X100高钢级管线钢的组织特征及其对强韧性性能的影响

张小立,范积伟,张振国,冯耀荣,刘迎来

(1.中原工学院,郑州450007;2.中国石油天然气集团公司管材研究所,西安710065)

X100高钢级管线钢的组织特征及其对强韧性性能的影响

张小立1,范积伟1,张振国1,冯耀荣2,刘迎来2

(1.中原工学院,郑州450007;2.中国石油天然气集团公司管材研究所,西安710065)

对两种化学成分相近但SEM组织差异较大的X100管线钢的SEM、TEM、EBSD组织特征研究和CVN测试分析表明,X100管线钢的组织特征为具有少量渗碳体、大量MA岛、马氏体板条和大量位错包.较低的奥氏体温度、塑性变形温度及较高的冷却速度是获得具有弥散分布的MA岛的关键因素.具有这种组织的X100管线钢具有优良的强韧性匹配性能.

X100高钢级管线钢;组织特征;强韧性;MA岛

石油和天然气作为主要能源在世界经济建设中的作用越来越重要.随着经济的高速发展和经济总量的增加,石油、天然气需求量不断增加,管道的输送压力也不断增加,输送管线向着大口径、高压输送方向发展已成为近期管线建设的趋势.

X100级管线钢在20世纪80年代中期已完成了试验,但那时尚无实际应用的需求;到1995年,几家石油和天然气公司开始设计 X100级的材料.欧洲自1995年开始进行 X100管线钢的开发试制,采用了TMCP工艺,到2002年已生产了数百吨壁厚12.7～25.4 mm的X100管线钢.

控制轧制—控制冷却技术的采用极大促进了管线钢的开发进程.该技术利用变形和相变相结合的原理,将热变形细化的组织保持到随后的冷却相变过程中,为相变细化组织创造条件,最终得到细化的微合金钢晶粒,从而满足高钢级管线钢的高强度、高韧性要求.

贝氏体组织现在愈来愈广泛地用于生产、制备强度和韧性较高的高强或超高强管线钢.为了得到X100管线钢的目标性能,不仅细的或超细的贝氏体铁素体有效的结构细化是必须的,而且正确的贝氏体类型的形成也极其重要.

2002年,TCPL在加拿大建成了一条管径1219 mm、壁厚14.3 mm、X100钢级的 1 km试验段[1];同年,新版的 CSZ245-1-2002中首次将Grade690(X100)列入加拿大国家标准;2004年,Exxon Mobil石油公司采用与日本新月铁合作研制的X120钢级焊管在加拿大建成了一条管径914 mm、壁厚16 mm、1.6 km长的试验段.截至目前,国内鞍钢公司已率先成功研制开发出X100管线钢,使管线钢钢级形成了 X60、X65、X70、X80和 X100系列 ,为角逐国内外高端管线钢市场奠定了坚实的基础.

我国已竣工的西气东输一线工程中采用的是X70钢级管线钢,目前正在建设的西气东输二线工程中采用的是X80钢级管线钢,未来铺设天然气管线必然要采用更高钢级的管线钢.但由于X120钢级管线钢在技术准备方面仍然不够成熟,其选择也必然是X80到X100之间的管线钢.因而,要开发 X100高钢级管线钢,其组织特征及其与强韧性的关系研究就成为关键.

本文通过对比2种已开发的X100管线钢组织的区别和及其强韧性的差异,得到了在该钢级管线钢组织设计和开发生产中需要考虑并控制的MA岛在组织中所处的位置.

1 实验材料及方法

本研究采用2种 X100钢级管线钢,其编号和具体成分如表1所示.

试验中所使用的材料主要为国内外各厂家的X80管线钢(编号分别为BA、J F、HY、JL)及部分 X100管线钢产品.夏比冲击功的测定按照APISPEC 5L和ASTM E24规定进行.在母材横向和纵向分别取CVN试样,试样规格为10 mm×10 mm×55 mm的带预制疲劳裂纹的三点弯曲试样;利用摆锤、落锤等装置进行动态加载,测定金属材料在冲击载荷作用下的CVN值,V型缺口的缺口方向为沿厚度方向,在-80℃～40℃的系列温度下进行夏比冲击功的测试试验,并评定各试样断口剪切面积.

