一種高鈮合金管線鋼的組織與性能研究

國(guó)內(nèi)7.0萬噸管道鋼的生產(chǎn)已經(jīng)成熟，“東西天然氣東輸線”的管道工程也得到了成功的應(yīng)用。正在建設(shè)的“西氣東輸二線”選用的管線鋼的鋼級(jí)為X80。目前,國(guó)內(nèi)“西氣東輸二線”工程中,國(guó)內(nèi)外10余家鋼鐵企業(yè)提供了幾十種不同合金設(shè)計(jì)的X80管線鋼,其中引人注目的是一種高NbX80管線鋼。在傳統(tǒng)的微合金管線鋼中,Nb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常為0.02%～0.04%,國(guó)內(nèi)外一些管線標(biāo)準(zhǔn)對(duì)管線鋼的最高Nb含量限制為0.06%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)。隨著管道工程的要求和管線鋼冶煉技術(shù)的進(jìn)步,鋼中含碳量逐漸降低。由于鋼中含碳量的降低,提高了Nb在γ中的溶度積,可允許添加較高的Nb含量。當(dāng)γ中固溶Nb含量增加時(shí),γ再結(jié)晶溫度顯著提高,因而可采用較高的軋制溫度(終軋溫度為Ar3+80℃,比常規(guī)高100℃)來生產(chǎn)滿足現(xiàn)代油氣管線所需要的高強(qiáng)韌鋼板。這種方法被稱之為“高溫工藝技術(shù)”,或簡(jiǎn)稱為“HTP”(HighTemperatureProcess)技術(shù)。所謂的高Nb管線鋼即是通過這種“HTP”技術(shù)生產(chǎn)的管線鋼,其Nb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.10%。本工作選用“西氣東輸二線”工程用鋼中的一種高NbX80管線鋼,通過對(duì)這種鋼的組織和力學(xué)性能的研究,以探討Nb元素在X80管線鋼中的作用規(guī)律。1材料和方法1.1化學(xué)成分分析實(shí)驗(yàn)材料選用典型的高Nb含量X80管線鋼,板厚為18.4mm。從鋼板寬度1/2處取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析。實(shí)驗(yàn)鋼的化學(xué)成分見表1,其中Nb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.095%。1.2材料拉伸實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在鋼板板寬1/2部位取橫向拉伸試樣,實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為ASTMA370。拉伸試樣形式包括矩形試樣和圓棒試樣兩種。矩形試樣為標(biāo)距內(nèi)長(zhǎng)50mm、寬38.1mm的全壁厚試樣,在MTS810(100t)材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圓棒拉伸試樣為標(biāo)距內(nèi)長(zhǎng)50mm、直徑12.7mm的拉伸試樣,在MTS810-15(25t)材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在鋼板板寬1/4處取橫向沖擊試樣,試樣加工成標(biāo)準(zhǔn)的10mm×l0mm×55mm夏比(Charpy)V型缺口沖擊試樣,V型缺口沿板厚方向。沖擊實(shí)驗(yàn)按照GB/T229—1994在JB-800試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。在鋼板板寬1/4部位取橫向落錘撕裂試樣(DropWeightTearTest,DWTT),試樣尺寸為300mm×75mm×原壁厚,缺口型式為標(biāo)準(zhǔn)壓制V型缺口,實(shí)驗(yàn)設(shè)備型號(hào)為JL-30000。DWTT實(shí)驗(yàn)按照APIRP5L3進(jìn)行。光學(xué)顯微組織分析在RECHARTMEF3A型顯微鏡上進(jìn)行,掃描電鏡觀察在TESLA-BS-300型上進(jìn)行,透射電子顯微分析在JEM200CX上進(jìn)行。2結(jié)果2.1u3000閥值的變化實(shí)驗(yàn)鋼是一種以Nb為典型合金成分的X80管線鋼,通過HTP工藝獲得,其力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表2所示。由表2可知,實(shí)驗(yàn)選用的X80管線鋼具有較高的屈服強(qiáng)度(R0.5)、抗拉強(qiáng)度(Rm)和良好的斷后伸長(zhǎng)率(A)。