶粒尺寸

晶粒尺寸是影響管線鋼強韌性能的重要因素。細(xì)小的晶粒可以提高材料的強度和改善材料的韌性。管線鋼屈服強度與晶粒大小的關(guān)系符合Hall-Petch關(guān)系式[1]：

σy =σi+kd - 1/ 2

其中，σi 和k是兩個和材料有關(guān)的常數(shù)，d為平均晶粒尺寸。

一般來說，晶粒細(xì)化對屈服強度影響要大一些。因此，隨著管線鋼強度的提高，所需晶粒尺寸越細(xì)小，而屈服強度相對于抗拉強度提高更快，導(dǎo)致屈強比升高，即高鋼級管線鋼屈強比指標(biāo)相對于低鋼級管線鋼來說更難控制。基于此，管線鋼標(biāo)準(zhǔn)中對于高級別管線鋼放寬了對屈強比的要求。從B級到X80級別，API 5L及GB/T 9711中對于屈強比的要求均為從0.88提升至0.93。用于描述晶粒尺寸大小的參數(shù)為晶粒度。晶粒度值越大，表示晶粒越細(xì)小。晶粒度可以作為一個衡量管線鋼綜合力學(xué)性能的重要指標(biāo)。

傳統(tǒng)的晶粒度測試方法是使用化學(xué)試劑腐蝕出晶界來區(qū)分不同的組織，并通過與標(biāo)準(zhǔn)評級圖對比來評定晶粒度級別。根據(jù)ASTM E112晶粒度評級方法，隨著晶粒度級別提高，晶粒尺寸減小。當(dāng)晶粒度10級以上時，實際晶粒尺寸差別較小，如圖1所示，此時已難以精確確定晶粒度級別。

圖1 管線鋼晶粒尺寸與晶粒度對應(yīng)圖

除此之外，使用傳統(tǒng)方法對晶粒度進(jìn)行測量，經(jīng)常會有某些組織難以顯示出來，特別是管線鋼，其組織十分復(fù)雜。Smith Y E等認(rèn)為，X80中的針狀鐵素體，通常顯示為獨特的不規(guī)則形狀，晶粒大小不等，相互之間的位相關(guān)系不定，呈混雜分布狀態(tài)，這就使得通過傳統(tǒng)方法評定出的晶粒度往往不準(zhǔn)確，并不能很好地反映材料的性能。

三、組織類型

不同鋼級的管線鋼其組織類型不同。鐵素體加珠光體型管線鋼強度級別較低，且由于大量珠光體的存在，鐵素體加珠光體型管線鋼韌性較差，一般為X60及以下鋼級，為管線鋼最初發(fā)展時的組織形態(tài)，現(xiàn)代管線鋼已經(jīng)很少有此種組織類型。

貧珠光體型管線鋼是鐵素體加珠光體型管線鋼的升級。通過降低管線鋼中的碳含量，大大減少組織中珠光體的比例，通過控制軋制（TM）工藝保障鋼的強度。此種組織管線鋼在保證較高強度的同時保證了良好的韌性。一般X70及以下鋼級可為此種組織，材料最終狀態(tài)為熱軋狀態(tài)。

與鐵素體-珠光體型/貧珠光體型管線鋼相比，針狀鐵素體型管線鋼具有更加優(yōu)良的強韌性能。目前對于一般天然氣長輸管線線路用管，X70、X80鋼級要求為針狀鐵素體型管線鋼。組織類型除影響管線鋼的強度與韌性外，對管線鋼抗變形能力（主要通過屈強比指標(biāo)體現(xiàn)）也有很大影響。硬相與軟相的復(fù)合組織管線鋼具有較強的變形能力（較低的屈強比）。硬相貝氏體或馬氏體（M-A）的存在會使鋼的加工硬化能力增加，能夠承受較大的變形。兩相組織的比例、分布及顯微組織形態(tài)的優(yōu)化是決定材料綜合力學(xué)性能的關(guān)鍵。硬相為管線鋼提供必要的強度，軟相保證足夠的塑性。

四、非金屬夾雜物

鋼中不具有金屬性質(zhì)的氧化物、硫化物、硅酸鹽、氧化物等均稱為非金屬夾雜物。鋼中非金屬夾雜物可分為A類（硫化物類）、B類（氧化鋁類）、C類（硅酸鹽類）、D類（球狀氧化物類）。高鋼級管線鋼中最大尺寸夾雜物的評估有助于預(yù)測鋼的力學(xué)性能和根據(jù)夾雜物的尺寸估量使用過程中的潛在危險。

非金屬夾雜物作為管線鋼缺陷的一種，一般以獨立相存在于管線鋼中。非金屬夾雜物一般對屈服強度和抗拉強度影響不大，但因其破壞了鋼基體的連續(xù)性，增加了鋼組織的不均勻性，因而對管線鋼的韌性不利，會加速裂紋的擴(kuò)展。條帶狀塑性夾雜物和點鏈狀脆性夾雜物還會引起材料力學(xué)性能的方向性，使材料的橫向塑性低于縱向的。

為減少鋼中非金屬夾雜物對材料韌性的影響，可要求管線鋼生產(chǎn)過程中進(jìn)行鈣處理，使夾雜物球化。但是若在鈣處理的過程中加鈣量不當(dāng)，可導(dǎo)致出現(xiàn)大型CaO夾雜物或MnS夾雜物，導(dǎo)致材料韌性惡化，所以一般需要控制Ca/S，有效減輕大型夾雜物和硫化物對材料韌性的影響。

五、帶狀組織

高級別管線鋼中存在形式多樣的帶狀組織，包括珠光體帶、M/A帶、貝氏體/馬氏體帶、針狀鐵素體帶等。帶狀組織的級別是以M/A或珠光體組織條帶條數(shù)，同時根據(jù)其在視域內(nèi)的貫穿程度、連續(xù)性以及與夾雜物的相關(guān)性評定的。

帶狀組織容易使材料變形時產(chǎn)生各向異性，且管線鋼中的帶狀組織強度、硬度一般往往高于基體，當(dāng)材料發(fā)生變形時，帶狀組織和基體由于變形不同步，其相交界面容易產(chǎn)生裂紋，影響材料韌性。

此外，帶狀組織中往往伴生著非金屬夾雜物，夾雜物與基體結(jié)合界面是材料止裂部位最弱的位置，當(dāng)受到外力載荷之后，產(chǎn)生應(yīng)力集中，沿厚度方向離面應(yīng)力超過材料薄弱界面的強度時，分離裂紋將會在試樣厚度中心附近帶狀組織薄弱界面處首先產(chǎn)生，導(dǎo)致DWTT低溫止裂性能變差。目前對于X70、X80，一般要求帶狀組織應(yīng)不大于3級。