低成本X70 管線鋼力學性能的各向異性研究

劉在龍， 邊育秀， 趙彥峰

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司技術(shù)中心， 山西 太原 030003）

石油、天然氣是國民經(jīng)濟的重要戰(zhàn)略物資，管線鋼是將石油、天然氣等能源從遙遠的開采地輸送到用戶使用地點的特殊材料[1]。由于鋪設(shè)環(huán)境的特殊性，要求管線鋼兼具高強度、高韌性和良好的焊接性能[2]。

目前，為了降低成本、節(jié)約能源，大口徑管線用X70 管線鋼多采用低成本成分設(shè)計，所謂低成本即以低碳的Mn-Nb-Ti 系為主，適當添加Ni、Cr、Mo 等合金元素強化基體，通過熱機械軋制工藝（TMCP）獲得性能滿足API 標準要求的熱軋卷板[3]。TMCP 工藝通過使變形奧氏體晶粒轉(zhuǎn)變成非平衡α 相，從而獲得最終的針狀鐵素體+少量貝氏體+M/A 島的細晶組織。軋制過程的大變形促進晶粒沿軋制方向形核生長，造成宏觀的各向異性。

本文通過對拉伸測試、沖擊測試、DWTT 測試和顯微組織的觀察分析，研究低成本X70 管線鋼各向異性的特點。

1 實驗材料及方法方法

本實驗選取的低成本X70 管線鋼主要化學成分如表1 所示。

表1 試驗用低成本X70 管線鋼化學成分 %

按圖1 所示方向，取Φ12.5 mm 直徑的圓棒拉伸試樣，在Zwick I Roell 1 200 kN 電液伺服拉伸試驗機檢測力學性能；取10 mm×10 mm×55 mm 沖擊試樣，從-60 ℃到室溫每隔20 ℃進行沖擊測試，并對斷口進行掃描顯微鏡（SEM）觀察和分析；取全尺寸落錘試樣，從-60 ℃到室溫每隔20 ℃進行DWTT 檢驗。取金相試樣在Leica 金相顯微鏡下觀察金相組織。

圖1 取樣方向示意圖

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 拉伸性能

工業(yè)實踐中，熱軋卷板多采用螺旋埋弧焊接的方式加工成鋼管，根據(jù)管徑和板寬的不同，有不同的成形角度，常見的成形角為30°、45°[4]。制管過程中由于包申格效應(yīng)和加工硬化效應(yīng)的綜合影響，管體比卷板的拉伸性能有20～50 MPa 變化，因此為保證制管后拉伸性能滿足標準要求，對熱軋鋼卷的斜向（與軋向呈成形角）性能的研究極為必要。

本研究選取橫向、30°、45°、60°、縱向5 個方向進行拉伸試驗，屈服強度和抗拉強度檢驗結(jié)果如下頁圖2 所示。

從試驗結(jié)果可以看出，屈服強度和抗拉強度隨取樣角度變化的趨勢相同，即橫向＞縱向＞斜向，30°出現(xiàn)最低值。屈服強度橫向檢測結(jié)果為620 MPa，30°方向檢測結(jié)果為535 MPa，不同取樣方向的波動范圍85 MPa。抗拉強度橫向檢測結(jié)果為740 MPa，30°方向檢測結(jié)果為645 MPa，不同取樣方向的波動范圍95 MPa。本研究用低成本X70 管線鋼拉伸性能的各向異性明顯。從應(yīng)力應(yīng)變曲線可以看出，不同取向的拉伸過程中都沒有出現(xiàn)屈服平臺，屈服后試驗鋼板的真應(yīng)力先隨其真應(yīng)變的增加略有降低，隨后極速增加至斷裂。應(yīng)變隨應(yīng)力變化趨勢符合低碳合金鋼一般趨勢。

圖2 5 個方向試樣的拉伸性能結(jié)果和拉伸曲線

2.2 韌性

對5 個不同取樣方向試樣的系列沖擊和系列DWTT 進行研究，系列溫度選取：20 ℃，0 ℃，-20 ℃，-40 ℃，-60 ℃。圖3-1 為五個方向試樣的系列溫度沖擊曲線。由圖可知，不同取樣方向的沖擊吸收功全部超過280 J，說明裂紋在缺口尖端處生成后穩(wěn)定擴展至斷裂，沒有形成裂紋失穩(wěn)擴展的現(xiàn)象，表現(xiàn)為韌性狀態(tài)。這一點從圖4 也可以看出，-60 ℃橫向試樣沖擊斷口形貌只有纖維區(qū)和剪切唇區(qū)，剪切面積100%。

圖3-2 為五個方向試樣的系列溫度全厚度DWTT剪切面積曲線。由圖可知，不同取樣方向的剪切面積全部大于85%，未發(fā)生脆性斷裂，斜向性能更是全部達到90%以上，DWTT 性能的各向異性不明顯。

圖3 五個方向試樣的系列溫度- 沖擊曲線和系列溫度-DWTT 曲線

圖4 -60 ℃橫向試樣沖擊斷口形貌

2.3 金相組織

低成本X70 管線鋼的組織主要是針狀鐵素體+少量粒狀貝氏體+M/A 島，如圖5 所示，晶粒在軋制過程中沿軋制方向拉長，90°方向晶粒最小。但30°、45°和橫向（90°）在微觀組織上的差別不是很大。從三個方向上看，均有M/A 島狀組織分布在鐵素體的晶界上，在90°方向上呈近圓形的顆粒狀，而在斜向方向上呈長條狀分布，隨著與軋制方向角度的增大，M/A 島組織在逐漸減少，而針狀鐵素體量在逐漸增多，因此，橫向（90°）方向的強度要高于其他方向的強度。45°方向上較少的分布不均勻且長條狀的M/A島組織是其強度降低的原因，從金相組織上看，各向異性不明顯。

圖5 30°、45°和橫向方向試樣的金相組織形貌

3 結(jié)論

1）低成本X70 管線鋼拉伸性能的各向異性規(guī)律：屈服強度和抗拉強度符合橫向＞縱向＞斜向（30°、45°和60°）。

2）在-60 ℃至室溫的溫度區(qū)間范圍內(nèi)，低成本X70 管線鋼的沖擊韌性和全尺寸落錘性能的各向異性不明顯。

3）低成本X70 管線鋼的金相組織主要是針狀鐵素體+少量粒狀貝氏體+M/A 島，各向異性不明顯。