表1 X100高钢级管线钢的化学成分 %

利用金相显微电镜、SEM、TEM和先进的 EBSD技术进行组织研究.用于组织研究的样品取自管体横向垂直于扎制方向.样品经机械抛光、腐蚀后进行金相显微镜分析、扫描电镜(SEM)分析,化学减薄后进行透射电镜(TEM)分析.试样经电解抛光后进行背散射电子显微镜(EBSD)图像和数据分析.

金相组织观察在MEF4M金相显微镜及图像分析系统上进行,观察面为平行轧向的样品正面,经粗磨、细磨、抛光和3%硝酸酒精腐蚀而成.

采用S360型扫描电子显微镜(SEM)对试验钢的微观形貌进行观察与分析.

采用QTS136XL背散射 EBSD扫描电镜进行管线钢相成分、分布、形态的确认.扫描区域为200×200个点,步长为0.3μm.

利用J EM-200CX透射电子显微镜对各钢级管线钢TEM微观组织特征进行分析.

2 X100管线钢的组织特征

2.1 组织特征

对1#和2#管线钢试样进行扫描电镜组织观察,结果如图1所示.可以看出,X100管线钢的扫描组织主要为粒状贝氏体.对比2种管线钢的SEM组织,可以看出,1#试样中MA岛数量较多,晶界线较为模糊,MA岛多数处于晶界内,且分布均匀;2#试样中晶界明显,MA岛数量较少,有典型的针状铁素体存在,MA岛多数处于晶界或晶界汇聚之处.

一般来说,随着奥氏体晶粒增大,贝氏体转变孕育期增长,转变速度减慢.图2所示是高碳锰钢奥氏体晶粒大小和形成一定量贝氏体所需时间的关系.由图2可知,随着奥氏体晶粒增大,形成一定量贝氏体所需的时间增加.这表明,奥氏体晶界是贝氏体形核的优先部位[1].

随着奥氏体温度升高,贝氏体转变速度先降后增.奥氏体化时间对贝氏体转变也有类似影响,亦即时间延长先降后增.

图2 奥氏体晶粒大小对贝氏体转变的影响

变形温度的影响可以分为两种不同的情况:①在较高温度(800～1000℃)范围内对奥氏体进行塑性变形,将使奥氏体向贝氏体转变的孕育期增长,转变速度减慢,转变的不完全程度增加;②在较低温度(300～350℃)范围内对奥氏体进行塑性变形,则结果正好相反.

在高温变形时可能产生两种相反的作用:一种是变形使奥氏体中的晶体学缺陷密度增加,有利于Fe原子的扩散;另一种是奥氏体在变形后会产生多边化亚结构,这种亚结构对贝氏体中铁素体的共格成长是不利的,从而使贝氏体转变速度减慢.在350～300℃范围内对奥氏体进行塑性变形,使奥氏体中的晶体学缺陷密度更大,促进了碳的扩散,并使奥氏体中的应力增加,有利于贝氏体铁素体按马氏体型转变机理形成,结果使贝氏体转变速度加快[3].

因而,1#和2#试样组织差异的原因主要归结为不同的奥氏体温度和变形温度的影响.由于贝氏体优先在晶界然后在晶粒内部缺陷处形核,前者 TMCP工艺中温度为较低的奥氏体温度和塑性变形温度,从而使得粒状贝氏体含量高,而且分布均匀.后者由于奥氏体温度及其变形温度较高,使得贝氏体转变速度缓慢,并且MA多在晶界交界处,数量少.

X100管线钢TEM组织主要是条状铁素体和针状铁素体,其中条状铁素体含有渗碳体,针状铁素体含有MA岛,并且MA岛含量较多,在组织中同时可观察到板条马氏体,如图3所示.

我们知道,粒状贝氏体可分为块型和条束型两种类型.奥氏体化温度愈高,冷速愈大,等温温度愈低,愈有利于条束型粒状贝氏体形成.粒状贝氏体岛内组织可以是奥氏体(A)、马氏体(M)+奥氏体(A)或其他中温转变产物.岛内的M可分别是位错型M与孪晶型M,两种类型M也可同时存在.增加冷却速度能够降低奥氏体的相变温度,增加过冷度,从而增加形变的形核率,以致于控制相变组织形态,并且能够阻止微合金碳氮化物在冷却过程中过早析出,使其在较低温度析出,因而更弥散更细小.

