低成本X70 管线钢力学性能的各向异性研究

2019-07-16刘在龙边育秀赵彦峰

山西冶金 2019年4期

刘在龙，边育秀，赵彦峰

（山西太钢不锈钢股份有限公司技术中心，山西太原 030003）

石油、天然气是国民经济的重要战略物资，管线钢是将石油、天然气等能源从遥远的开采地输送到用户使用地点的特殊材料[1]。由于铺设环境的特殊性，要求管线钢兼具高强度、高韧性和良好的焊接性能[2]。

目前，为了降低成本、节约能源，大口径管线用X70 管线钢多采用低成本成分设计，所谓低成本即以低碳的Mn-Nb-Ti 系为主，适当添加Ni、Cr、Mo 等合金元素强化基体，通过热机械轧制工艺（TMCP）获得性能满足API 标准要求的热轧卷板[3]。TMCP 工艺通过使变形奥氏体晶粒转变成非平衡α 相，从而获得最终的针状铁素体+少量贝氏体+M/A 岛的细晶组织。轧制过程的大变形促进晶粒沿轧制方向形核生长，造成宏观的各向异性。

本文通过对拉伸测试、冲击测试、DWTT 测试和显微组织的观察分析，研究低成本X70 管线钢各向异性的特点。

1 实验材料及方法方法

本实验选取的低成本X70 管线钢主要化学成分如表1 所示。

表1 试验用低成本X70 管线钢化学成分 %

按图1 所示方向，取Φ12.5 mm 直径的圆棒拉伸试样，在Zwick I Roell 1 200 kN 电液伺服拉伸试验机检测力学性能；取10 mm×10 mm×55 mm 冲击试样，从-60 ℃到室温每隔20 ℃进行冲击测试，并对断口进行扫描显微镜（SEM）观察和分析；取全尺寸落锤试样，从-60 ℃到室温每隔20 ℃进行DWTT 检验。取金相试样在Leica 金相显微镜下观察金相组织。

图1 取样方向示意图

2 实验结果与讨论

2.1 拉伸性能

工业实践中，热轧卷板多采用螺旋埋弧焊接的方式加工成钢管，根据管径和板宽的不同，有不同的成形角度，常见的成形角为30°、45°[4]。制管过程中由于包申格效应和加工硬化效应的综合影响，管体比卷板的拉伸性能有20～50 MPa 变化，因此为保证制管后拉伸性能满足标准要求，对热轧钢卷的斜向（与轧向呈成形角）性能的研究极为必要。

本研究选取横向、30°、45°、60°、纵向5 个方向进行拉伸试验，屈服强度和抗拉强度检验结果如下页图2 所示。

从试验结果可以看出，屈服强度和抗拉强度随取样角度变化的趋势相同，即横向＞纵向＞斜向，30°出现最低值。屈服强度横向检测结果为620 MPa，30°方向检测结果为535 MPa，不同取样方向的波动范围85 MPa。抗拉强度横向检测结果为740 MPa，30°方向检测结果为645 MPa，不同取样方向的波动范围95 MPa。本研究用低成本X70 管线钢拉伸性能的各向异性明显。从应力应变曲线可以看出，不同取向的拉伸过程中都没有出现屈服平台，屈服后试验钢板的真应力先随其真应变的增加略有降低，随后极速增加至断裂。应变随应力变化趋势符合低碳合金钢一般趋势。

图2 5 个方向试样的拉伸性能结果和拉伸曲线

2.2 韧性

对5 个不同取样方向试样的系列冲击和系列DWTT 进行研究，系列温度选取：20 ℃，0 ℃，-20 ℃，-40 ℃，-60 ℃。图3-1 为五个方向试样的系列温度冲击曲线。由图可知，不同取样方向的冲击吸收功全部超过280 J，说明裂纹在缺口尖端处生成后稳定扩展至断裂，没有形成裂纹失稳扩展的现象，表现为韧性状态。这一点从图4 也可以看出，-60 ℃横向试样冲击断口形貌只有纤维区和剪切唇区，剪切面积100%。

图3-2 为五个方向试样的系列温度全厚度DWTT剪切面积曲线。由图可知，不同取样方向的剪切面积全部大于85%，未发生脆性断裂，斜向性能更是全部达到90%以上，DWTT 性能的各向异性不明显。

图3 五个方向试样的系列温度- 冲击曲线和系列温度-DWTT 曲线

图4 -60 ℃横向试样冲击断口形貌

2.3 金相组织

低成本X70 管线钢的组织主要是针状铁素体+少量粒状贝氏体+M/A 岛，如图5 所示，晶粒在轧制过程中沿轧制方向拉长，90°方向晶粒最小。但30°、45°和横向（90°）在微观组织上的差别不是很大。从三个方向上看，均有M/A 岛状组织分布在铁素体的晶界上，在90°方向上呈近圆形的颗粒状，而在斜向方向上呈长条状分布，随着与轧制方向角度的增大，M/A 岛组织在逐渐减少，而针状铁素体量在逐渐增多，因此，横向（90°）方向的强度要高于其他方向的强度。45°方向上较少的分布不均匀且长条状的M/A岛组织是其强度降低的原因，从金相组织上看，各向异性不明显。