Ti含量对X65管线钢组织与力学性能的影响

王中学，王 博，杜 益，吴开明

(1.莱芜钢铁集团有限公司，山东 莱芜，271104；2．武汉科技大学国际钢铁研究院，湖北 武汉，430081)

新型管线钢作为石油、天然气输送用管材已成为材料研究领域的热点[1]。目前实验室已开发出X120级别的管线钢[2-3]， 国内实际应用的管线钢多为X70、X80级别[4]，其中耐酸性管线钢多停留在X65级别。为了满足管线钢较高强韧性的要求，业界大多采用的是低碳微合金化成分设计，而有关Ti微合金化成分设计方面的研究较少。

本文采用Nb-Ti复合微合金化、低碳低合金成分设计方案，研究Ti含量对X65级别管线钢显微组织和力学性能的影响，以期对新型Ti微合金化耐酸性管线钢的开发提供理论依据。

1 实验

采用Nb-Ti复合微合金化、低碳低合金的成分设计方案，两组试样主要成分差别在于Ti含量的不同， 1#样品w(Ti)=0.05%，2#样品w(Ti)=0.11%。试验X65管线钢化学成分如表1所示。

表1 试验X65管线钢化学成分(wB/%)Table 1 Chemical compositions of X65 pipeline steels

采用实验室真空熔炼，利用Al脱氧，在1200 ℃下保温2 h，轧制温度为1150～900 ℃，轧制成1000 mm×14 mm×8 mm的板材，空冷至室温。用线切割机在垂直于板材轧制方向上截取14 mm×8 mm×8 mm试样，经打磨抛光后用硝酸酒精溶液腐蚀，在光学显微镜(OM)和扫描电镜(SEM)下观察试样显微组织。测量两组样品中铁素体平均晶粒尺寸，用网格法统计各自的珠光体组织含量。采用碳复型方法萃取样品中的析出相，用透射电镜分析其形貌。根据《GB/T 228—2002 金属材料室内拉伸试验方法》测试样品的室温拉伸性能。在平行于板材轧制方向上截取规格为55 mm×10 mm×7.5 mm的冲击试样，根据《GB/T 229—2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法》测试样品0 ℃下CVN冲击功。

2 实验结果

2.1 显微组织

两组样品的OM和SEM照片如图1和图2所示。可以看出，两组样品显微组织均为多边形铁素体+少量珠光体，铁素体晶粒间呈大角度晶界，部分铁素体尺寸较大； 1#样品中珠光体片层结构明显，2#样品中退化珠光体组织(DP)含量比1#样品明显多，部分珠光体组织形态严重退化。从SEM照片中可以看出，铁素体晶粒中有大量析出物，这些在较高温度下析出的碳氮化物能够有效钉扎奥氏体晶粒，从而起组织细化作用(图中箭头所指处)。

(a)OM 照片 (b)SEM照片

图11#管线钢OM和SEM照片

Fig.1OpticalmicroscopicandSEMimagesofPipelineSteel1

(a) OM照片 (b)SEM照片

图22#管线钢OM和SEM照片

Fig.2OpticalmicroscopicandSEMimagesofPipelineSteel2

试验X65管线钢铁素体晶粒尺寸和珠光体含量如表2所示。从表2中可看出， 2#样品中铁素体晶粒平均尺寸较1#样品尺寸明显减小，珠光体含量降低。表明Ti含量增加后，X65管线钢中铁素体晶粒尺寸细化，珠光体含量降低，珠光体形态退化。

表2试验X65管线钢铁素体尺寸和珠光体含量

Table2GrainsizeofferriteandcontentofpearlitefortheX65pipelinesteels

样品号铁素体尺寸/μm珠光体率/%118.55.92213.24.63

2.2 第二相粒子

试验X65管线钢析出物形貌和成分如图3所示。从图3中可看出，两组样品的析出物种类基本相同，均为Ti和Nb的碳氮化物，析出物数量较多，俱均匀分布于基体上；较大尺寸的析出物含Ti较多，较小尺寸的析出物含Nb较多。对两组样品的析出物数量和尺寸分布进行统计，结果如图4所示。从图4中可看出，2#样品析出物数量明显多于1#样品析出物数量；两组样品的析出物尺寸均较大，以120～270 nm粒径分布居多，其中180～210 nm粒径的析出物含量最高，所占比例超过15%。

(a)1#样品 (b)2#样品

图3试验X65管线钢析出物形貌和成分

Fig.3MorphologyandcompositionoftheprecipitatesfortheX65pipelinesteels

(b)析出物尺寸分布图4 试验X65钢析出物数量和尺寸分布

Fig.4AmountandsizedistributionoftheprecipitatesfortheX65pipelinesteels

2.3 拉伸和冲击性能

试验X65管线钢室温拉伸性能如表3所示。从表3中可看出， 2#样品抗拉强度、屈服强度和屈强比均较1#样品有所增大，延伸率有所降低。试验X65管线钢0 ℃时CVN冲击功如表4所示(括号内数值为厚度为7.5 mm非标准试样实测冲击功，括号外为转换成标准试样后的冲击功)。从表4中可见， 2#样品较1#样品0 ℃时CVN冲击功平均值显著增大，且由脆性断口转变为韧性断口。2#样品拉伸与冲击性能均满足API Spec 5L—2007标准中X65级别管线钢性能要求(抗拉强度不小于531 MPa,屈服强度不小于448 MPa,0 ℃时冲击功在40～95 J以上)。

