MA形成过程和分布对高强度管线钢力学性能的影响

马 璇，王 慧，刘刚伟，芦 琳，杨 俊，郑 浩 编译

（1.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西 宝鸡721008；2.宝鸡石油钢管有限责任公司 钢管研究院，陕西 宝鸡721008；3.宝鸡钢管西安石油专用管分公司，西安710201；4.西安航空学院 能源与建筑学院，西安 710089）

MA形成过程和分布对高强度管线钢力学性能的影响

马 璇1,2，王 慧1,2，刘刚伟1,2，芦 琳1,2，杨 俊3，郑 浩4编译

（1.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西 宝鸡721008；2.宝鸡石油钢管有限责任公司 钢管研究院，陕西 宝鸡721008；3.宝鸡钢管西安石油专用管分公司，西安710201；4.西安航空学院 能源与建筑学院，西安 710089）

为了使抗大变形管线钢具有良好的力学性能，了解MA形成过程对管线钢力学性能的影响，研究了在线热处理和离线热处理工艺下试样MA的显微组织结构和力学性能。研究结果表明，马氏体是MA的主要组成部分，MA的分布和形状在两种热处理工艺下都不同，试样MA中出现碳富集，在线热处理试样MA中的碳浓度高于离线热处理试样，不同形态的MA和基体使材料在裂纹扩展中表现出不同的韧性，在线热处理试样其形成的MA结构具有良好的力学性能。

管线钢；抗大变形；MA；热处理；韧性

随着石油天然气能源需求的不断增加，人们对管线钢的强度、韧性、焊接性和耐腐蚀性能提出了更高的要求。为了确保恶劣环境下管线钢管的正常运行，钢管行业采用应变设计理念来评估管线钢管的塑性形变，并以此设计出抗大变形管线钢管。抗大变形管线钢的组织状态一般为双相组织，分别为铁素体+贝氏体组织和贝氏体+马氏体奥氏体（MA）组织。具有这些组织的管线钢对于因地面运动而引起的大应变具有较高的抗弯折和抗断裂能力。

贝氏体+MA组织可以通过在线热处理和离线热处理工艺来实现。有效利用MA组元是开发高性能材料的方法之一。

本研究对不同热处理工艺下试样MA的结构和力学性能进行了分析，从而确定MA的结构对材料韧性的影响。

1 试验材料及方法

1.1 试样材料

试样采用厚度为25mm的热轧钢板，其主要化学成分见表1。

表1 试验钢板主要化学成分 %

对试样进行两种不同的热处理得到了两种双相组织管线钢。一种是在线热处理，即将试样1加速冷却至600℃以下，再通过高频加热炉加热至650℃以上，最后空冷至室温；另一种是离线热处理，即将试样2和试样3加速冷却至200℃以下，再分别加热至730℃和800℃，分别保温30 min，最后空冷至室温。试验中测得的Ac1和Ac3温度分别是720℃和840℃。

1.2 力学性能检测

拉伸试验以及夏比冲击试验的试样均取自钢板的中间位置。在钢板的横向切取标距长度25mm、直径6.0mm的圆棒拉伸试样，在室温下以2mm/min的速度进行拉伸试验。在垂直于横向位置对标准夏比V形缺口试样进行夏比冲击试验，试验温度为-120℃、-80℃、-40℃以及 0℃。

1.3 显微组织检测

通过使用扫描电镜（SEM）、电子背散射衍射仪（EBSD）、X射线能谱仪（EDS） 和透射电镜（TEM）对试样、夏比断裂表面和第二相的微观组织结构进行观察。

2 试验结果及分析

2.1 力学性能

拉伸试验结果及试样的延伸率如图1所示。从图1中的曲线可以看出，3个试样的抗拉强度、屈服强度以及延伸率的测试值基本相同。

图1 拉伸试验结果及试样延伸率

图2 试样夏比冲击试验结果

图2所示为是试样的夏比冲击试验结果。根据这些结果对3个试样的韧脆转变温度进行估算，分别为-60℃，-70℃和-125℃。即使在强度性能几乎相同的情况下，与试样2和试样3相比，试样1仍然具有良好的韧性。图3为夏比冲击试样断口表面及其横截面的SEM显微组织。由图3可以看出，与试样2相比，试样1的断口表面较为粗糙，试样2的裂纹沿基体和第二相（MA）之间的晶界扩散。有分析称，微观组织的不同会导致力学性能的差异，因此采用SEM和TEM对试样1和试样2进行微观组织分析，详细了解MA的差异。

