冷却速度和Nb含量对X80管线钢MA岛的影响

韩 晨，孙付涛

洛阳有色金属加工设计研究院，河南 洛阳 471039



冷却速度和Nb含量对X80管线钢MA岛的影响

韩 晨，孙付涛

洛阳有色金属加工设计研究院，河南 洛阳 471039

以高Nb X80管线钢为研究对象，利用金相显微镜、扫描电镜和透射电镜等实验设备对钢中MA岛的尺寸、形貌及分布特征进行了研究和分析.研究结果表明，高Nb X80管线钢热轧后，适当提高冷却速度可使钢中MA岛的形貌和分布更为细小和均匀，高的Nb含量促进了条状MA岛的生成.通过调整高Nb X80管线钢的合金成分和热轧后的冷却速度，均可减少MA岛对钢性能产生的不利影响.

X80管线钢；MA岛；高Nb含量；冷却速度；热模拟试验

随着社会和经济的快速发展，以长距离、高压力和大管径为特征的管道越来越多的出现在石油天然气输送工程中，对管线用钢的综合力学性能，尤其是强度和韧性提出了更高的要求[1-3].

MA岛(martensite and austenite，马氏体和奥氏体岛状物)是低C微合金钢连续冷却转变为贝氏体时，在形成板条铁素体的过程中，C在剩余奥氏体内逐渐富集而形成的一种成分.对于高Nb X80管线钢而言，MA岛主要是由于富C奥氏体难以保留至室温，在冷却时转变为马氏体而形成的.MA岛组织与F-P钢中的珠光体不同，后者是高温共析转变产物，尺寸较大，分布于铁素体晶粒的交会点，而贝氏体钢中富C组成物的分布更为均匀，尺寸更为细小，这可能也是贝氏体钢在保持高强度水平的同时仍具有良好的韧性的原因之一.由于MA岛是脆性组成物，它对管线钢的韧性不利，因此，MA岛也是低C贝氏体的一个组织特征，MA岛的数量、大小、形态及分布状态对管线钢的强韧性及HIC抗力有一定的影响[4-6].目前，关于MA岛特征影响因素的研究较少，主要是针对其成分和冷却速度进行研究.

本文利用Gleeble-2000热模拟试验机、金相显微镜、扫描电镜及透射电镜等仪器，对某企业生产的高Nb X80管线钢中MA岛的尺寸、形貌及分布特征进行了观察分析，并与低Nb X80管线钢中的MA岛进行对比，得出了Nb含量与MA岛的关系，并提出了减少MA岛对管线钢强韧性不利影响的工艺措施.

1 试 验

1.1 试验材料

试验材料为某企业生产的高、低Nb X80管线钢连铸坯，切割后锻打成90 mm×120 mm×250 mm的试样，其主要化学成分及含量列于表1.

1.2 试验方法

为了更好地反映生产实际，热模拟试验进行了两阶段的变形和相应的冷却工艺，变形分别在奥氏体再结晶区及未再结晶区进行.

控轧控冷工艺规程如下：分别将直径10 mm，长15 mm的高、低Nb X80管线钢热模拟试样以50 ℃/s加热到1100 ℃，然后再以10 ℃/s加热到1220 ℃并保温3 min，以2 ℃/s冷却到1100 ℃，进行第一道次压下，压下量为5 mm(压下率33.3%)，应变速率3 s-1.然后再以2 ℃/s冷却到930 ℃进行第二道次压下，压下量为5 mm(压下率50.0%)，应变速率10 s-1.其中：降温到1100 ℃和930 ℃时，在压下前各保温10 s，以消除温度梯度.变形结束后以2 ℃/s冷却到850 ℃，再以15 ℃/s和25 ℃/s冷却到530 ℃，然后空冷至室温.

表1 试验用钢的化学成分及含量

将经热模拟试验后的试样沿两个热电偶所在的平面进行分切，然后根据试验需要进行制样、研磨、浸蚀或抛光，并将样品分别置于金相显微镜、扫描电镜和透射电镜下进行微观组织的观察和分析.

2 高Nb钢的MA岛组织特征

以15 ℃/s从850 ℃冷却到530 ℃的高Nb X80管线钢的金相显微组织、扫描电镜组织(SEM)如图1所示.

图1 试验用高Nb X80管线钢的微观组织(a)金相显微组织；(b)扫描电镜组织Fig.1 Microstructure of the high-Nb X80 pipeline tested steel(a) metallurgical microstructure；(b) SEM image

从图1(a)可以看出，高Nb X80管线钢的晶粒尺寸较小，组织中存在粒状贝氏体、针状铁素体和块状铁素体，并以粒状贝氏体为主.从图1(b)中可以看出，钢中的MA岛组织多为点状或长条状，尺寸较小，分布也很均匀，主要以弥散状态分布在贝氏体和铁素体的晶界和晶内.

