X 7 0管线钢连续冷却转变规律的试验研究

供稿|靳芳芳，李钧正，刘守显 / JIN Fang-fang, LI Jun-zheng, LIU Shou-xian

管线钢是一种控制轧制和控制冷却技术相结合进行生产的一种低碳微合金化钢，不同的工艺条件下，管线钢中存在多种组织，如多边形铁素体、准多边形铁素体、珠光体、针状铁素体等。管线钢中的针状铁素体实质上是粒状贝氏体、贝氏体铁素体或是粒状贝氏体与贝氏体铁素体组成的复相组织[1]。以针状铁素体为主的组织结构能够优化材料的强韧性，一定成分的钢种形成针状铁素体需要合理控制轧后控冷工艺。

本文利用Gleeble-3500热/力模拟试验机研究X70管线钢连续冷却过程中组织转变的规律，为X70轧后控冷工艺的制定及改进提供帮助。

控制轧制和控制冷却技术结合起来，能够进一步提高钢材的强韧性和获得合理的综合性能，并能够降低合金元素含量和碳含量，节约贵重的合金元素，降低生产成本。

试验材料与方法

试验材料

试验材料为X70连铸坯，其化学成分如表1所示，试样尺寸如图1所示。

表1 试验钢的化学成分(质量分数) %

试验方法

热模拟试验在Gleeble-3500热/力模拟试验机上进行，试样以10 ℃/s的速度加热至1180 ℃，保温5 min；以5 ℃/s的速度冷却到1100 ℃，保温30 s，变形量60%，应变速率为7 s-1，以5 ℃/s的速度冷却到850 ℃，保温30 s，变形量60%，应变速率为8 s-1，然后分别以0.1~50 ℃/s不同的冷却速度冷却至室温。试验过程中采集温度、膨胀量数据，采用膨胀法绘制膨胀量—温度曲线，根据冷却过程中膨胀量—温度曲线上出现的拐点测定相变开始点与结束点。磨制抛光试样，然后进行浸蚀，使用LEICA Q550MW型图像分析仪观察分析金相组织，确定组织类型。 根据相变开始温度、结束温度以及对应的组织类型，绘制试验钢种的动态CCT曲线。

图1 试样尺寸

试验结果与分析

连续冷却过程中相变点的测定

冷却过程中发生相变时，在膨胀量—温度曲线上将出现拐点对应相变开始点与结束点，利用切线法确定各相的转变开始温度与结束温度。图2为冷速为15 ℃/s、25 ℃/s时的CGauge-T曲线。

图2 不同冷速时的CGauge-T曲线。(a)15 ℃/s；(b)25 ℃/s

连续冷却转变组织的显微特征

对金相组织进行观察，分析冷却速度对组织转变的影响。图3为不同冷速时X70的转变组织。冷速为0.1～1 ℃/s时，连续冷却转变组织为多边形铁素体及少量珠光体。多边形铁素体具有规则的外形，晶界清晰光滑平直，呈等轴或规则的多边形状。随着冷却速度的提高，多边形铁素体组织逐渐细化。当冷速提高到5～25 ℃/s范围内时，珠光体退化消失，出现具有粗糙模糊凹凸不平的边界，类似无特征的碎片，大小参差不齐，形状不规则的准多边形铁素体；部分铁素体边界及内部可看到点状或粒状的M-A岛组元无规则的分布在其中，此种组织即为粒状贝氏体。在此冷速范围内，随着冷却速度的升高多边形、准多边形铁素体的含量减少，粒状贝氏体量增加，晶粒细化。冷速在5～25 ℃/s范围内时转变组织类型为多边形铁素体、准多边形铁素体及粒状贝氏体。在此冷速范围内，随着冷却速度的增大，奥氏体向多边形铁素体和准多边形铁素体转变得到了一定程度的抑制，逐渐减少，铁素体晶粒进一步细化，点状或粒状M-A岛含量增加，粒状贝氏体组织含量增加。冷却速度提高到30 ℃/s时，抑制了奥氏体向多边形铁素体组织转变，组织类型为准多边形铁素体和粒状贝氏体。粒状贝氏体实际上是由铁素体板条及M-A岛组成，铁素体板条并排成束。同一板条束中的条具有相同的晶体学位向，位向差为6～8°，板条之间为小角度晶界对侵蚀不敏感，板条界不清晰。使用光学显微镜观察显示为块状，在块状的内部或边界可观察到呈粒状或点状的M-A岛，使用透射电镜才能清楚准确的观察铁素体板条以及M-A岛的形态。当冷速提高到40～50 ℃/s范围内时，准多边形铁素体组织转变消失，组织中出现一定量的贝氏体铁素体，组织类型为粒状贝氏体和贝氏体铁素体即针状铁素体。与粒状贝氏体相似，贝氏体铁素体中铁素体呈板条状平行排列，形成板条束，M-A岛分布在铁素体板条间，板条间为小角度晶界，板条束界为大角度晶界。在光学显微镜下依稀可见铁素体板条，在透射电镜下可清晰辨认。

图3 不同冷速下的显微组织。(a)0.1 ℃/s；(b)5 ℃/s；(c)25 ℃/s；(d)30℃/s；(e)50℃/s

随着冷却速度的提高，X70管线钢的过冷奥氏体依次转变为多边形铁素体、准多边形铁素体、粒状贝氏体以及贝氏体铁素体。多边形铁素体在高的转变温度，慢的冷却速度下形成，属于扩散型转变，接近于平衡相。其生长表现为置换原子的快速迁移及碳原子的长程扩散，生长速度较慢，最终的晶粒呈规则的多边形。准多边形铁素体是在较多边形铁素体低的温度、较快的冷却速度下藉块状转变而形成的，原子的置换与迁移发生在界面上，为短程扩散，转变速度快，晶粒形状高度的不规则。粒状贝氏体和贝氏体铁素体均是通过切变和扩散混合型转变而成，都是由铁素体板条平行排列成束，板条间分布着M-A岛。光学显微镜下，粒状贝氏体中的铁素体板条分辨不清，贝氏体铁素体中板条化倾向更为明显，依稀可见[2]。粒状贝氏体中的M-A岛呈块状或条状，贝氏体铁素体中的M-A岛呈针状或薄膜状。这两种组织统称为针状铁素体，具有高的位错密度以及较好的强韧性。

X70管线钢的动态CCT曲线

根据组织观察分析以及冷却过程中的膨胀曲线，确定相变点，最终绘制动态CCT曲线如图4所示。图中P为珠光体，PF为多边形铁素体，QF为准多边形铁素体，GB为粒状贝氏体，BF为贝氏体铁素体。

图4 试验钢的动态CCT曲线

结论

(1) 冷却速度在0.1～1 ℃/s时，X70管线试验钢的组织类型为多边形铁素体与少量珠光体；冷速为5～25 ℃/s时，组织类型为多边形铁素体、准多边形铁素体及粒状贝氏体；当冷速升高到30 ℃/s时，抑制了多边形铁素体的转变，组织类型为准多边形铁素体、粒状贝氏体。

(2) 冷却速度在大于40 ℃/s时，过冷奥氏体转变为粒状贝氏体与贝氏体铁素体的混合组织，即为针状铁素体，具有良好的强韧性，使试验钢具有良好的力学性能。

[1] 冯耀荣, 高惠临, 霍春勇, 等. 管线钢显微组织的分析与鉴别. 西安:陕西科学技术出版社, 2008

[2] 彭涛, 高惠临. 管线钢显微组织的基本特征. 焊管, 2010, 22(7): 5