X80高钢级管线钢组织图谱

张小立

(中原工学院,郑州 450007)

X80高钢级管线钢组织图谱

张小立

(中原工学院,郑州 450007)

对X80管线钢的各种组织形态进行了归纳和总结,探讨了有效晶粒对X80钢级管线钢韧性指标的影响,利用EBSD研究了管线钢中第二相的分布和与强韧性的关系,利用原位电镜技术研究了该钢级管线钢的断裂机理.

X80钢级管线钢;图谱;SEM;EBSD;原位动态拉伸;MA岛;针状铁素体;条状铁素体

1985年,API标准中增加了 X80钢级,随后在一些管线工程中X80钢开始部分使用.为节省管线工程的建设投资、降低运输费用,采用高强度等级的管线钢更加经济和合理,并对管道用钢管可靠性的要求越来越高,要求其具有高强度、高的低温止裂韧性以及良好的焊接性,对特殊地区的管线钢还要求具有抗 H2S腐蚀及抗大应变的能力.目前,全球已建立的X80管线长约2 000 km,如表1所示.

我国已建西气东输工程中采用的是X70钢级管线钢,在拟将建设的西气东输二线工程及中亚管线工程中计划全部采用X80钢级管线钢.其中二线工程干线长为3 959 km,支线长为2 842 km,总用量为430万t.可以预料,今后几年我国即将建设的中土、中哈和中俄等洲际天然气长输管线将首选X80钢级,总输气量是西气东输工程的5～6倍,建设规模将大大超过西气东输一线工程.

表1 全球已建设的X80管线项目

在西气东输X70管线钢应用基础研究中,曾对管线钢的组织及成分、组织与性能相关性进行了较为系统的研究,在管线钢的开发与性能优化方面取得了良好的效果.从目前国内进行的X80管线钢及管线钢管的试验检测结果来看,存在组织/性能不均匀、性能不稳定、有的性能指标偏低,甚至出现不合格现象,对于X80及以上钢级管线钢的组织、成分、组织与性能相关性有必要进行深入研究,进一步掌握高强度管线钢成分、组织和性能之间的内在联系,以期通过恰当的工艺获得组织和性能优异的X80管线钢及管线钢管.

本文对国内现有若干厂家 X80钢管的各种组织及组织组成进行了总结和研究,编制了X80管线钢的组织图谱,期望对西气东输二线工程和其他管线工程X80级钢管用钢提供借鉴和指导.

1 试 验

在对系列管线钢各种组织的研究中,主要选择了国内4个厂家的X80级钢和1个国外厂家的X80级钢进行研究.分析手段有金相显微镜、扫描电镜、透射电镜、EBSD和原位动态拉伸扫描分析等.

透射电镜分析表明,X80管线钢中MA岛较少,铁素体类型主要为等轴状、条状和针状.

2 X80管线钢金相组织类型

现有X80管线钢的金相组织均为粒状贝氏体、多边铁素体和珠光体的混合组织,只是各相组成的含量和尺寸有差异.金相分析结果表明,现有X80管线钢晶粒度为12.0级和11.6级,如图1所示.

3 X80管线钢扫描组织

为了准确掌握各高钢级管线钢的相组织形态,进一步对其进行了SEM扫描电镜观察,其组织见图2.从图2可以看出,X80管线钢之间的区别在于贝氏体相的多少.

对于1#和2#X80管线钢,铁素体形状都显示被拉长,成细条状,呈典型的针状铁素体形貌,而3#和4#X80管线钢的铁素体晶粒呈等轴多边形;在铁素体晶粒内和晶粒界面处,以上高钢级管线钢都存在由MA岛构成的贝氏体粒,所不同的是2#和4#的贝氏体粒细小弥散,而1#和3#的贝氏体粒较为粗大,成片状.同以上各X80管线钢相比,3#的贝氏体组织所占比例很高.因而由以上可见,2#X80管线钢应该拥有极佳的力学性能,而3#X80管线钢应搞拥有较高的强度和硬度.

目前,对于不同种类的高强度钢,分别建立了“形变诱导铁素体相变(D IFT)”、“驰豫析出控制相变(RPC)”和“针状铁素体”3种理论体系.针状铁素体管线钢的形成过程为:低碳微合金管线钢在奥氏体再结晶温度区间粗轧后,在奥氏体未再结晶温度 Tnr～Ar3的温度区间进行轧制,或进入Ar3以下的γ+α两相区进行轧制,终轧后冷却速度控制在10～30℃/s,终轧温度在400～600℃,最终获得超细化的针状铁素体结构.由于各厂家在生产高钢级管线钢的过程中,选择的轧制工艺、冷却速率及最终的热处理工艺不同,致使管线钢形成的针状铁素体晶粒度不同、含量不同.

