实验室条件下超高强度X120钢管微观组织和性能研究

李雅可，马立立，汪 超，杨艳滨，代 金 编译

（1.渤海装备巨龙钢管公司南京分公司，南京 210061；2.渤海装备华油钢管公司，河北 青县 062658）

在长距离天然气输送过程中，为了保证天然气供应量的不断增加，就需要增加管线钢管的直径或输送压力。为了增加管线供应的经济效益，减少综合运营成本，国外很多国家如日本、德国、韩国和加拿大，已开始积极研究和开发X120管线钢管。因此，冶金行业的发展对于X120管线钢的研究和开发变得尤为重要，X120管线钢的应用势必会推动天然气工业的迅猛发展。

1 试验材料和方法

基于巴顿研究所X80～X100钢的研究和分析数据，本研究试样的化学成分见表1。

为了得到X120管线钢所需的下贝氏体组织，试样B的化学成分中添加了0.002%的B，从而大大推迟了奥氏体到铁素体的转变，也就促成了下贝氏体组织的形成。此外，提高钢的淬透性，B元素应以固溶硼的形式沿晶界存在且不与N元素形成氮化硼。为了阻止氮化硼的形成，可以加入Ti元素，因Ti与N更易于结合形成钛氮，加入Mo和Nb也会在一定程度上增加B元素的作用。为了得到X120钢所需的力学性能，同时也为了减小偏析的不均匀性，应在钢中添加B或在不添加B的情况下保证w（C）在0.04%～0.06%之间。将w（Mn）增加至2.0%来弥补低的C含量，实现固溶强化。加入Ni和Cu元素可以有效影响奥氏体转变动力学，Ni元素还能降低材料的韧脆转变温度，提高裂纹扩展所需的能量。

表1 X120管线钢试样的化学成分%

然而，相比不含B的钢，含B的X120钢虽然能得到较理想的下贝氏体组织，但同时也降低了钢的塑性和韧性。因此，当前X120钢的发展研究趋势是化学成分不含B元素（试样A）。试样A和试样B均在TsNIIchermet实验室熔化。从每个被熔化的试验锭中得到60mm×60mm×80mm的试验坯，并以自动方式在300二辊式轧机里将试验坯轧制成11mm厚的带钢。

为了形成轧制和连续加速冷却的温度理论，需要得到在冷却期间奥氏体开始转变分解的起点（Ar3）和贝氏体转变的起始点（Bs）这两个关键值。两种试样的组织转变温度见表2。

表2 试样的组织转变温度

不含B的试验坯用300二辊式轧机轧制且按如下方式冷却：①加热到1150℃；②热机械轧制以实现较小区域的γ相；③快速冷却中断温度分别为500℃，400℃和300℃；④快速冷处理中断后在熔炉中强制回火至620℃（±10℃）；⑤在空气中慢慢冷却。

粗轧制阶段厚度减少的相对值为33%，粗轧后钢板的厚度为40mm；中间冷却时间为3 min，精轧阶段的总厚度减少的相对值为73%。轧制的温度参数见表3，变形参数见表4。

含B的试验坯（B试样）采用热机械方式轧制并在γ区的下部完成轧制。快速冷却的末端温度为450℃，冷却速度为25℃/s，快速冷处理后不需要做强制回火。

表3 X120试验坯热轧制参数

表4 X120试验坯轧制变形参数

轧制后从每个带钢上取下试样做力学性能试验、耐寒性评价和微观组织分析。拉伸试验根据GOST 1497标准，并在WALTERBAI AG试验机上完成；冲击弯曲试验根据GOST 9454标准，并在试样上开有尖底缺口。不同温度下的拉伸试验、冲击试验结果见表5和表6。

表5 X120试样拉伸试验结果

表6 不同温度下X120试样冲击试验结果

2 微观组织结构

不含B元素（A试样）的X120钢力学性能试验结果显示，带钢的末端冷却温度为300℃，且冷却速率在30～35℃/s时拉伸强度值较高，冲击韧性值也较高。快速冷处理后炉中回火2 min并使温度达到620℃±10℃时可以使耐冲击强度增加10%，这是因为回火后可以消除在快速冷却处理期间相间变形所产生的位错。但强制回火与否对抗拉强度和冲击功影响不大，对相对延伸率影响较大，如图1所示。

由图1可以看出，在300℃时冲击功达最大值，但在400℃时的冲击功却比在450～500℃时要低（如图1（c）所示）。冲击功和断裂延伸率与试验温度的关系如图2所示，不含B元素的X120钢具有良好的低温冲击强度和耐冷特性，其韧脆转变温度T50低于-100℃，这就使X120钢更易于在北部寒冷管线建设中使用。

通过TESCAN VEGA扫描电子显微镜观察试样A和试样B的微观组织结构，如图3所示。试样A主要含有粒状贝氏体，含B元素试样B的微观组织主要是细微分散的板条状马氏体。

图1 快速中断冷却温度和X120钢机力学能的影响关系

图2 冲击功和断裂延伸率与试验温度的关系

图3 试样的微观组织

为更进一步的分析，通过JEM-7透射电子显微镜观察微观组织。试样从编号为1,2,7的带钢上选择截取。其微观组织修正为针状铁素体和粒状贝氏体，如图4所示。一般来说，这些微观组织中的晶块或亚晶呈现不规则形状，粒状铁素体贝氏体和细粒状铁素体之间的不同呈现了这样的事实，即细粒状铁素体中的贝氏体晶块中有奥氏体夹杂。比如2#带钢试样的微观组织，在暗场图像中铁素体和奥氏体紧密排列，反射奥氏体的颗粒以箭头标出。另外，粒状铁素体贝氏体亚晶结构中的位错密度比马氏体晶粒中的密度要小，但却比多边形铁素体中的要大。1#和7#带钢上取下的试样具有相似的微观组织，但是与2#带钢中取得的试样组织是不同的。前两者具有“岛状”结构，这种差异使得2#带钢试样冲击功有所降低。这些 “岛状”结构包含奥氏体和MA。

正如1#和7#试样那样，5#试样中含有粒状贝氏体组织，其中还含有少量奥氏体。在铁素体贝氏体晶块边界上的个别区域内还有渗碳体析出物，即紧挨贝氏体的结构。因此，粒状贝氏体铁素体组织结构可以提高相对伸长率和屈强极限比，有助于得到较高的冲击韧性和较低的冷脆性临界值。

图4 微观组织图

含w（B）=0.002%的微合金钢的主要微观组织是低碳细小分散的板条状马氏体。因此，为了更经济地开发使用X120管线钢，降低碳当量，有必要在钢中加入合金元素B。

3 结 语

为了提高不含B元素X120钢所需的力学性能，最佳时效温度为300℃且冷却速度为30～35℃/s；最佳的组织结构应为粒状贝氏体，因为相比较低C细小分散板条状的马氏体组织（含B元素），粒状贝氏体组织具有良好的延展性和冲击韧性。

未来计划在快速冷处理后实施高感应回火，确定其对冲击韧性、耐寒性和均匀延伸率的影响，对强制回火后的微观组织进行更深入的研究。