高NbX80管线钢M/A岛研究

韩 晨，孙付涛

﹙中色科技股份有限公司，河南 洛阳471039﹚

高NbX80管线钢M/A岛研究

韩 晨，孙付涛

﹙中色科技股份有限公司，河南 洛阳471039﹚

以高Nb X80管线钢为研究对象，对钢中M/A岛的大小、形貌和分布特征进行了分析。结果表明，冷却速度的提高使钢中M/A岛尺寸更为细小，分布更为弥散、均匀，形貌趋于圆形或球状，有利于提高管线钢的力学性能；相同的冷却速度下，提高Nb含量可以促进了条状M/A岛的生成，说明高Nb含量促进了M/A岛从点状、块状向条状的转变；合金成分和冷却速度的调整可以减少M/A岛对钢性能产生的不利影响。

高Nb钢；X80管线钢；M/A岛；合金成分；冷却速度

0 前 言

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，这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]。

M/A岛是低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，M/A岛主要是富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。M/A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。然而M/A岛毕竟是脆性组成物，它对管线钢的韧性存在不良作用，因此M/A岛也是低C贝氏体的一个组织特征，M/A岛的数量、大小、形态及分布对管线钢的强韧性及HIC抗力有一定的影响[4-6]。目前，关于M/A岛特征影响因素的研究较少，从理论上分析主要还是成分和冷却速度。

为了分析高Nb X80管线钢中M/A岛的组织特征，并得出冷却速度和高Nb含量对其大小、形状、分布特征的影响，笔者利用Gleeble－2000热模拟试验机、金相显微镜、扫描电镜和透射电镜等对某企业生产的高Nb X80管线钢进行了观察分析。同时，通过和低Nb X80管线钢中M/A岛的对比，得出了高Nb含量对M/A岛产生的影响，并提出了M/A岛的工艺控制措施。

1 试验方案

1.1 试验材料

试验材料选择某企业生产的高Nb、低Nb X80管线钢连铸坯，锻打后进行取样试验，其主要化学成分见表1。

表1 试验用钢化学成分 %

1.2 试验规程

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。

控轧控冷工艺试验规程：将规格为φ10 mm×15 mm的高Nb、低Nb X80管线钢圆柱形热模拟试样以50℃/s的速度加热到1 100℃，然后再以10℃/s的速度加热到1 220℃并保温3 min。然后以2℃/s的速度冷却到1 100℃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的速度冷却到930℃进行第二道次压下，压下量为5mm（压下率50.0%），应变速率10 s-1。其中降温到1 100℃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的速度冷却到850℃，再以15℃/s和25℃/s的冷速分别冷却到530℃，然后空冷至室温。

将经过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、侵蚀或抛光，并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M/A岛组织特征

以15℃/s的冷速从850℃冷却到530℃的高Nb X80管线钢的金相显微组织和扫描电镜组织（SEM）如图1所示。

图1 试验用高Nb X80管线钢的微观组织

从图1（a）可以看出，高Nb X80管线钢整体晶粒尺寸较小，组织中存在粒状贝氏体、针状铁素体和块状铁素体，并以粒状贝氏体组织为主。图1（b）中可以看出，M/A岛状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，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，这应该是C沿晶界扩散较快的原因。

在高Nb X80管线钢M/A岛的控制上，笔者通过在总压下量一定的情况下，分配奥氏体再结晶区和未再结晶区的压下量分别为23.3%和56.5%，33.3%和50.0%，压下量43.3%和41.2%进行试验分析和对比。试验得出了在满足33.3%和50.0%两阶段分配压下量基础上，通过提高第二阶段即未再结晶区的变形量，可以得到较为理想的M/A岛形状、尺寸和分布状态。

3 冷却速度对M/A岛的影响

轧后冷却控制对微合金钢的组织和性能产生非常重要的影响。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，先共析铁素体和珠光体转变被抑制，组织中将出现贝氏体和M/A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]。

在本试验方案中设定了2个不同的冷速参数，以分析冷却速度对高Nb X80管线钢中M/A岛的影响。图2为高Nb X80管线钢在15℃/s和25℃/s冷却速度下的扫描电镜组织。

图2 试验用高Nb X80管线钢不同冷速下的SEM组织

从图2可以看出，当冷速为从15℃/s提高到25℃/s时，高Nb X80管线钢组织中存在的尺寸较大的粒状贝氏体和块状铁素体变得细小和均匀。同时可以看出，M/A岛组织变得更为细小、均匀，接近球形和弥散分布，细小均匀的M/A岛组织能有效的提高管线钢的强韧性。

由于只是冷却速度的不同，而其他控轧控冷工艺参数均相同，根据热力学和相变动力学分析其原因，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，M/A岛越细小，形状越接近球形。但冷却速度越大，温度降低越快，而温度越低，C扩散越困难，不利于形成一定量的先共析铁素体，会影响钢材的韧性。

4 高Nb对M/A岛的影响及其成因

4.1 高Nb含量对M/A岛的影响

为了分析高Nb含量对X80管线钢中M/A岛大小、形状、分布等特征的影响，选择控轧控冷工艺规程相同的低Nb X80管线钢扫描电镜组织进行对比分析，如图3所示。

对比和分析相同冷速下的高Nb、低Nb X80管线钢SEM组织，当冷却速度为15℃/s时，高Nb X80管线钢中的M/A岛以条状为主，多分布在板条状贝氏体和铁素体的内部，有一定的方向性。而在此冷速下低Nb X80管线钢中的M/A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M/A岛的数量远低于高Nb X80管线钢。当冷却速度提高到25℃/s时，高Nb和低Nb X80管线钢中M/A岛数量均有所增加，尺寸更为细小圆滑，分布也更为均匀。25℃/s冷速下两种钢中的M/A岛形貌差异更为明显，但基本不存在异形的M/A岛。高Nb X80管线钢中几乎全部为长条状的M/A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，而低Nb X80管线钢中的M/A岛仍以点状和块状为主。

