高钢级管线钢TEM显微组织分析

张小立,冯耀荣,王亮亮

(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)

高钢级管线钢TEM显微组织分析

张小立1,冯耀荣2,王亮亮1

(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X70到X100钢级管线钢的透射组织进行了微观分析和研究,并对其组织和力学性能的对应关系进行了研究.结果表明,随着钢级的提高,微观组织中针状铁素体增加,MA岛数量增加,位错密度增加.该结果和管线钢的力学性能变化相对应,和其所对应的TMCP工艺相吻合.

高钢级管线钢;TEM显微组织;力学性能;MA岛

中国随着经济的强劲增长,对石油天然气等能源的需求也相应增加.这意味着从中亚和西伯利亚到中国东北部有必要建设一巨大的长距离管线输送网络工程.而长距离管线输送的关键在于不断提高其工作压力,降低单位输送成本,且通过减少其管壁厚度来减少钢材用量及相关建设费用.鉴于此,长距离输送则要求更高钢级的高强度管线钢管,同时还要求钢管有高韧性,特别是很高的CVN.因此,近年来开发更高强度管线钢的经济驱动力不断增加.曾在国际标准中处于最高钢级的X70已被X80所取代,X100和X120国际标准的草稿业已推出.

我国的高钢级管线钢发展应该说刚刚起步,西气东输管道工程在我国首次成功使用了 X70钢级管线管,陕京二线输气管道和正在建设的中石化出川管线使用了同样管材.今后会有更多的输气管道使用高钢级管材.

管线钢组织和性能的研究是一个传统的话题,也是连接材料使用与制备的一个承上启下的重要环节.在一些有关于新一代传统材料专门研究的高校里,有该方面的专业设置方向,如组织与性能的关系,制备与加工过程的工艺优化,显微组织的定量表征与组织-性能定量关系等.

在材料组织性能及其相互间关系(如图1所示)研究中,由于钢铁生产过程的复杂性,显微组织与力学性能的演变及关系是控制产品质量的重要一环,也是为达到生产出高质量产品而进行的基础研究.

图1 组织与性能研究的关系

本文主要对系列管线钢 TEM组织特征进行分析研究.

1 试验方法

选择了国内3个厂家的X80级管线钢和1个国外厂家的X70和X80级管线钢及国外X100级管线钢进行研究.利用JEM-200CX透射电子显微镜进行各钢级管线钢TEM组织特征分析.

2 试验结果

透射电镜分析表明,X80管线钢中MA岛较少,铁素体类型为等轴状、条状和针状.而X70管线钢中,以等轴铁素体为主,存在马氏体岛、部分针状铁素体和少量条状铁素体.在X100管线钢中,针状铁素体内部存在大量的MA岛,在铁素体晶界有MA岛存在,也有部分马氏体条;同时也以针状铁素体为主,存在部分条状铁素体,位错密度增加.

可见,随着钢级的增加,铁素体由等轴状向针状过渡并增加,MA岛数量增加(如图2所示),位错密度增加.从而使得随着钢级的增加,强度不断提高,而又能保持一定的韧性值.

图2 管线钢中的MA岛

2.1 X70管线钢 TEM显微组织分析

X70钢的组织主要呈现铁素体+马氏体小岛,如图3所示.其铁素体形态主要为等轴形貌,而条状铁素体很少,如图4所示.在观察中同时发现马氏体岛较大,如图5所示.

2.2 X80管线钢 TEM显微组织形貌

研究表明,国内 X80钢级管线钢属于半成熟产品.对几个不同厂家的X80管线钢的 TEM组织研究表明,组织略有不同.这和作者以前所报道的其力学性能的变化是一致的[1].

(1)1#厂家X80管线钢的组织形貌主要呈现铁素体+MA岛,如图6所示.

铁素体有呈等轴状的,也有呈条状的,如图7、图8所示.总体观察,M A岛较少.(2)2#厂家X80管线钢的组织形貌主要呈条状、针状和等轴铁素体的共存形貌,并且铁素体较宽,约500 nm,如图9-图11所示.

同时,发现MA岛少而小,并伴有Fe3C条以及马氏体岛,马氏体岛有大有小,如图12-图15.

该X80钢组织形貌主要呈条状铁素体+等轴铁素体,在铁素体条界上存在马氏体岛.同时可观察到,条状铁素体明显多于等轴铁素体,并且晶粒比较粗大,如图16、图17所示.

图16 条状铁素体(20000×)

X80钢中MA岛形貌如图18所示.