高Nb X80管线钢在冷却转变为贝氏体时，在形成板条状铁素体的过程中，C在剩余奥氏体内逐渐富集.由于相变温度高，相变驱动力小，转变不能进行到底，会有少量奥氏体残留下来，以岛的形式分布于板条间，同时在大角度晶界上也常有小岛存在，这主要是由于C沿晶界扩散较快.

3 MA岛组织的影响因素及成因分析

轧后冷却速度对微合金钢的组织和性能的影响较大.在相同的变形条件及温度控制下，随轧后冷却速度的提高，钢的晶粒明显变细.当钢中含有一定量的Mn，Nb和Mo等元素时，随冷却速度的提高，先共析的铁素体和珠光体转变被抑制，组织中将出现贝氏体和MA岛组织等低温转变产物，钢的力学性能尤其是屈服强度显著提高[7].本试验设定了15 ℃/s和25 ℃/s两个冷却速度，以分析冷却速度对高Nb X80管线钢中MA岛的影响.采用相同的控轧控冷工艺，分析了Nb含量对X80管线钢中MA岛的大小、形状及分布等特征的影响.

3.1 冷却速度对高Nb钢中MA岛的影响

图2为在15 ℃/s和25 ℃/s冷却速度下，高Nb X80管线钢的扫描电镜组织.从图2可以看出，当冷却速度从15 ℃/s提高到25 ℃/s时，高Nb X80管线钢组织中尺寸较大的粒状贝氏体和块状铁素体变得细小和均匀，MA岛组织变得更为细小和均匀，接近球形或椭圆形，并以弥散状态分布，细小均匀的MA岛组织可有效地提高管线钢的强韧性，进而提高其综合力学性能.在控轧控冷其它工艺参数相同的条件下，冷却速度越大，形核激活能越大，形核速率也越大，其相变后的晶粒越细小、均匀.因此，冷却速度越大，MA岛越细小，形状越接近球形.但冷却速度过大，温度降低太快的话，低温会使C扩散困难，不利于形成一定量的先共析铁素体，会影响钢材的韧性.

图2 试验用高Nb X80管线钢在不同冷速下的SEM组织(a)冷速15 ℃/s；(b)冷速25 ℃/sFig.2 SEM images of the high-Nb X80 pipeline tested steel at different cooling rates(a) cooling rate of 15 ℃/s；(b) cooling rate of 25 ℃/s

3.2 含Nb量对MA岛的影响

图3为低Nb X80管线钢在15 ℃/s和25 ℃/s冷却速度下的扫描电镜组织.由图2和图3可见，当冷却速度为15 ℃/s时，高Nb X80管线钢中的MA岛以条状为主，多分布在板条状贝氏体和铁素体的内部，且有一定的方向性(图2(a))，而在此冷速下，低Nb X80管线钢中的MA岛以点状和块状为主，在铁素体晶内及晶界处均有分布，所含长条状MA岛的数量远低于高Nb X80管线钢(图3(a)).当冷却速度为25 ℃/s时，高Nb和低Nb X80管线钢中的MA岛数量均有所增加，尺寸更为细小圆滑，分布也更均匀.在25 ℃/s冷速下，两种钢中的MA岛的形貌差异更为明显，但基本不存在异形的MA岛.高Nb X80管线钢中几乎全部为长条状MA岛，分布在板条状贝氏体和铁素体的内部或之间，构成小角度晶界(图2(b))，而低Nb X80管线钢中的MA岛仍以点状和块状为主(图3(b)).

图3 试验用低Nb X80管线钢在不同冷速下的SEM组织(a)冷速15 ℃/s；(b)冷速25 ℃/sFig.3 SEM images of low-Nb X80 pipeline test steel at different cooling rates(a) cooling rate of 15 ℃/s；(b) cooling rate of 25 ℃/s

由此可见，冷却速度对高Nb X80管线钢中的MA岛的影响更明显，适当提高冷却速度可使钢中的MA岛尺寸减小，变得较为规则，且分布较为弥散，这对高Nb X80管线钢性能的提高是有利的.

3.3 X80管线钢中MA岛的成因及控制措施

MA岛的形状、大小及分布等特征主要是受钢的成分和冷却速度的影响.成分对MA岛特征的影响主要体现在C含量以及所添加的微量元素在钢中所占的质量分数.

MA岛是富C组织，一般而言，在相同的条件下，C含量越多，MA岛的数量也越多，而C含量对MA岛形貌的影响不大.通过扫描电镜可观察到低Nb X80管线钢中的MA数量明显多于高Nb X80管线钢的，而实际上低Nb X80管线钢中的C含量是高于高Nb钢的(表1)，也就是说C含量对MA岛数量的影响理论分析和试验结果是一致的.

