X100管线钢的连续冷却曲线和相变机制

2020-06-12龚小涛马安博

工业加热 2020年4期

马晶，龚小涛，马安博

(西安航空职业技术学院航空材料工程学院，陕西西安 710089)

近年来国外探究高钢级管线钢较多，国内对X100管线钢仍处于研制试验阶段。X100管线钢比X80及以下钢级管线钢相比，具备更高强度，承受更高压力，同时具有较好的低温冲击韧性和焊接性能。随着控扎工艺的迅速发展，选用不同地冷却速率，过冷度增大，改变了试验钢的原始组织γ→α转变规律。当过冷度增大时，高钢级管线钢会获取(B+F)、(B+M/A)复相组织结构，有效提高试验钢的强韧性[1-3]。文章对低碳、微合金化设计锰-钼-铌的X100管线钢的连续冷却曲线和不同冷却速度下的组织变化进行研究，为后续高钢级管线钢的工艺优化、性能改善和工程应用提供数据参考。

1 试验材料与方法

试验用Mn-Mo-Nb-0.6C的X100管线钢，厚度14.4 mm，其成分为：w(Mn)=1.90%，w(Mo)=0.30%，w(Nb)=0.047%，w(Ni)=0.44%，w(Cr)=0.31%，w(Si)=0.24%，w(C)=0.60%，Fe余量。热处理试样随炉加热到960 ℃，并保温10 min，通过控制冷却速度(Vc=0.05～120 ℃/s)测定其连续转变曲线。为了及时了解试样组织变化，试样选用如图1所示，图1(a)试样测定条件为<50 ℃/s，图1(b)试样测试条件为>50 ℃/s。热处理模拟试验在Gleeble-3500型试验机进行。

为了探究其内部组织结构，试样截取沿轧制方向(RD)×板面法向(ND)面，对试样进行金相分析，经过砂纸打磨-机械抛光-腐蚀等工序后，用型号为RECHART MEF3A设备进行OM显微观察；对于精细组织

图1 热模拟试样的取样图

结构观察，选用SEM显微组织分析，设备型号为TESLA-BS-300；透射电镜观察，严格按照试样制备要求，将试样减薄至50 μm，电解腐蚀后在服役电压200 kV的JEM 200 CX进行电镜分析。硬度测定，加载载荷为10 kg，测量设备是HSV-20型。

2 试验结果及讨论

2.1 临界点的确定

采用热膨胀法测定试验材料的连续转变曲线，当材料发生相变时，其比容变化。依据相变过程的拐点位置，则可确定临界相变点。图2是不同冷却速度(Vcold=0.1 ℃/s、Vcold=1 ℃/s)的ΔL-T曲线。

图2 试验钢在不同冷却速度下的ΔL-T曲线

根据图2测定，当Vcold为0.1 ℃/s时，相变温度是540～710 ℃；当Vcold为1 ℃/s时其对应的相变温度是480～680 ℃。依次类举，不同冷却速度Vcold(0.05～120 ℃/s)下确定试验钢的相变转变温度，测定对应冷却速率的硬度，见表1。随着冷却速度增加，材料的硬度提高。

表1 不同冷却速度下X100管线钢的相变温度、显微组织及硬度

注：F为铁素体；PF为多边形铁素体；QF为准多边形铁素体；P为珠光体；GB为粒状贝氏体；BF为贝氏体铁素体；M为马氏体。

2.2 显微组织

图3是X100试验钢在不同冷却速率下的光学显微组织。

2.3 CCT曲线建立

建立以温度(T)和时间(t)的坐标系，标注不同冷却速率下的试验钢相变转变温度，连接试验钢的组织转变开始点和终了点。采用金相法和硬度测定法[4-5]校正，从而得到试验材料X100的CCT曲线，见图4。