(3)3#厂家X80钢的组织形貌主要是以等轴铁素体、少量针状铁素体以及马氏体岛为主,很少能观察到条状铁素体,其等轴铁素体晶粒细小,约为 1～2μm,如图 19、图 20 所示.

针状铁素体的形貌如图21所示;组织中马氏体岛的形貌如图22所示.

2.3 X100管线钢TEM显微组织形貌

X100组织形貌主要是条状铁素体和针状铁素体,其中条状铁素体里含有渗碳体,针状铁素体里含有MA岛,并且MA岛含量较多,如图23、图24所示.

在组织中同时可观察到板条马氏体,如图25所示.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26、图27所示.

3 讨 论

从各高级管线钢的透射组织可以看出,随着钢级的增加,TMCP过程的冷却速度增加.随冷却速度增加,过冷度增加,形核驱动力增加,从而增加了相变时铁素体的形核率,细化了铁素体组织.

由X70到X100管线钢的透射组织表明,其组织特征逐渐由多边铁素体向针状铁素体发展,贝氏体含量逐渐增多.一般认为,多边形铁素体不是管线钢理想的组织形态.断口金相分析表明,裂纹在通过多边形铁素体时,经常呈直线扩展,在断裂面出现较大的解理台阶.另外,珠光体也是需要控制的组织相.研究结果表明,随着珠光体体积分数的增加,材料上平台能下降.

资料表明[2],对于X80和X100管线钢,尽管二者的Pcm值相当,但 X100管线钢的抗拉强度(759～923 M Pa)比X80管线钢的抗拉强度(646～805 M Pa)高许多,这表明控轧技术发挥了充分作用.

同时透射电镜组织研究表明,奥氏体未在再结晶区变形,造成了以位错、形变带和胞状组织等形式组成的应变积累奥氏体.应变积累不仅可以增加铁素体形核位置和形核率,而且可以产生形变诱导铁素体[3]和铁素体的动态再结晶,使晶粒细化.

由于2#和3#X80管线钢拥有较细小的铁素体组织和细小弥散的MA岛,其表现出优异的强度性能和屈强比,如图28、图29所示.

M A的体积分数受化学成分、ACC及加热状况的影响[4].图30、图31表明了MA的体积分数对屈强比的影响.较低的屈强比(低于80%)可以通过增加MA的体积分数至5%以上而得到.该规律表明了管线钢由X70到X100高钢级发展的设计思路.

4 结 语

对X70、X80和X100管线钢TEM显微组织的分析表明,随着管线钢向高钢级发展,针状铁素体含量逐渐增加,且位错密度增加,MA岛数量增加;各钢级管线钢TEM组织分析结果和其力学性能相对应.研究表明,X80管线钢拥有较细小的针状铁素体组织和细小弥散的MA岛时,表现出优异的强度性能和屈强比;随着管线钢由X70到X100发展,MA岛增加,强度增加而屈强比下降,这是管线钢发展的组织设计思路.

[1]张小立.X80高钢级管线组织图谱[J].中原工学院学报,2010,21(4):4-10.

[2]张红梅,王宏斌,刘振宇,等.X70微合金管线钢组织中针状铁素体细化机制的研究[J].材料热处理学报,2006,27(6):99-102.

[3]黄开文.X80和X100钢级管线钢的合金化原理和生产要点[J].轧钢,2004,21(6):55-58.

[4]Mauro Pontremoli.A New generation of U ltra-high Strength X100/120 Pipelines:A Breakthrough fo r Economic Long-distance Gas Transportation[DB/OL].[2010-09-25](2005-06-19).http://www.isope.org/conference/2005/PAP-2005-0121-JPwe.pdf.

The TEM M icrostructure of High Grade Pipeline Steels

ZHANG Xiao-li1,FENG Yao-rong2,WANG Liang-liang1
(1.Zhongyuang University of Technology,Zhengzhou 450007;2.Tubular Goods Research Centre,CNPC,Xi’an 710065,China)

The TEM of X70 to X100 w ere studied in this paper,and the co rresponding relationship sw ith mechanical p ropertieswere also exp lored.The results showed that as the steel grade imp roved,the acicular ferrite increased,the amount of M A island increased,and the density of dislocation w ere increased too.These attainments are agreed w ith mechanical p roperties of pipeline steels and their TMCP p rocesses.

high grade pipe line steels;TEM;mechanical p roperties;MA island

TG142.1

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2011.01.001

1671-6906(2011)01-0001-06

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.