管線鋼的屈強(qiáng)比(R0.5/Rm)體現(xiàn)了材料從屈服到最后斷裂過程中的變形能力,是鋼管抵抗破裂的重要參數(shù)。根據(jù)2007年APISPEC5L標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,對(duì)X80級(jí)管線鋼屈強(qiáng)比的限定值在0.93以下,實(shí)驗(yàn)用X80管線鋼屈強(qiáng)比低于0.93,達(dá)到此規(guī)范要求,也符合國(guó)內(nèi)“西氣東輸二線”工程的技術(shù)要求。圖1為X80鋼板夏比沖擊吸收功(Akv)和斷口剪切面積(ShearArea,SA)百分比的系列溫度轉(zhuǎn)變曲線,圖2為DWTT剪切面積(SA)百分比的系列溫度轉(zhuǎn)變曲線。由表2和圖1可知,在管道設(shè)計(jì)溫度(-20℃)下,X80管線鋼的韌性高達(dá)361J。雖然X80管線鋼板沖擊吸收功在溫度小于-60℃時(shí)開始下降,但是在-60～20℃溫度范圍內(nèi)隨溫度的變化幅度相對(duì)較小,都在300J以上,其韌脆轉(zhuǎn)變溫度應(yīng)用50%剪切狀斷口所對(duì)應(yīng)的溫度(FractureAppearanceTransitionTemperature,FATT50),其值低于-79℃。DWTT實(shí)驗(yàn)結(jié)果主要是建立斷口形貌與溫度間的關(guān)系,從而確定管線鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。如圖2所示,實(shí)驗(yàn)鋼DWTT的韌脆轉(zhuǎn)變溫度(85%剪切狀斷口所對(duì)應(yīng)的溫度)FATT85低于-39℃。由于DWTT實(shí)驗(yàn)所獲得的結(jié)果與管道實(shí)物爆破的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)吻合,由此可見,由該X80管線鋼制造的鋼管具有良好的低溫韌性和抗斷裂能力。2.2驗(yàn)鋼與鐵素體的組織形態(tài)X80管線鋼光學(xué)顯微組織如圖3所示?？梢钥闯?實(shí)驗(yàn)鋼為典型的針狀鐵素體鋼,其主體組織為細(xì)小的粒狀鐵素體和少量的準(zhǔn)多邊形鐵素體,局部區(qū)域可觀察到貝氏體鐵素體,細(xì)小的M/A島狀組織呈粒狀和點(diǎn)狀分布。3壓力和強(qiáng)度上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在HTP工藝過程中,通過高Nb合金化技術(shù)獲得的X80管線鋼具有高的強(qiáng)韌性和低的韌脆轉(zhuǎn)變溫度,滿足國(guó)內(nèi)“西氣東輸二線”工程的技術(shù)要求。研究表明,實(shí)驗(yàn)鋼這種優(yōu)良性能的獲得是與Nb在管線鋼中的細(xì)晶強(qiáng)化、組織強(qiáng)化和析出強(qiáng)化的作用緊密相關(guān)。3.1鐵素體晶粒的細(xì)化細(xì)化晶粒是目前惟一既提高強(qiáng)度又提高韌性的強(qiáng)韌化手段。實(shí)驗(yàn)用X80管線鋼SEM電子顯微組織如圖4所示。由圖4可知,實(shí)驗(yàn)鋼經(jīng)控制軋制和控制冷卻后具有細(xì)小的針狀鐵素體組織。進(jìn)一步定量金相測(cè)試結(jié)果表明,實(shí)驗(yàn)鋼的晶粒度為ASTM12.0級(jí),鐵素體晶?？杉?xì)至4μm。研究表明,在高Nb合金化的管線鋼中,Nb在鋼中細(xì)化晶粒的主要作用表現(xiàn)在兩個(gè)方面。首先,在控軋?jiān)贌徇^程中,未溶的Nb的碳、氮化合物通過質(zhì)點(diǎn)釘扎晶界的機(jī)制而明顯阻止γ晶粒的粗化過程,從而有效阻止奧氏體晶粒的長(zhǎng)大。同時(shí),在鋼板的控軋過程中,通過固溶Nb的溶質(zhì)拖曳和應(yīng)變誘導(dǎo)沉淀析出質(zhì)點(diǎn)對(duì)晶界和亞晶界的釘扎作用,而顯著地阻止或延遲形變?chǔ)玫脑俳Y(jié)晶,從而通過由未再結(jié)晶γ發(fā)生的相變而獲得細(xì)小的相變組織。研究表明,當(dāng)鋼中Nb含量達(dá)到0.06%時(shí),奧氏體再結(jié)晶溫度可提高到950℃以上,而同樣含量的Ti和V加入到鋼中,奧氏體再結(jié)晶溫度只有820～870℃。由此可知,因Nb元素產(chǎn)生的晶粒細(xì)化可以同時(shí)提高管線鋼的強(qiáng)度和韌性,使X80管線鋼板獲得顯著的細(xì)晶強(qiáng)化效果。