表3试验X65管线钢室温拉伸性能

Table3TensilepropertiesatambienttemperatureoftheX65pipelinesteels

样品号Rm/MPaRp0.2/MPaA/%Rp0.2/Rm152939426.00.74257545123.70.78

表4试验X65管线钢0℃时CVN冲击功

Table4CVNimpactenergyat0℃oftheX65pipelinesteels

样品号CVN冲击功/J平均值/J127(20)13(10)13(10)18(13)2197(148)173(130)209(157)193(145)

3 分析与讨论

3.1 Ti含量对X65管线钢显微组织的影响

在奥氏体连续冷却转变过程中，多边形铁素体首先在晶界处形核，铁素体长大过程中逐渐向剩余的奥氏体中排C，使得铁素体之间形成局部富C的残余奥氏体，在较慢冷速下，富C奥氏体最终分解为珠光体。珠光体的转变是先共析铁素体或渗碳体在晶界处形核后向晶内长大，最终形成片层状。试验钢中珠光体形态退化的主要原因是，强碳化物元素Ti降低奥氏体的稳定性，使得富C过冷奥氏体在发生相转变时渗碳体能够在奥氏体位错或点缺陷处领先形核，并向不同方向长大，从而形成退化珠光体[5]。珠光体转变示意图如图5所示。可以认为，退化珠光体是片层状珠光体和粒状珠光体的中间形态，其力学性能介于两者之间，强度、硬度比层状珠光体低，塑性、韧性优于层状珠光体。2#样品较1#样品珠光体退化严重，珠光体中的渗碳体不再呈现规则的层状排列，部分渗碳体片层弯曲、断裂，呈短棒状或粒状存在，因而增大了渗碳体与铁素体位错密度，使材料冲击韧性增强[6]。使用JMatPro软件对两组不同Ti含量的X65管线钢显微组织中第二相析出状况进行模拟，结果如图6所示。从图6中可看出，两组样品的碳化物开始析出温度相近，渗碳体析出温度均在700 ℃左右；由于Nb、Ti与C的结合能力高于Fe与C的结合能力，所以样品中的C首先与Nb、Ti结合生成NbC或TiC，又因为2#样品中Ti含量是1#样品的两倍，所以2#样品中碳化物含量大于1#样品，渗碳体含量小于1#样品，这与表2结果相吻合。

(a)片层状珠光体转变

(b)退化珠光体转变图5 珠光体转变示意图[6]Fig.5 Schematic illustration for pearlite transformation

(a)1#样品

(b)2#样品图6 试验X65钢第二相析出状况模拟

Fig.6SimulationoftheprecipitationofsecondaryphasesfortheX65pipelinesteels

TiC与NbC析出温度相近，但是Ti与C的结合能力更强，所以在热轧冷却过程中，TiC首先析出，而由于Ti元素含量较高，导致两组样品中的碳化物粒子均发生了一定程度的粗化，Ti使得NbC在较低温度下析出，所以在较小尺寸析出物粒子中Nb含量较多。碳化物在基体的溶解度随温度降低而减小，热轧过程温度冷却至一定程度，碳化物溶解量过饱和时便会在晶界或晶内析出。2#样品中Ti含量远高于1#样品，所以冷却过程中碳化物在更多位置上析出，其结果是2#样品中的析出物数量远高于1#样品。

3.2 Ti含量对X65管线钢力学性能的影响

固溶状态下，微量Ti的固溶强化作用很强，Ti在钢中的固溶度非常低，试验钢中Ti大部分以TiC形式析出。根据TiC在奥氏体中的固溶度积公式[7]，可算出1#样品中TiC开始析出的温度在1100 ℃左右，2#样品析出温度高于1150 ℃。管线钢在900～ 1150 ℃的轧制过程中，其组织中部分未溶的碳化物能够钉扎奥氏体晶界，阻碍奥氏体晶粒长大。由于2#样品较1#样品碳化物溶解温度高、碳化物数量多，因此2#样品晶粒细化效果更好，其奥氏体分解产物——多边形铁素体尺寸更细小。2#样品中的大量析出物使其晶界强化和沉淀强化效果高于1#样品，所以2#样品的屈服强度和抗拉强度均高于1#样品。

通常情况是材料中珠光体含量越高，韧性越低[8-9]。当2#样品中加入较多的Ti时，一方面吸收更多的C，使得珠光体含量下降的同时提高了材料韧性；另一方面，形成了更多的析出物钉扎奥氏体晶界，使组织细化，晶界增多，阻碍了裂纹扩展[8]，提高了材料韧性。所以Ti含量为0.11%的2#样品0 ℃时CVN冲击功大于1#样品。

4 结论

(1)Ti含量在0.05%～0.11%时，X65管线钢组织为多边形铁素体+少量珠光体。随Ti含量增大，铁素体晶粒尺寸减小，珠光体形态退化、含量降低。析出物主要尺寸为120 ～270 nm，析出物数量随Ti含量增大而增多。

(2)Ti含量在0.05%～0.11%时，X65管线钢强度和冲击韧性随Ti含量增大而提高，Ti含量为0.11%时，材料拉伸和冲击性能满足API Spec 5L—2007标准中X65级别管线钢要求。

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