X70级弯管制备中二次加热对其组织与强韧性的影响研究

张小立

（中原工学院，郑州450007）

X70级弯管制备中二次加热对其组织与强韧性的影响研究

张小立

（中原工学院，郑州450007）

对X70级弯管热弯过程的二次加热热处理过程进行了模拟试验，研究了母管钢管材二次加热过程中的强韧性能和组织的变化关系，并讨论了热处理制度和材料组织的变化规律.结果表明，X70级弯管制备中主要体现为强度和韧性2个指标间的矛盾；控制马氏体的生成是获得强韧性合理匹配的高性能X70级弯管的关键.

弯管；热加工；强韧性；马氏体；西气东输工程

在长输管道建设中，弯管通常用来改变方向.为了制备高强度弯管，通常情况下感应弯制技术得到应用，这时母管的二次加热过程不可避免.高强感应加热弯管通常有3种制备过程：完全淬火、局部淬火和回火、完全淬火和回火［1］.最常用的方法是局部淬火和回火过程，也就是说淬火应用于弯制部位，并且整个管子包括直管段都进行回火.这表明，在高钢级管线钢弯管的制备过程中，管线钢需要再次加热，材料组织和强韧性等力学性能都将发生重要的变化，并且和母管存在差异.由于技术资料的保密，关于弯管制备的二次加热过程工艺研究的文献少见报道.

本文将对X70钢级弯管制备所需的母管材进行二次加热的热过程进行模拟，探讨该过程中组织和强韧性的变化规律，从而为弯管制备所需管线钢二次加热的热工艺规范研究奠定试验基础，为西气东输二线建设工程做好选材研究的前期准备.

1 试验材料和试验过程

选择2种成分不同，同时Di（临界淬透直径）也不同，而Pcm、Ceq接近（见表1）的母管材进行弯管制备的热处理过程模拟试验.在本研究中，母管分别在900℃、950℃、1000℃和1050℃下进行淬火，并随后分别于350℃、450℃、550℃和650℃下进行回火处理.

表1 原材料的化学成分参量 Wt%

用于组织研究的样品取自管体横向垂直于轧制方向.样品经机械抛光、3%硝酸酒精腐蚀后进行金相显微镜分析.金相组织观察在MEF4M金相显微镜及图像分析系统上进行.

从试验钢板端部垂直于轧制方向切取冲击样坯，经机床加工成10mm×10mm×55mm的夏氏V型缺口冲击试样.在0℃、－10℃、－20℃、－30℃4种温度条件下，分别按照GB 2975—82、GB／T 229294标准规定，在JB 2300B机械式半自动冲击试验机上进行冲击试验.

拉伸试样均采用ø12.5mm的试样，并按ASTM A370—2002标准规定，在MTS 810—15自动拉伸试验机上进行.

参考Q／CNPC 108—2004《西气东输管道工程直缝埋弧焊管技术条件》和QSY XQ16 2003《西气东输管道工程用感应加热弯管技术条件》对材料性能进行评述.

2 结果与讨论

2.1 X70级弯管制备中母管二次加热热处理制度与力学性能的关系

2.1.1 二次加热后X70管材的强度性能

试验材料047和G7在不同热处理条件下的强度性能分别如图1－图4所示.

从图1－图4可以看出，材料047和G7的抗拉强度≥570MPa，符合X70弯管技术条件的要求.

但是材料047屈服强度只有在淬火温度≥1000℃和回火温度为550℃时，才满足X70弯管技术条件的要求（≥485MPa）.同样，G7在二次加热后，在所有热处理制度范围内，所有试样的屈服强度都满足X70弯管的技术条件的要求；抗拉强度和屈服强度在淬火温度小于1000℃时，随淬火温度的升高而升高；在1050℃时淬火，以上2个力学性能会下降或保持不变.

材料047的屈强比均能满足X70弯管技术条件的要求，在350℃、450℃时回火，屈强比随淬火温度的升高而升高.材料G7在单纯回火后，屈强比和原始母材接近；但是，在350℃和450℃时回火后，试样屈强比大于0.92.其他情况下均满足要求.

可以看出，在弯管材料的二次加热过程中，达到其标准要求强度指标并不困难.这是因为X70管材二次加热后，淬火和回火工艺都能使强度指标升高［2－3］.而这2种X70弯管材料的屈服强度和抗拉强度性能间的差异主要是由于它们的临界淬透直径Di的不同造成的（Di是指钢材在某种介质中淬冷后，心部得到全部马氏体或马氏体组织时的最大直径）.一些钢的临界淬透直径一般可以通过在油或水中的50%淬透性试验来获得.在本研究中，材料047的临界淬透直径略高于材料G7，这使得2种弯管母材二次加热后强度性能不同.

2.1.2 二次加热后X70材料的韧性性能

研究表明，材料047和G7的夏比冲击韧性在900℃时正常（见图5），但在淬火温度≥950℃时开始出现分散点（见图6和图7）.由此可见，这2种材料二次加热后，其力学性能主要体现为CVN和屈服强度之间的矛盾.

其中，047在淬火温度950℃以下，其全部韧性值符合X70弯管韧性值≥120J的要求.冲击韧性测试温度愈低，CVN分散（一组数据中存在极低数值点的现象）愈严重.