3.2顯微組織的m/a島狀組織及其對(duì)南板力學(xué)性能的影響應(yīng)用透射電鏡進(jìn)一步觀察實(shí)驗(yàn)鋼的組織,其結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出,實(shí)驗(yàn)鋼的組織呈明顯的針狀鐵素體形貌,板條結(jié)構(gòu)較為發(fā)達(dá)。這是由于在高溫形變后的冷卻過程中,實(shí)驗(yàn)鋼中含有的合金元素Nb在晶界偏聚會(huì)阻礙新相形成,從而降低γ→α相變溫度,抑制多邊形鐵素體相變,促進(jìn)針狀鐵素體形成。針狀鐵素體對(duì)材料性能的貢獻(xiàn)首先歸結(jié)于它的多位向的析出形態(tài)。由于針狀鐵素體尺寸參差不齊,彼此交錯(cuò)分布,使材料具有較小的有效晶粒尺寸。而且在針狀鐵素體內(nèi)具有細(xì)小的亞結(jié)構(gòu)和較高密度的可動(dòng)位錯(cuò),使針狀鐵素體具有良好的強(qiáng)韌性。觀察表明,在X80鋼顯微組織中存在細(xì)小的M/A島狀組織。這種細(xì)小的島狀組織既可分布在原奧氏體晶界,也可分布在針狀鐵素體板條界和板條束界。雖然M/A島為脆性組成物,對(duì)管線鋼的韌性可能有不利影響。然而,在實(shí)驗(yàn)鋼中的這種M/A組元對(duì)韌性不構(gòu)成危害。這是由于在控軋、控冷條件下形成的M/A組元細(xì)小,小島平均弦長(zhǎng)通常小于2μm,不足以構(gòu)成Criffith裂紋臨界尺寸,而且其中的10%～20%(體積分?jǐn)?shù))的殘余奧氏體是一種有利的韌性相,可降低裂紋尖端應(yīng)力,消耗部分?jǐn)U展功。不少研究者在管線鋼中觀察到,裂紋遇到M/A島時(shí)常常發(fā)生轉(zhuǎn)折,表現(xiàn)了M/A島對(duì)裂紋擴(kuò)展的阻滯作用。圖6為實(shí)驗(yàn)鋼針狀鐵素體板條間島狀組織的明場(chǎng)、暗場(chǎng)及其衍射斑點(diǎn)。表明島狀物以條狀分布在針狀鐵素體板條之間。文獻(xiàn)的研究結(jié)果表明,Nb對(duì)M/A形態(tài)的影響很顯著。當(dāng)Nb含量低于0.064%時(shí),M/A呈粒狀,Nb含量超過0.064%,M/A逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闂l狀。本研究的觀察結(jié)果與文獻(xiàn)的研究結(jié)果一致。3.3試驗(yàn)過程中,金實(shí)驗(yàn)鋼在軋制及軋后的連續(xù)冷卻過程中,還可通過控制Nb合金碳、氮化物在α中的沉淀析出過程來達(dá)到析出強(qiáng)化的目的。Nb的碳、氮化合物,可在熱軋過程中從γ中析出,或在相變過程中在相界析出,或在最終冷卻過程中從過飽和α中析出。圖7是利用透射電鏡觀察到的典型析出物的形貌。觀察表明,X80管線鋼的碳、氮化合物呈點(diǎn)狀析出,一種是尺寸在50～200nm范圍內(nèi),以Nb(C,N)為主,它們一般是在冷卻過程的較高溫度下析出的,其主要作用是釘扎晶界,阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大。另一種是尺寸小于30nm的Nb(C),是在γ→α轉(zhuǎn)變過程中或冷卻到單相的鐵素體相區(qū),由過飽和固溶微合金元素脫溶析出時(shí)形成的,盡管它們的體積分?jǐn)?shù)很小,卻能起到有效的強(qiáng)化作用。因此在現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)過程中,綜合利用Nb合金元素的作用,合理控制其析出相的析出過程是X80管線鋼開發(fā)的關(guān)鍵。以上分析表明,在高Nb管線鋼中,通過Nb的細(xì)晶強(qiáng)化、組織強(qiáng)化和析出強(qiáng)化的綜合作用,可使管線鋼獲得優(yōu)良的強(qiáng)韌化水平。同時(shí),在高Nb管線鋼中,γ再結(jié)晶溫度顯著提高,因而可采用較高的軋制溫度來生產(chǎn)滿足現(xiàn)代油氣管線所需要的高強(qiáng)韌性鋼板,緩解傳統(tǒng)合金化技術(shù)對(duì)軋機(jī)的苛刻要求,提高軋制效率。另外,高Nb合金化技術(shù)的合金元素成本低。因而以高Nb合金化為特征的“HTP”技術(shù)近年來在冶金界和管道工程界備受關(guān)注。然而,高Nb合金化的主要強(qiáng)化機(jī)制是細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化,因而應(yīng)注意材料屈強(qiáng)比升高的問題。4技術(shù)方面的研究(1)在HTP工藝過程中,通過高Nb合金化技術(shù)獲得的X80管線鋼具有高的強(qiáng)韌性