卷取溫度對18.4 mm X80M 管線鋼DWTT 性能的影響

楊小波，張 通，許 可，張寶寧，薛 強，劉 洋

（唐山鋼鐵集團有限責任公司，河北 唐山 063000）

0 引言

管道運輸是石油、天然氣等介質大規模且經濟的輸送方式，尤其是石油、天然氣有著巨大市場，更有力地促進了管線鋼的發展。目前管道工程的發展方向是大口徑、高壓輸送、海底管道的厚壁化以及耐高寒和腐蝕的服役環境，因此不僅要求管線鋼具有高的強度，而且應有良好的韌性、疲勞性能、抗斷裂特性和耐腐蝕性，同時還要求在力學性能改善的同時不應當惡化鋼的焊接性能和加工性能[1]。

隨著對管線鋼需求的增大，我國逐步研制生產出各個級別的管線鋼，當前可批量投入實際生產中規格最高的管線鋼為X80 鋼級管材，其各種性能指標和控制在行業里均處于較高難度。其中DWTT（落錘撕裂試驗，Drop-Weight Tear Test）性能是用來檢測材料韌性的試驗項目，主要用于金屬材料的低溫脆性研究[2-4]，目標是建立斷口形貌與溫度的關系。對于高韌性、大壁厚的管線鋼來說，普通夏比沖擊試驗的試樣尺寸過小，不能反映實際構件中的應力狀態，而且結果離散性大。而DWTT 的結果與鋼管全尺寸爆破試驗的結果相當吻合，說明這種方法更能反映斷裂的真實情況，而且容易操作，因此落錘撕裂試驗被廣泛應用于管線鋼斷裂韌性的評價，被作為衡量管線鋼抵抗脆性開裂能力的韌性指標。一般來說，行業內管線鋼的DWTT 剪切面積分數要求是平均85%，最低70%[5-7]。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料及特性

實驗材料為某鋼廠生產的厚度為18.4 mm 的X80M管線鋼，其典型化學成分范圍如表1 所示，物理性能要求如表2 所示。該管線鋼采用超低碳、超低硫、超低磷的微合金化設計，通過Mn-Nb-V-Ti-Mo-Cr微合金化抑制多邊形鐵素體的形成，促進針狀鐵素體轉變，其典型組織為針狀鐵素體（AF）、少量多邊形鐵素體（PF）和準多邊形鐵素體（QF），典型組織形貌如圖1 所示[8-15]。為分析材料特性，對此材料進行不同冷速實驗，繪制出CCT 曲線，結果如圖2所示。圖3 中：QF 為準多邊形鐵素體（Quasi-Polygonal Ferrite）；GF 為粒狀貝氏體；AF 為針狀鐵素體（Acicular Ferrite）；BF 為貝氏體鐵素體（Bainitic Ferrite）；LM 為板條馬氏體（Lath Martensite）。為避免實驗溫度在脆性轉變點附近的檢驗結果波動過大，對樣品進行0 ℃、-10 ℃、-20 ℃、-30 ℃、-45 ℃、-65 ℃系列溫度的DWTT 試驗，確定轉變溫度點在-38 ℃，實驗數據如圖3 所示。

圖1 X80M 金相組織

圖2 X80M 管線鋼的CCT 曲線

圖3 DWTT 剪切面積占比系列溫度轉變曲線

表1 化學成分

表2 拉伸性能求

1.2 實驗方案及樣品制備

實驗在某2050 熱軋線進行，工藝方案采用精軋出口定速軋制，卷取溫度設定如表3 所示，平均卷取溫度為鋼卷出層流冷卻后高溫計溫度。落錘撕裂試驗試樣在板寬1/4 處，與軋制方向成30°角取樣，檢驗按照SY/T 6476《管線鋼管落錘撕裂試驗方法》進行檢驗。金相組織按GB/T 13298—2015《金相顯微組織檢驗方法》進行檢驗。試樣經鑲嵌、打磨、拋光后用硝酸酒精溶液浸蝕，之后用蔡司的Axio Vert.A1 倒置金相顯微鏡進行觀測。

表3 不同終軋溫度和卷取溫度對比實驗方案 單位：℃

2 實驗結果分析討論

2.1 DWTT 宏觀斷口形貌分析

不同卷取溫度下實驗鋼在-20 ℃的落錘剪切面積檢驗結果如表4 所示，DWTT 斷口宏觀照片如圖4所示。從圖4 中可見，隨著卷取溫度的提高，落錘剪切面積逐漸增高，當溫度到350 ℃時，落錘剪切面積為100%。

圖4 不同卷取溫度下實驗鋼DWTT 斷口宏觀形貌比較

表4 -20 ℃下的DWTT 實驗撕裂面積占比

2.2 近斷口區域的夾雜物觀察與分析

對試樣進行夾雜物檢驗，檢驗結果如圖5 所示，夾雜物主要為C 類0.5 級，整體夾雜物水平比較低，樣品檢測結果差異不明顯，可以排除夾雜物對落錘撕裂性能影響。

圖5 不同卷取溫度試樣夾雜物檢測結果

2.3 近斷口區域的金相組織觀察與分析

在斷口附近區域，取金相試樣檢測帶鋼1/4 處和1/2 處的組織。對比金相組織可知，在550 ℃時，層冷水冷段平均冷速在10 ℃左右，典型組織為多邊形鐵素體、針狀鐵素體和少量粒狀貝氏體，如圖6 所示。在450 ℃時，層冷水冷段的平均冷速在14 ℃左右，組織以針狀鐵素體、多邊形鐵素體和少量貝氏體為主，其中多邊形鐵素體比例降低，針狀鐵素體比例增加，同時由于冷卻不均勻，造成1/2 位置多邊形鐵素體比例較高，如圖7 所示。在350 ℃時，平均冷速在18 ℃左右，組織中針狀鐵素體比例很高，從圖1/4和1/2 位置對比看，組織比較均勻，無明顯差異，如圖8 所示。

圖6 550 ℃的金相組織

圖7 450 ℃的金相組織

圖8 350 ℃的金相組織

3 結論

1）三種卷取溫度下的實驗鋼剪切面積隨卷取溫度升高而增大，落錘撕裂性能降低。準多邊形鐵素體的比例對落錘性能影響較大，組織中準多邊形鐵素體量增加，組織均勻性變差，準多邊形鐵素體比例越高，落錘性能剪切面積越低。

2）卷取溫度為450 ℃時，厚度方向組織不均勻性對落錘性能有明顯影響，此溫度下帶鋼厚度1/4 處組織較均勻，針狀鐵素體比例有所提升，但1/2 處多邊形鐵素體的比例較高，落錘性能有所下降。

3）卷取溫度為350 ℃時，組織中針狀鐵素體比例高，1/4 處和1/2 處組織比較均勻，落錘撕裂性能最好。