QLT工艺热处理后X80管线钢的显微组织和力学性能

2015-12-09赵文蕾赵月红

机械工程材料 2015年3期

赵文蕾，赵岚，赵月红

（秦皇岛职业技术学院，秦皇岛066100）

0 引言

伴随着中俄天然气供应协议的签订，天然气输送问题再次引起全社会的广泛关注。因天然气的输送距离长且输送环境恶劣，因此，建设高压、长距离输送管线是保证长时期、大规模天然气运输的主要方法［1］。近年来，X80管线钢成为普遍应用的高钢级天然气管道用钢，是建设高压、长距离输送管线的理想用钢。

据API5L标准，X80管线钢的屈服强度应达到552～690MPa，抗拉强度达621～827MPa，屈强比不大于0.93，通常采用低碳、超低硫、铌钒钛微量合金化和控制组织的钼合金化成分设计，经控轧、控冷得到针状铁素体组织，利用晶粒细化、微合金化元素的析出相和位错亚结构等一些强化效应来达到性能要求。目前使用的X80管线钢多为淬火、回火态管线钢。传统的淬火、回火工艺虽然能够满足该钢性能上的要求，但是能够满足强韧性匹配要求的回火温度区间比较窄（小于20℃），而回火温度对力学性能的影响又比较大，特别是对低温韧性的影响，所以回火温度区间窄，没有足够的富余量，在生产上是不利于控制的［2］。在低温用钢领域，经常采用两相区的二次淬火（QLT）工艺来代替传统的调质处理，用以改善钢的综合性能，目前有关X80管线钢进行QLT工艺处理的研究比较少。为稳定控制X80管线钢的性能，作者采用不同回火温度的QLT工艺对其进行热处理，研究了回火温度对其显微组织与力学性能的影响。

1 试样制备与试验方法

试验钢在50kg真空感应炉内冶炼，采用铝脱氧，不加稀土，其化学成分见表1。钢坯在1 180℃保温2h开坯后轧制成厚度为16mm的钢板，开轧温度不低于1 100℃，一阶段终轧温度不低于1 020℃，开冷温度（800±10）℃，终冷温度400℃，返红温度（450±10）℃；冷速为15～20℃·s-1。轧制态试验钢的显微组织为粒状贝氏体和板条贝氏体的混合组织。

采用热膨胀法测得试验钢的临界点Ac1为685℃、Ac3为850℃。将试验钢切割成200mm×200mm×16mm的试样进行QLT热处理，即先加热至920℃，保温40min后水冷；然后马上在830℃进行临界淬火处理，保温时间为40min，水冷；最后在370～610℃进行回火处理，保温时间为1h，空冷。

表1 试验钢的化学成分（质量分数）Tab.1 Chemical composition of the tested steel（mass） %

从不同温度回火处理后的试样上切割金相试样，磨制抛光后用体积分数为4%的硝酸酒精溶液腐蚀，采用Axiover-200MAT型光学显微镜、S-3400型扫描电子显微镜（SEM）观察显微组织。从不同温度回火处理后的试样上截取厚度为100～200μm的薄片，手工磨光后切割成直径为3mm的薄圆片，采用双喷的方法进行最终减薄，采用JOEL-2010型透射电子显微镜（TEM）观察组织的精细结构与析出相；将金相试样重新磨制抛光，采用Lapera腐蚀剂（体积分数为4%的苦味酸酒精溶液与质量分数为1%的硫代硫酸钠水溶液按1∶1的比例配制）进行着色腐蚀，采用Axiover-200MAT型光学显微镜观察M/A岛的形态，并采用Image pro-plus软件计算出M/A岛的面积分数。

在热处理后试样上，沿轧制方向切取尺寸为φ10mm×150mm的标准拉伸试样，按照GB/T 229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》，夹头以3mm·min-1的恒定速度在MTS NEW810型拉伸试验机上进行室温拉伸试验；在垂直于轧向上截取尺寸为10mm×10mm×55mm的标准冲击试样（无缺口），按照 GB/T 13239-2006在 NCS系列500J型仪器化摆锤式冲击试验机上进行冲击试验，试验温度为-20℃。