由于两种X80管线钢中都没有添加元素V，而Ti含量基本相同，钛在高温下形成的TiN粒子具有很高的热力学稳定性，很难固溶于再加热态的连铸坯中.因此，元素Nb的含量是影响MA岛特征的主要因素.由于两种钢的热模拟试验参数完全一致，所以钢中MA岛形貌等特征的差异主要是由元素Nb含量的不同造成的.Nb含量的增加促进了条状MA岛的出现，且主要分布在板条状贝氏体和铁素体束的内部或板条束之间.这是因为微合金元素Nb和Ti在增加管线钢奥氏体稳定性的同时，能够使铁素体板条化倾向更为显著，从而导致MA岛多分布于板条间且呈长条状.

MA岛作为一种硬质相，其尺寸大小、形态、分布和数量对于钢的性能尤其是强韧性影响很大.对于所研究的高Nb X80管线钢而言，一定数量的、长宽比相对较小的MA岛对钢的性能尤其是强度的提高非常有利.而在试验研究中，利用透射电镜在高Nb X80管线钢中也发现了一些尺寸较大，形状不规则，存在尖角的MA岛.由于MA岛为富C组织，所以其含C量高于基体，因此，颜色比基体深一些(图4).研究结果表明，当MA岛的长宽比大于4时，会给钢的性能带来不利的影响.

图4 试验用高Nb X80管线钢中不规则MA岛形貌Fig.4 Irregular morphology of MA island in the high-Nb X80 pipeline tested steel

钢在变形时会集中大量的应变，应变的分配与钢中MA岛的数量密切相关，MA岛的数量越多，所承受的应变量也越大，变形后组织的位错密度就越高.因此，在一定体积范围内提高MA岛的数量可以有效地提高钢材的强度和韧性.当组织中MA岛的体积分数一定时，MA岛的尺寸越大，对位错起有效阻碍的粒子越少，在组织中能塞积的位错数量少，钢材的强度就低.而当MA岛的体积分数和大小一定时，其形状对钢的强度和韧性也有较大的影响.有尖角的方形或三角形的MA岛比点状或圆形的MA岛在变形时更容易产生应力集中，从而诱发裂纹，降低了材料的强度和DWTT(落锤撕裂性能)值.如果MA岛在晶界呈链状或网状分布，对钢的强韧性非常有害.因为在外力的作用下，裂纹可以沿着相界迅速扩展，引起脆性断裂，而细小弥散分布的MA岛组织则不易出现裂纹.理想的MA岛应该是数量少、尺寸小、分布均匀，形状接近无尖角的圆形或球状.

在实际生产中，通过调整成分或工艺参数来减少或抑制不规则、尖角、长宽比大于4的MA岛的产生.根据高Nb X80管线钢的成分和实际生产条件，在Nb含量比较高(0.095%)的情况下，为避免MA岛对钢的性能可能带来的不利影响，通过进一步降低C含量(≤0.03%)来控制MA岛的数量，或在控制N含量低于30ppm的前提下，按TiN的理论化学配比值3.42，调整钢中的Ti含量[8]，较低的Ti含量可降低高Nb X80管线钢中MA岛的长宽比.研究结果表明，Ti元素在X80管线钢中的含量小于0.015%时，钢的性能较为理想[9-10].

4 结 论

(1)当冷速从15 ℃/s提高到25 ℃/s时，MA岛不仅尺寸变小，而且分布更为弥散、均匀，形状趋于无尖角的圆形或球状，对管线钢的力学性能有利.

(2)在相同的冷却速度下，提高Nb含量，钢中出现了更多的条状MA岛，多分布在板条状贝氏体和铁素体内部或板条之间，表明高Nb含量促进了MA岛从点、块状向条状转变.

(3)通过成因分析并结合生产实践，对C，N和Ti的加入量进行合理调整，可减少高Nb X80管线钢中带有尖角或长宽比较大的MA岛的数量，以提高X80管线钢的性能.

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Effect on the island of X80 pipeline steel by cooling rate and Nb content

HAN Chen，SUN Futao

LuoyangEngineeringandResearchInstituteforNon-ferrousMetalsProcessing，Luoyang471039，China

The size and morphology and distribution feature of MA (marttensite and austenite) islands in the high-Nb X80 pipeline steel were investigated and analyzed by the OM(optical microscope), SEM(scanning electron microscope) and TEM(transmission electron microscope). MA islands of the high-Nb X80 pipeline steel became more fine and uniform when cooling rate was increased after hot rolled and high-Nb content could promoted formation of the strip morphology MA island. The adverse effects on the high-Nb X80 pipeline steel properties of the MA island could be reduced when the composition and cooling rate were adjusted.

X80 pipeline steel；MA island；high-Nb content；cooling rate；thermal simulation

2015-01-09

韩晨(1982-)，男，河南正阳人，工程师，硕士.

1673-9981(2015)02-0120-05

TG146.22

A