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顯微組織對針狀鐵素體X80管線鋼屈強(qiáng)比和低溫韌性影響規(guī)律

編輯:冶金材料設(shè)備網(wǎng)
發(fā)布時間:2014-12-03

    1 概述

  石油天然氣輸送管線鋼須同時具備高強(qiáng)度、高韌性、優(yōu)異耐蝕性和高焊接性能。用大口徑、高壓管線改善輸送效率,尤其是通過高寒地區(qū)的中土輸氣管道,對管線鋼的技術(shù)條件要求更高。從安全性考慮,管線鋼須有低屈強(qiáng)比,在達(dá)至塑性非穩(wěn)態(tài)時有更高的變形抗力,以免強(qiáng)度出現(xiàn)突降。

  依據(jù)API標(biāo)準(zhǔn)X70管線鋼的屈服強(qiáng)度≥480MPa,-40℃沖擊功≥100J及屈強(qiáng)比≤85%。研究表明,440MPa級C-Mn鋼采用TMCP工藝,達(dá)到低屈強(qiáng)比(約80%)和高韌性(DBTT約-100℃)可行,但對更高鋼級獲得足夠的低屈強(qiáng)比和高韌性極其困難。其根本原因在于優(yōu)化這些性能,會出現(xiàn)相反的效果。如以犧牲屈強(qiáng)比和韌性作為代價(jià)來增加強(qiáng)度;以降低強(qiáng)度為代價(jià)來降低屈強(qiáng)比和增加韌性。因此,各國材料學(xué)者利用顯微組織對高強(qiáng)管線鋼屈強(qiáng)比和韌性的影響規(guī)律來開發(fā)管線鋼。

  絕然不同的兩相可得到滿意的低屈強(qiáng)比。雙相鋼通常屈強(qiáng)比低,但不能獲得管線鋼所有的各種性能要求。若雙相鋼兩相間的強(qiáng)度相差太大,在低溫條件下硬的第2相很容易形成裂紋,而抵消韌性作用。

  近年來,開發(fā)針狀鐵素體或貝氏體管線鋼受到廣泛重視。生產(chǎn)實(shí)踐中,這兩類管線鋼的韌性還有欠缺,因此,在高端管線鋼工程應(yīng)用課題是利用新組元的顯微組織,獲得強(qiáng)度、韌性和屈強(qiáng)比綜合性能符合要求的產(chǎn)品。

  2 試驗(yàn)步驟

  沿軋制鋼板橫向切割拉伸試樣毛坯。拉伸試樣采用直徑.6mm、長度30mm圓棒試樣。室溫條件下,活動橫梁以9mm/min速度做拉伸試驗(yàn),表明管線鋼屈服強(qiáng)度處于非連續(xù)屈服狀態(tài),以2%變形量作補(bǔ)償。至少3個試樣結(jié)果做拉伸性能報(bào)告。沿軋制橫向切取V型沖擊試樣(日本JIS標(biāo)準(zhǔn)4號試樣)。液氮或乙醇槽內(nèi)浸漬15min后,按-120~20℃溫度,每20℃間隔對試樣作試驗(yàn),與DBTT(韌脆性轉(zhuǎn)變溫度)上、下層吸收能量的中點(diǎn)相一致。用SEM(掃描電鏡)觀察V型沖擊試樣破壞斷口表面,用圖像分析儀分析組元相的百分率和晶粒尺寸。

  3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

  不同組元分別為鐵素體-珠光體的B鋼;針狀鐵素體作第2相鐵素體的C鋼;多邊形鐵素體作第2相針狀鐵素體的D鋼及貝氏體的G2鋼管線鋼的典型顯微組織。

  鐵素體-珠光體鋼晶粒尺寸6.8~20.4靘;鐵素體-針狀鐵素體鋼中,針狀鐵素體百分比9.6%~24.1%;鐵素體-針狀鐵素體鋼中含約2%珠光體。鐵素體-針狀鐵素體鋼晶粒尺寸4.4~7.4靘,比通常鐵素體-珠光體鋼晶粒度細(xì)。