针状铁素体是低碳钢(C＜0.15%)典型的贝氏体组织,由带有高位错密度的板条铁素体晶粒组成,若干铁素体板条平行排列构成板条束,一个奥氏体晶粒可形成很多板条束,板条界为小角度晶界,板条束界面则为大角度晶界.针状铁素体所以具有较高的韧性,是因为裂纹在扩展过程中不断受到彼此咬合、互相交错分布的针状铁素体的阻碍.而弥散分布的贝氏体粒,可以起到细晶强化和韧化的作用.

实际上,由位于晶界的细小弥散贝氏体粒和针状铁素体形成的高钢级管线钢组织,就相当于短纤维增强和颗粒增强的复合材料.短纤维具有使裂纹偏转反射的作用,而位于晶界的硬相—贝氏体粒可以使变形中的位错钉扎,从而使强度进一步提高.

在贝氏体中,C、M n含量都较铁素体中高.M n具有降低钢液中的氧含量,消除硫的有害影响,从而提高钢的强度和硬度的作用.C是决定钢材性能的最主要元素,C含量高意味着其强度、硬度增高[2].因而贝氏体中的高C、M n含量使得贝氏体相拥有较高的强度和硬度,增加组织中的贝氏体含量将使得钢材整体强度和硬度提高.

4 X80管线钢透射组织形貌

在X80管线钢中,铁素体有呈等轴状的,也有呈条状的,还有呈针状的.其形貌分别如图3、图4、图5所示.

图5 X80管线钢中的针状铁素体形貌

总体观察,MA岛较少.MA岛的形貌如图6、图7所示.

在MA岛中,同时能观察到很多条状组织,如图8-图11所示.

通过观察还发现,MA岛少而小,并伴随有Fe3C条以及马氏体岛,马氏体岛有大有小(如图12、图13所示);X80钢断口上的组织形貌主要显示条状、针状和等轴铁素体的共存形貌,并且铁素体较宽,约500 nm.

5 X80管线钢EBSD有效晶粒图谱与材料韧性指标

晶粒细小时,外力可以由更多细小的晶粒所承受,晶粒内部和晶界附近的应变度相差小,因而材料受力均匀,应力集中较小,裂纹不易产生.即使产生了微裂纹,由于晶粒细小,晶界较多,而且相邻晶粒具有不同的位向,于是当塑性变形或微裂纹由一个晶粒穿越晶界进入另一晶粒时,塑性变形或微裂纹将在晶界受阻.同时,一旦塑性变形或微裂纹穿过晶界后,滑移方向或裂纹扩展方向发生改变时,必然消耗更多的能量.

Naylo r J P在对有效晶粒的分析中,用数学式描述了裂纹通过这种有效晶粒的晶界时所需要的裂纹扩展抗力σ[1],即

图12 马氏体岛的特征

图13 27000X Fe3 C条

式中:E—弹性模量;ac—裂纹临界尺寸;W—板条界上偏斜塑性功;D—板条束宽度;d—板条宽度.可见,裂纹扩展抗力σ与有效晶粒尺寸D-1/2具有线性关系,反映在韧脆转变温度曲线上,就是随着有效晶粒尺寸的减小,韧脆转变温度降低.

观察图14-图16可知,系列高钢级管线钢的韧脆转变温度正是随着有效晶粒度的降低(X65＞H YX80＞JFX70＞JFX80＞JLX80)而依次降低.

图14 系列产品有效晶粒尺寸分布

对于有效晶粒尺寸相差不大的管线钢(如表2所示)JFX80、JFX70、HYX80、X65,它们的晶粒取相差分布JFX80、H YX80、X65比较接近,而JFX70表现出较强的织构,如图17所示.在JFX70中,这种形变织构导致管线钢的织构强化,同样也使韧性发生变化,一般认为织构的存在使得管线钢的上阶能降低,但是考虑到该管线钢大角度晶界和小角度晶界的比值很高,所以该管线钢表现出较好的韧性.

表2 系列高钢级管线钢大角度晶界数量与小角度晶界数量比率

对于X65和 H YX80,前者的大角度晶界和小角度晶界比率大于后者,可以看到,前者在韧脆转变温度以上表现出较高的冲击功(如图16所示),但是,大角度和小角度频度比率对冲击韧性的影响不像有效晶粒参量那样规律性强,只作为在相同金相组织下韧性比较的一个参考.因为对高钢级管线钢来说,影响其韧性的因素还跟组织中贝氏体含量、尺寸等有关.

图17 X80管线钢铁素体晶界取向差分布图

另外,上平台能和图17所示晶粒取向差的频度分布,有一定的对应性.当有效晶粒度接近时,在图17中,50°以上晶粒的频度越高,其上平台能也越高.在图14中,大角度晶粒频度分布从低到高的顺序是JFX80＜H YX80＜X65,与图15中上平台能由低到高的顺序相同.这可能使高角度晶粒去相差,在裂纹扩展中起到更加重要的作用,裂纹在这样的晶界上扩展时,要耗费更大的功,而且裂纹在扩展中能够更大地改变方向,从而增加扩展路径.