图3 试验用低Nb X80管线钢不同冷速下有SEM组织

由以上分析可知，冷却速度对高Nb X80管线钢中的M/A岛影响相比于低Nb钢来说更为明显，适当的提高冷却速度能够使钢中的M/A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。

4.2 高Nb钢中M/A岛的成因及控制措施

M/A岛的形状、大小及分布等特征主要受到钢的成分和冷却速度的影响。成分对M/A岛的影响主要体现在C的含量以及所加微合金元素在钢中所占的质量分数。

由于M/A岛是富C组织，一般C含量越多，相同条件下M/A的数量也越多，而C含量的高低对M/A岛的形貌影响较小。研究中通过扫描电镜观察到低Nb X80管线钢中的M/A数量明显多于高Nb X80管线钢，而实际成分中低Nb X80管线钢中的C含量是高于高Nb钢的（见表1），也就是说C含量对M/A数量的影响理论分析和试验结果是一致的。

两种钢中都没有添加V，Ti的含量基本相同，而其在高温下形成的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。所以，Nb的含量成为两种X80管线钢中微合金元素影响M/A岛的主要因素。由于两种钢的热模拟试验参数完全一致，所以，钢中M/A岛形貌等特征的差异主要是由元素Nb的含量不同所引起。Nb含量的增加促进了条状M/A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，能够使铁素体板条倾向更为显著，从而导致M/A岛多分布于板条间呈长条状。

M/A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，一定数量的、长宽比相对较小的M/A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，在高Nb X80管线钢中利用透射电镜也发现了一些尺寸较大、形状不规则、存在尖角的M/A岛（由于M/A岛为富C组织，所以其含C量高于基体，因此颜色也比基体深一些），如图4所示。研究表明，当M/A岛的长宽比大于4时，会给钢的性能带来不利影响。

图4 试验用高Nb X80管线钢中不规则M/A岛形貌

钢在变形时会集中大量的应变，应变的分配与M/A岛的含量密切相关，M/A岛含量越高，组织承受的应变量越大，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M/A岛的含量可以有效提高钢材的强度和韧性。当组织中M/A岛的体积分数一定时，M/A岛尺寸越大，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，钢材的强度越低。而M/A岛的体积分数和大小一定时，其形状对强度和韧性也有重要的影响。有尖角的方形或三角形M/A岛比点状的或圆形的M/A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值。如果M/A岛在晶界呈链状或网状分布，对钢的强韧性也会产生非常有害的影响。因为在外力的作用下，裂纹可以沿着相界迅速扩展，导致韧性恶化，引起脆性断裂。而细小弥散分布的M/A岛组织则不易出现裂纹。理想情况的M/A岛应该是数量少、尺寸小、分布均匀，形态趋于圆形或球状。

在实际生产中，应该通过成分的调整或生产工艺参数的控制来减少或抑制这种不规则、尖角、长宽比大于4的M/A岛的产生。根据高Nb X80管线钢的成分和实际生产条件，在Nb含量基本不减少的情况下，为了降低M/A岛对钢可能带来的不利影响，可以通过进一步降低C的含量（w(C)≤0.03%）来控制M/A岛的数量。或者在控制w（N）＜0.3%的前提下，通过TiN的理论化学配比值3.42来调整钢中的Ti含量[8]，而较低的Ti含量能够降低高Nb X80管线钢中M/A岛的长宽比。研究表明，在钢中w（Ti）＜0.015%时对钢的性能影响较为理想[9-10]。以上成分的调整或控制主要基于所研究的高Nb X80管线钢中实际w（Ti）＞0.015%。

5 结 语

通过对不同条件下高Nb X80管线钢中M/A岛组织特征的观察和分析，以及与低Nb X80管线钢的对比，得出了以下结论：

（1）当冷速从15℃/s提高到25℃/s时，M/A岛不仅尺寸变小，而且分布更为弥散、均匀，形貌趋于圆形或球状，这有利于提高管线钢的力学性能；

（2）相同的冷却速度下，提高Nb含量后，钢中出现了更多的条状M/A岛，多分布在板条状贝氏体和铁素体内部或板条之间，这说明高Nb含量促进了M/A岛从点状、块状向条状的转变；

（3）为了减少高Nb X80管线钢中带有尖角或长宽比较大的M/A岛给钢性能带来的不利影响，可以对C，N和Ti的加入量进行调整和控制。

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Study on M/A Island of High-Nb X80 Pipeline Steel

HAN Chen,SUN Futao
（China Nonferrous Metals Processing Technology Co.,Ltd.,Luoyang 471039,Henan,China）

In this article,it took high-Nb X80 pipeline steel as research object to analyze the size,morphology and distribution characteristics of M/A islands.The results showed that increasing cooling rate can make M/A islands become more fine and uniform,and the shape tends to be round or globular,it is in favour to improve the mechanical properties of pipeline steel.Under the same cooling rate,increasing Nb content can improve M/A islands forming,it explained high Nb content to promote M/A islands transformation from the dot,block to strip.The adverse effects on steel properties of the M/A islands can be reduced when the composition and cooling rate are adjusted.

high Nb steel;X80 pipeline steel;M/A islands;alloy composition;cooling rate

TG115.21

A

1001－3938（2015）05-0013-05

韩晨（1982—），男，工程师，硕士，主要从事金属压力加工工艺研究。

2015－01－09

李红丽