图3 夏比冲击试样断口SEM显微组织

2.2 MA的显微组织

图4为试样1和试样2的SEM扫描电镜图像，图中箭头所指的明亮区域为MA。由图4可以看出，试样1的MA呈岛状，并随机分布在已发生轻微形变的铁素体—贝氏体组织中；试样2的MA呈圆形，沿多边形铁素体晶粒形成。对试样采用EBSD进行分析，步长0.15μm，结果见图5。图5中在黑暗区域可见第二相，这表明该区域内有高应变。对试样进行TEM显微组织分析，如图6所示，图6中箭头所指为马氏体组织。试样MA的碳浓度测定结果如图7所示。从图7看出两个试样在基体位置的碳浓度基本一致，在MA中出现碳富集，试样1的MA中碳浓度高于试样2。

图4 试样扫描电镜照片

图5 试样EBSD影像图

图6 MA组织TEM显微组织分析

图7 试样MA的碳浓度测定结果

2.3 在线和离线热处理MA成型工艺

试样1在热轧后加速冷却的过程中部分组织由γ相转变为α相，该结构包含贝氏体和未转变奥氏体相，通过在线热处理，试样1组织从γ相到α相的转变停止，贝氏体中多余的碳扩散到未转变的γ相中，空冷过程从富碳的奥氏体到未转变奥氏体的过程中产生了贝氏体和马氏体（MA）的转变。在此过程中，贝氏体+铁素体组织基体中发现了岛状MA。在冷却过程中，逐渐变成MA的残余γ相的周围分布着许多K-S取向的贝氏体组织。

在离线热处理前试样是贝氏体+铁素体组织，特别是晶界，当温度加热至740℃或800℃时，部分组织发生从α相到γ相部分逆转变。高温下，γ晶粒沿含有α基体的随机晶界方向发展，并向着从α相到γ相产生多余碳的方向生长。通过高温热处理，贝氏体变成柔软的多边形铁素体，逆变奥氏体在冷却过程中收缩，与铁素体一同保持随机方向，最后在低于Ar3的温度下，残余奥氏体转变为马氏体。在这个过程中，逆变奥氏体不含K-S取向的矩阵，每个方向的晶界长度都很长。残余奥氏体被较短的K-S取向晶界分割，因此在线热处理试样中的MA呈岛状分布；逆变奥氏体带有较长的随机取向晶界，因此离线热处理试样中的MA周围分布着铁素体晶粒。

2.4 显微组织和韧性的关系

试样MA组织形态的不同会对其力学性能产生不同影响。由于许多裂纹是在MA和基体的界面进行扩展，因此，MA和基体之间的晶粒边界是材料韧性下降的原因。图8为应变约为5%的两种试样EBSD分析图像。从图8可看出，试样1中MA周围应力分布较为均衡，试样2中MA周围局部应力分布不均匀。试样1中如果裂纹始于一个晶粒边界，由于方向不同，裂纹很容易止于另一个晶粒边界。由于局部应变可以在同方向晶界上传播，因此试样2中裂纹始于薄弱晶粒边界处。

图8 试样EBSD分析图像

3 结 论

（1）本研究观察到的MA主要包含马氏体，MA的分布、形状以及晶粒边界特点在在线和离线两种热处理工艺下都不同。

（2）两种试样MA中均观察到碳富集，在线热处理试样MA中的碳浓度比离线热处理试样MA中的碳浓度高。

（3）不同形态的MA和基体使材料在裂纹扩展中显示出不同的韧性，在线热处理形成的MA结构具有良好的力学性能。

译自：TSUYAMA SEISHI.Effects of distribution and the formation process of MA on deformation and toughness of high strength linepipe steel[J].ISIJ International,2013，53（2）：317-322.

Effects of Distribution and the Formation Process of MA on Deformation and Toughness of High Strength Linepipe Steel

Edited and Translated by MA Xuan1,2,WANG Hui1,2,LIU Gangwei1,2,LU Ling1,2,YANG Jun3,ZHENG Hao4
（1.National Petroleum and Gas Tubular Goods Engineering Technology Research Center，Baoji 721008，Shaanxi，China；2.Steel Pipe Research Institute,Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China;3.Xi’an OCTG Company of BSG Group,Xi’an 710201,China；4.School of Energy and Architecture,Xi’an Institute of Aviation,Xi’an 710089,China）

In order to obtain good mechanical properties for pipeline steel with high deformability,for understanding the formation process and its effect on mechanical properties,microstructural analysis of the MA formed through two different heat treatments(on-line heat process and off-line heat process)is conducted.Based on SEM and TEM observation,it is found that the MA consisted mainly of martensite and its distributions and shapes are different between on-line and off-line heat process samples.Carbon concentration occurs in MA of sample,the carbon concentration of on-line heat treatment sample is higher than that of off-line heat treatment,the MA with different shape and substrate material show different toughness in the crack propagation,MA structure formed by on-line heat treatment is with good mechanical properties.

pipeline steel;high deformability;MA;heat treatment;toughness

TE973.1 文献标志码：B DOI:10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.05.012

马 璇（1983—），女，硕士，主要从事管材科技信息编辑工作。

2015-12-8

李 超