2.4 试验钢连续冷却的相变组织

不同的冷却速度对试验钢的显微组织影响明显。当冷却速度在0.05～0.2 ℃/s时，金相显微组织见图3(a)～图3(c)，试验钢主要生成铁素体，以多边形铁素体PF为主，辅有少量的准多边形铁素体QF和珠光体P。图5是扫描电镜下的显微组织，灰色区域为P，QF呈无规则形状。

图3 不同冷却速率下试验X100钢的显微组织

图4 X100管线钢的连续冷却转变图(CCT曲线)

图5 试样X100钢在冷却速率为0.05 ℃/s的扫描电镜图

当冷却速度为0.5～10 ℃/s时，X100试验钢主要是准多边形铁素体和粒状贝氏体(QF+GB)。当Vcold为0.5～3 ℃/s时，准多边形铁素体QF较多，见图3(d)～图3(f)，进一步观察，如图6所示，QF无规则外形，晶界呈波纹状或锯齿状，如无排序的碎片；TEM下，如图7所示，QF组织中位错密度高。

图6 QF的扫描电镜图

图7 TEM下的QF形态及其位错密度

随着冷却速度(5～10 ℃/s)增加，准多边形铁素体QF减少，而粒状贝氏体GB增加，金相组织如图3(g)～图3(h)和图8所示。由于γ→B属于切变相变，转变过程体积变化使贝氏体周围铁素体诱生高密度位错，见图9。因先析出的铁素体对原始组织奥氏体进行分割，使贝氏体板条更加细密短小，这些组织特征使材料具有高的强韧性。

图8 贝氏体和铁素体

图9 铁素体对板条贝氏体的分割

因粒状贝氏体板条(GB)属低角度晶界，低倍数下显微组织很难分辨，M/A岛状分布于块状基体。M/A岛状组织多存在于原奥氏体晶界、板条束界之间和板条晶间[6]。采用X射线衍射分析，M/A岛的明、暗场及衍射图样分析如图10所示。

图10 试验钢X100的“板条状”残余奥氏体X射线衍射分析

当Vcood>20 ℃/s，试验钢生成贝氏体铁素体(BF)，见图3(k)，BF组织为细密、平行板条状，板条间分布有条状M/A或薄膜状的残余奥氏体A′。随着冷却速率增加，板条更细密，第二相愈细密[6-8]，见图11。SEM显微组织观察下，BF板条特征明显，可清晰分辨奥氏体晶界。

图11 试验钢在中等冷速下的扫描显微组织图

TEM显微组织观察，贝氏体铁素体BF组织形态明显。当转变温度较高时，板条界模糊，不同尺寸的“条状”M/A组元分布于板条间，见图12(a)；当转变温度较低时，组织边界清晰，板条间多呈“薄膜状”残余奥氏体A′，见图12(b)。

图12 贝氏体铁素体BF在不同冷速下的M/A组元

如表2所示，在冷却速率为20～50 ℃/s时，随着冷却速度的增加，试验钢的强度和塑性随之增加。在适当的冷却速度范围内，试验钢的显微组织主要由(B+M/A)组成。随着冷却速度的升高，M/A含量增加。(B+M/A)双相组织中贝氏体基体满足了屈服强度，贝氏体基体强度和M/A组元的相互作用保证了抗拉强度；同时M/A组元细密，碳原子配分使M/A中生成更多的韧性残余奥氏体A′[9-10]。M/A含量增加，不仅使试验钢的强韧性未受损失，反而提高了试验钢的形变能力。

表2 X100管线钢在冷却速度为20～50 ℃/s的力学性能

当Vcold>50 ℃/s时，管线钢转变生成板条状马氏体LM，和贝氏体铁素体BF结构相似，但LM板条组织更为细密(见图3(l))。通过TEM进一步观察，如图13(a)所示，马氏体M板条内部有高位错缠结，M内部含有局部微孪晶见图13(b)。电子衍射分析，马氏体M板条间呈现“薄膜状”的A′。尽管试验钢含碳量低，在TEM电镜下可发现微小区域的魏氏组织分布的碳化物，见图14。