此外,可观察到由于变形位错密度增加,有位错绕结和位错包出现,如图4、图5所示.

相对于X80管线钢而言,X100管线钢中位错密度高,并且存在大量的MA岛,这是由于大应变轧制和较高的冷却速度造成的.从 TEM和SEM组织分析可知,1#试样较2#试样拥有更高的过冷度和冷却速度.

2.2 EBSD组织和有效晶粒

从晶界取向差为15°的 EBSD照片(图6(a))中可以看出,X100管线钢的晶界线不十分明显,晶粒间位相差较大,这是典型的针状铁素体的特征.图6(b)表明,小晶粒分布频度较高,大晶粒较少,晶粒尺寸频度分布曲线显示,晶粒尺寸主要在≤5μm的范围内,平均有效晶粒为2.1μm.图6(c)、图6(d)所示分别为残余奥氏体和渗碳体的分布图,可以看出X100管线钢中分布着大量细小弥撒的MA岛,测量得到这些弥散的MA岛尺寸为0.7～0.8μm.从有效晶粒取向差频度分布图(图6(e))可以明显看出,小角度晶粒占的比例偏大.

3 X100管线钢的CVN性能

粒状贝氏体的组织参量,即“小岛”的形状、数量、尺寸和分布是X100管线钢性能的决定因素:①随着小岛总量增加,小岛弦长及岛间距减小,强度增加;②随着小岛总量减少,小岛弦长减小,岛间距增加,韧性提高;③在一定成分范围内,适当控制小岛数量及小岛尺寸,可以得到强韧性良好配合的力学性能.

1#试样的CVN如图7所示,韧脆转变温度在-60℃左右.而2#试样韧性很差,在-20℃时即发生脆性断裂.这两种X100管线钢CVN实验数据的差异主要是由所形成的MA形态和数量及其位置决定的.

图7 X100的夏比冲击功

有文献报道[3],MA对屈强比 Y/T的影响如图8所示.随着MA体积分数的增加,Y/T逐渐降低,从而保证了材料的强韧性匹配.从两种管线钢SEM组织的分布情况我们就不难理解具有1#试样组织特征的X100管线钢拥有较高强韧性匹配的原因了.

图8 MA体积分数对Y/T的影响

4 结 语

X100管线钢的组织特征为具有少量渗碳体、大量MA岛、马氏体板条和大量位错包.研究表明,较低的奥氏体温度、较低的塑性变形温度及较高的冷却速度是获得具有弥散分布的MA岛的关键因素.具有这种组织的X100管线钢有优良的强韧性匹配性能.

[1] 刘云旭.金属热处理原理[M].北京:机械工业出版社,1980.

[2] 崔忠析.金属学与热处理[M].北京:机械工业出版社,2000.

[3] Demofonti G,Mannucci G,Hillebrand H G,et al.Evaluation of the Suitability of X100 Steel Pipes for High Pressure Gas Transportation Pipelines by Full Scale Tests[EB/OL].[2010-09-13].http:/www.eprg.net/exchange/news/p-news-42/news-detal.html.

The Characteristics of X100 High G rade Pipeline Steels and Its Effect on T oughness and Strength

ZHANG Xiao-li1,FAN Ji-wei1,ZHANG Zhen-guo1,FENG Yao-rong2,LIU Ying-lai2
(1.Zhongyuan University of T echnology,Zhengzhou 450007;2.Tubular Goods Research Centre,CNPC,Xi’an 710065,China)

By analysis of the microstructure of two kinds of X100 pipeling steel at SEM,TEM and EBSD,it was found that the characteristics of X100 are a little cemettite,large amout of MA islands,martensite strip and much dislocation fold.It was concluded that lower austenitic temperature and low plastic deformation temperature and high cooling speed are main parameters to gain dispersed MA island.And X100 pipeline steels with this kind of microstructure will have excellent toughness and srength matching.

X100 pipeline steel;microstructure;toughness and strength;MA island

TG142.1

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2011.04.002

1671-6906(2011)04-0006-05

2010-09-28

博士后基金项目(20060390319)

张小立(1969-),女,甘肃武威人,高级工程师,博士.