6 X80管线钢中第二相分布

晶粒细化是钢中最主要的强化方式之一,同时,也是目前所知的唯一的既提高强度又提高韧性的强韧化方式[1].Petch提出晶粒直径 D对韧脆转变温度 Tk具有如下关系[2]:

式中,A、B为常数.

目前,生产中除了奥氏体晶粒超细化处理外,碳钢中碳化物的超细化处理也同样受到重视.这是因为碳化物的尺寸、形态、分布和数量对钢的性能有着显著影响.研究指出,高碳钢中,当碳化物直径大于1μm时,其断裂韧性随碳化物质点平均距离的减小而增加.可见,细化碳化物并使之均匀分布,是改善高碳钢强韧性的一个有效途径.文献研究表明,低温、短时、快速淬火,有利于获得细小、均匀、弥散的碳化物组织.

JF和 H Y的有效晶粒相近,这从图18可以看出.但其碳化物含量差异较大,JF试样中的碳化物含量明显高于 HY,因而导致强度有明显的差异,即JF的强度指标明显高于 HY,如图19所示.对于JL,其C含量和分布与 H Y相近,但JL的有效晶粒明显小于HY,所以其强度指标明显高于后者.

图18 各X80管线钢中Fe3 C的分布

图19 各X80管线钢强度分布

7 原位动态拉伸图谱

图20所示为描述X80管线钢断裂过程的SEM照片.

断裂理论认为,如果裂纹控制在临界裂纹范围内,裂纹就不会扩展.对于脆性断裂而言,裂纹一旦达到启裂时的临界裂纹长度,即失稳扩展,没有明显的稳定扩展阶段,对于韧性断裂而言,裂纹启裂后,往往经过相当长的稳态扩展阶段才失稳断裂.

按照SM ITH裂纹形核理论,形核部位可以是夹杂物,也可以是其他第二相脆性质点.

裂纹扩展的动力是系统释放的弹性能,裂纹扩展的阻力来源于裂面的表面能以及裂纹尖端发生塑性变形的塑性变形能.裂纹的扩展过程是材料的能量消耗过程,因此裂纹扩展的控制过程实质上是材料韧性的控制过程.

管线钢中的针状铁素体之所以是有利的显微组织,原因之一是它的交叉分布形态对裂纹扩展具有阻止作用.当裂纹通过针状铁素体时,由于不断受到交叉分布的针状铁素体的阻碍而呈波浪起伏状扩展,裂纹扩展速度降低,其对应断口呈撕裂韧窝状.

由图20可知,MA岛对裂纹扩展具有阻碍作用,裂纹为沿着岛走;裂纹启裂位置为晶粒边界和MA岛边界处.对X80来说,存在较好的塑性变形能力,当塑性变形区不断扩展,并且达到一定程度时,裂纹连接并失稳扩展.

8 结 语

(1)X80管线钢均为粒状贝氏体、多边铁素体和珠光体的混合组织;

图20 X80管线钢断裂机理

(2)X80管线钢中,铁素体有呈等轴状的,有呈条状的,还有呈针状的;

(3)有效晶粒、晶粒取向差频度和管线钢韧性指标有强烈的对应关系;

(4)细化碳化物并使之均匀分布,是改善高碳钢强韧性的一个有效途径;

(5)MA岛对裂纹扩展具有阻碍作用,裂纹为沿着岛走;裂纹启裂位置为晶粒边界和M A岛边界处.当塑性变形区不断扩展,达到一定程度时,裂纹连接并失稳扩展.

[1] 高惠临.管线钢组织、性能、焊接行为[M].西安:陕西科学技术出版社,1995.

[2] Byoungchul Hwang,Yang Gon Kim,Sunghak Lee,et al.Effective Grain Size and Charpy Impact Propertiesof High-Toughness X70 Pipeline Steels[J].Metallurgical and Materials Transactions A,2005,36(8):2107-2114.

M icrostructure Atlas of X80 Pipeline Steels

ZHANG Xiao-li
(Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou 450007,China)

In this paper,the kinds of microstructure morphology of X80 pipeline steel are summarized,the relationship of effective grain size are studied,and the relationship between it and CVN are p robed;the quantity and distrubution of second phase in X80 pipeline steel are studied,also its relationship w ith strength and toughness are discussed.By in-situ SEM,the f racture mechanism of X80 pipeline steel are detailed in this paper too.

X80 pipeline steel;atlas;SEM;EBSD;in-situ tesile analysis SEM;MA island;acicular ferrite;strip-like ferrite

TP0766+.1

A DO I:10.3969/j.issn.1671-6906.2010.04.002

1671-6906(2010)04-0004-07

2010-08-02

博士后基金项目(20060390319)

张小立(1969-),女,甘肃威武人,高级工程师,博士.