  顯微組織對高強(qiáng)管線鋼的屈強(qiáng)比和韌性的特點(diǎn),表明針狀鐵素體-鐵素體鋼在壓扁拉長的針狀鐵素體基體內(nèi)有約4.5靘規(guī)格的多邊形鐵素體細(xì)晶粒。針狀鐵素體-鐵素體管線鋼中,鐵素體的體積百分率約6%,沿軋制方向間隔測量出的鐵素體約為16靘。貝氏體鋼為壓扁拉長晶粒,其顯微組織的組元類似于原先的奧氏體晶粒形態(tài)。

  4 屈強(qiáng)比與低溫韌性機(jī)理

  不同組合管線鋼的屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比取決于顯微組織組元。通常,低屈服強(qiáng)度有較低屈強(qiáng)比。但鑒于屈強(qiáng)比是屈服強(qiáng)度與加工硬化率函數(shù),僅以低屈服強(qiáng)度就有較低屈強(qiáng)比的結(jié)論是不全面的。對鐵素體-珠光體鋼而言,減小鐵素體晶粒尺寸將同時增大屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比。減小鐵素體晶粒尺寸,并減少加工硬化率,會附加增大屈強(qiáng)比效果。鐵素體-珠光體鋼中有類似于取代珠光體的第2相針狀鐵素體特性。對鐵素體進(jìn)行針狀鐵素體基體的變質(zhì)處理,結(jié)果提高屈服強(qiáng)度,并降低屈強(qiáng)比。

  基于顯微組織和力學(xué)性能的關(guān)聯(lián)性,優(yōu)化顯微組織以開發(fā)高性能管線鋼,顯示針狀鐵素體或貝氏體基體內(nèi)存在多邊形鐵素體第2相??紤]到改善強(qiáng)度和韌性最有效方法,即晶粒細(xì)化導(dǎo)致屈強(qiáng)比增加,在鐵素體基鋼很難同時優(yōu)化強(qiáng)度、屈強(qiáng)比和DBTT綜合性能。另一方面,針狀鐵素體基鋼或貝氏體基鋼比鐵素體基鋼的屈服強(qiáng)度更高、屈強(qiáng)比更低。針狀鐵素體基鋼或貝氏體基鋼的低溫沖擊產(chǎn)生的不良影響,可導(dǎo)入減小第2相的多邊形鐵素體有效晶粒尺寸而得到改善。

  5 結(jié)論

  顯微組織管線鋼對屈強(qiáng)比和低溫韌性的影響有:

  1) 細(xì)化鐵素體晶粒度能有效改善鐵素體基鋼的屈服強(qiáng)度和低溫沖擊韌性;然而對增大屈強(qiáng)比,產(chǎn)生不利作用。

  2) 鐵素體基鋼中,從珠光體到針狀鐵素體或貝氏體的第2相變質(zhì)處理除影響DBTT還改善了強(qiáng)度。

  3) 從珠光體鋼作針狀鐵素體鋼或貝氏體鋼基體作變質(zhì)處理,改善強(qiáng)度和屈強(qiáng)比。但比其它顯微組織的有效晶粒尺寸粗大,因而DBTT更差。

  4) 針狀鐵素體鋼基體或貝氏體鋼基體導(dǎo)入第2相多邊形鐵素體,降低強(qiáng)度和屈強(qiáng)比,并改善針狀鐵素體基鋼的低溫沖擊韌性。

  屈強(qiáng)比和加工硬化指數(shù)變化曲線取決于組織結(jié)構(gòu)類型。為獲得0.85屈強(qiáng)比,貝氏體基鋼的臨界加工硬化指數(shù)比針狀鐵素體基鋼或鐵素體基鋼的臨界加工硬化指數(shù)低。

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