因而，若材料047在1000℃时淬火并在450℃时回火，均能得到满足X70级弯管韧性和强度指标的试验结果.在该试验条件下，材料组织为B（心部和一表面）或B＋M＋少量PF，晶粒度为5级.材料G7在900℃时淬火并在450℃时回火后，其强韧性指标均能达到X80母管的水平，此时金相组织为：心部为PF＋B＋P，表面为M；在950℃时淬火并在550℃时回火后，其强韧性指标能够达到X70弯管技术条件的要求，此时金相组织为：心部为B粒，表面为PF＋B＋P或同时有少量M.

图7 G7试样在950℃时淬火后的冲击功

2.2 二次加热后影响弯管强韧性指标的材料组织变化规律

分别对比不同材料在不同淬火温度下CVN的变化及强度变化和组织的关系，结果发现，当组织中有马氏体出现时，二次加热试样组织的韧性将下降，但强度的变化与之相反.

以G7为例，对不同热处理条件下材料组织和力学性能间的关系进行比较分析.

图8所示为不同热处理制度下的组织分布.

图8 G7试样在不同热处理制度下的组织分布

图9显示，当组织中M增多后，CVN将出现分散点.

图9 G7试样在CVN分散情况下所对应的二次加热材料组织

二次加热后，当组织为PF＋B＋P或同时有少量M出现时，将可能获得最佳的强韧性组合，如图10所示.

图10 最佳热处理制度下所对应的二次加热材料组织

G7试样在最佳热处理工艺下，试样心部和表面金相组织如图11和图12所示.

G7试样在CVN分散情况下对应的金相组织如图13和图14所示.

由图8－图14可知，在弯管制备的二次加热中，控制M（马氏体）的形成是获得强韧性指标匹配的关键因素.这是因为二次加热后，淬火处理使得马氏体含量增多，马氏体的增多使得材料的强度指标大大提高，完全可以满足工艺标准中强度指标的规定，但是马氏体的增多使得材料的韧性下降.这都表现在二次加热后材料的强度指标上，尤其是屈服强度和韧性的矛盾关系上.因此，二次加热能使弯管得到马氏体组织，但马氏体组织并不是热处理要得到的最终组织.同时，回火处理使得材料弹性和强韧性增加.但是，为了最终缓解屈服强度和韧性指标间的矛盾，就需要控制马氏体的形成.而二次加热后，X70弯管的组织优化为PF＋B＋P或同时有少量M，这是因为多边铁素体是一个韧性相；同时珠光体是铁素体和渗碳体的的共析混合物，相当于珠光体是由渗碳体增强的铁素体，它是具有很好的强度和韧性性能的物相.而贝氏体，在本研究中主要是粒状贝氏体，是马氏体和残余奥氏体的混合物，其特性为具有高的强度、韧性和耐磨性能，因而针对X70弯管强韧性匹配的要求，它也是X70级弯管的理想的相组成.正因为多边铁素体、贝氏体及其珠光体是强韧性相，能够完全满足X70级弯管对韧性指标的需求，缓解强度指标大大升高所带来的韧性指标变差的趋势，所以该物相组合为X70级弯管理想的相组合.但若在该级别（X70级）弯管中，二次加热后带来马氏体的增多，就会使强度指标大大提高，而韧性指标大大降低，从而带来屈服强度和韧性之间矛盾的增加.因而，控制马氏体的形成，是制备X70级弯管的关键.

图14 G7试样表面组织M（500×）

3 结 语

（1）对2种不同的X70级弯管热处理过程的研究表明，当淬火温度≥950℃时，管材CVN开始出现分散点.因而，对于X70级弯管，最佳热处理制度一般为淬火温度≤950℃；

（2）在X70级弯管制备中，主要表现为强度和韧性2个指标间的矛盾.对不同母管材二次加热后组织和力学性能数据的分析研究表明，控制马氏体的形成是获得强韧性合理匹配的弯管的关键.

［1］ Joe Knodo，Masaaki Takagishi.Development of Induction Bend Pipe［C］／／.Proceedings of Proceedings of OMAE＇02：21st International Conference on Offshore Mechanics and Artic Engineering June 23－28.Oslo，Norway：OMAE，2002.

［2］ 张小立，冯强，刘迎来，等.二次加热对高钢级管线钢韧性及其组织的影响［J］.材料热处理学报，2008（6）：66－69.

［3］ 张小立，刘迎来，冯耀荣，等.高钢级管线钢二次加热后韧性指标变化规律及其与组织关系探讨［J］.材料开发与应用，2008（1）：1－4.

Study on the Relationship between Microstructure and Obdurability of Reheat Treatment in X70 Bend Pipe Preparation

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

The thermal simulation of mother pipes in the reheating process in bend pipe producing is carried out，in which the relationship between the performance and microstructure of bending pipes are studied.By the research on the relationship between microstructure and properties of two steel with different critical quenching diameter（Di）in reheating process，the relationship between heat treating regime of X70grade bend pipes at heat process and its strength and toughness are discussed，also the regularity of microstructure of these selected materials after heat treat are showed in this paper.The results indicate that the main problem in producing of X70bends is the conflict between strength and toughness，controlling of content of formed martensite is the key points in gainning high quality X70grade bend pipes.

bend pipe；heat process；strength－toughness；martensite；west－east gas project

TG142.1

A

10.3969／j.issn.1671－6906.2012.02.005

1671－6906（2012）02－0023－05

2011－10－08

国家一等博士后基金项目（2006390319）

张小立（1969－），女，甘肃武威人，高级工程师，博士.