显微组织对针状铁素体X80管线钢屈强比和低温韧性影响规律

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　1 概述
　　石油天然气输送管线钢须同时具备高强度、高韧性、优异耐蚀性和高焊接性能。用大口径、高压管线改善输送效率，尤其是通过高寒地区的中土输气管道，对管线钢的技术条件要求更高。从安全性考虑，管线钢须有低屈强比，在达至塑性非稳态时有更高的变形抗力，以免强度出现突降。
　　依据API标准X70管线钢的屈服强度≥480MPa，-40℃冲击功≥100J及屈强比≤85%。研究表明，440MPa级C-Mn钢采用TMCP工艺，达到低屈强比（约80%）和高韧性（DBTT约-100℃）可行，但对更高钢级获得足够的低屈强比和高韧性极其困难。其根本原因在于优化这些性能，会出现相反的效果。如以牺牲屈强比和韧性作为代价来增加强度；以降低强度为代价来降低屈强比和增加韧性。因此，各国材料学者利用显微组织对高强管线钢屈强比和韧性的影响规律来开发管线钢。
　　绝然不同的两相可得到满意的低屈强比。双相钢通常屈强比低，但不能获得管线钢所有的各种性能要求。若双相钢两相间的强度相差太大，在低温条件下硬的第2相很容易形成裂纹，而抵消韧性作用。
　　近年来，开发针状铁素体或贝氏体管线钢受到广泛重视。生产实践中，这两类管线钢的韧性还有欠缺，因此，在高端管线钢工程应用课题是利用新组元的显微组织，获得强度、韧性和屈强比综合性能符合要求的产品。
　　2 试验步骤
　　沿轧制钢板横向切割拉伸试样毛坯。拉伸试样采用直径.6mm、长度30mm圆棒试样。室温条件下，活动横梁以9mm/min速度做拉伸试验，表明管线钢屈服强度处于非连续屈服状态，以2%变形量作补偿。至少3个试样结果做拉伸性能报告。沿轧制横向切取V型冲击试样（日本JIS标准4号试样）。液氮或乙醇槽内浸渍15min后，按-120～20℃温度，每20℃间隔对试样作试验，与DBTT（韧脆性转变温度）上、下层吸收能量的中点相一致。用SEM（扫描电镜）观察V型冲击试样破坏断口表面，用图像分析仪分析组元相的百分率和晶粒尺寸。
　　3 实验结果
　　不同组元分别为铁素体-珠光体的B钢；针状铁素体作第2相铁素体的C钢；多边形铁素体作第2相针状铁素体的D钢及贝氏体的G2钢管线钢的典型显微组织。
　　铁素体-珠光体钢晶粒尺寸6.8～20.4靘；铁素体-针状铁素体钢中，针状铁素体百分比9.6%～24.1%；铁素体-针状铁素体钢中含约2%珠光体。铁素体-针状铁素体钢晶粒尺寸4.4～7.4靘，比通常铁素体-珠光体钢晶粒度细。
　　显微组织对高强管线钢的屈强比和韧性的特点，表明针状铁素体-铁素体钢在压扁拉长的针状铁素体基体内有约4.5靘规格的多边形铁素体细晶粒。针状铁素体-铁素体管线钢中，铁素体的体积百分率约6%，沿轧制方向间隔测量出的铁素体约为16靘。贝氏体钢为压扁拉长晶粒，其显微组织的组元类似于原先的奥氏体晶粒形态。
　　4 屈强比与低温韧性机理
　　不同组合管线钢的屈服强度和屈强比取决于显微组织组元。通常，低屈服强度有较低屈强比。但鉴于屈强比是屈服强度与加工硬化率函数，仅以低屈服强度就有较低屈强比的结论是不全面的。对铁素体-珠光体钢而言，减小铁素体晶粒尺寸将同时增大屈服强度和屈强比。减小铁素体晶粒尺寸，并减少加工硬化率，会附加增大屈强比效果。铁素体-珠光体钢中有类似于取代珠光体的第2相针状铁素体特性。对铁素体进行针状铁素体基体的变质处理，结果提高屈服强度，并降低屈强比。
　　基于显微组织和力学性能的关联性，优化显微组织以开发高性能管线钢，显示针状铁素体或贝氏体基体内存在多边形铁素体第2相。考虑到改善强度和韧性最有效方法，即晶粒细化导致屈强比增加，在铁素体基钢很难同时优化强度、屈强比和DBTT综合性能。另一方面，针状铁素体基钢或贝氏体基钢比铁素体基钢的屈服强度更高、屈强比更低。针状铁素体基钢或贝氏体基钢的低温冲击产生的不良影响，可导入减小第2相的多边形铁素体有效晶粒尺寸而得到改善。
　　5 结论
　　显微组织管线钢对屈强比和低温韧性的影响有：
　　1)  细化铁素体晶粒度能有效改善铁素体基钢的屈服强度和低温冲击韧性；然而对增大屈强比，产生不利作用。
　　2)  铁素体基钢中，从珠光体到针状铁素体或贝氏体的第2相变质处理除影响DBTT还改善了强度。
　　3)  从珠光体钢作针状铁素体钢或贝氏体钢基体作变质处理，改善强度和屈强比。但比其它显微组织的有效晶粒尺寸粗大，因而DBTT更差。
　　4)  针状铁素体钢基体或贝氏体钢基体导入第2相多边形铁素体，降低强度和屈强比，并改善针状铁素体基钢的低温冲击韧性。
　　屈强比和加工硬化指数变化曲线取决于组织结构类型。为获得0.85屈强比，贝氏体基钢的临界加工硬化指数比针状铁素体基钢或铁素体基钢的临界加工硬化指数低。