2 试验结果与讨论

2.1 显微组织

从图1可见，在370～610℃回火后，试验钢的组织均为铁素体和贝氏体，且在贝氏体的基体和边界上还分布着 M/A岛，M/A岛的大小不一，尺寸较小的主要分布在贝氏体内部，尺寸较大的主要分布在贝氏体和铁素体的晶界上；随着回火温度升高，铁素体的数量明显增多，且尺寸略有增大，而贝氏体和M/A岛的数量显著减少。

图1 在不同温度回火后试验钢的SEM形貌Fig.1 SEM morphology of tested steel after tempering at different temperatures

由图2可见，当回火温度为370℃时，从基体上开始析出（黑色）短棒状碳化物；当回火温度升高到490℃时，碳化物开始发生球化，并主要聚集在贝氏体板条边界上；当回火温度进一步升高到610℃时，碳化物明显长大。

2.2 M/A岛的形态与含量

由图3可见，铁素体基体为灰色，M/A岛为白色；当回火温度为370℃时，M/A岛数量较多，尺寸较大，块状M/A岛主要分布在铁素体和贝氏体的晶界处，而尺寸较小、长条状M/A岛主要分布在贝氏体板条之间；当回火温度升至490℃时，M/A岛的数量明显减少，尺寸也减小，此时由于贝氏体板条边界不明显，M/A岛主要以块状分布于铁素体边界，并以粒状分布于贝氏体内部，而且分布得更加均匀；当回火温度升至610℃时，M/A岛的数量进一步减少，非常细小的M/A岛以小块状或粒状在铁素体边界和贝氏体内部呈无序排列。

图2 在不同温度回火后试验钢的TEM形貌Fig.2 TEM morphology of tested steel after tempering at different temperatures

图3 不同温度回火后试验钢中M/A岛的OM形貌Fig.3 OM morphology of M/A islands in tested steel after tempering at different temperatures

从表2可知，在370～610℃回火温度区内，随着温度升高，试验钢中M/A岛的面积分数由3.1%下降到1.4%；M/A岛的平均尺寸由2.1μm减小到0.8μm。

表2 在不同温度回火后试验钢中M/A岛的分析结果Tab.2 Quantitative results of M/A island in tested steel after tempering at different temperatures

2.3 力学性能

由图4可以看出，随着回火温度由370℃升至610℃，试验钢在室温下的屈服强度从615MPa降至555MPa，抗拉强度则从780MPa降至635MPa，屈强比从0.78升至0.88。依此可以推测，屈服强度的下降是由α相基体的高温回火软化以及γ稳定化元素的再分配使得其在α相中的固溶强化作用被削弱这两个因素共同造成的［3］。将QLT工艺中的回火温度控制在370～610℃，可以使试验钢同时满足屈服强度和抗拉强度的要求。

图4 在不同温度回火后试验钢的拉伸性能Fig.4 Tensile properties of tested steel after tempering at different temperatures

图5 在不同温度回火后试验钢的低温（-20℃）冲击功Fig.5 Low-temperature（-20℃）impact energy of tested steel after tempering at different temperatures

由图5可见，试验钢在-20℃的冲击功随着回火温度升高而显著增大。

试验钢组织中M/A岛的含量和尺寸对其低温韧性具有重要影响［4］，粗大的 M/A岛本身并不具备大的塑性变形能力，且容易诱发裂纹，使试验钢在裂纹扩展后发生解理断裂。经回火处理后，M/A岛分解，其含量降低，尺寸减小，且分布得更加弥散，在细小的M/A岛上不易形成裂纹，且裂纹扩展到细小的M/A岛处时会发生路径偏转，单位裂纹扩展路径较小，因此回火后的M/A岛可有效改善试验钢的低温冲击韧性［5］。随着回火温度升高，M/A岛的分解程度不断增加，因此低温冲击功不断增大。兼顾冲击韧性和强度，回火温度控制在430～490℃较好。