执行欧洲标准S460NL高韧性结构管的开发

田青超，刘子利

（1.宝山钢铁股份有限公司，上海201900；2.南京航空航天大学材料科学与技术学院，江苏南京210016）

执行欧洲标准S460NL高韧性结构管的开发

田青超1，刘子利2

（1.宝山钢铁股份有限公司，上海201900；2.南京航空航天大学材料科学与技术学院，江苏南京210016）

在20Mn钢的基础上，通过添加Cr、Mo、Cu、Ni、V等合金元素，采用正火处理工艺生产了S460NL钢管材料；分析了S460NL钢管的显微组织和力学性能。结果表明：该产品的金相组织为珠光体+弥散分布着细小碳化物的铁素体基体，在拉伸过程中产生位错塞积，从而使得铁素体基体内产生位错缠结与网格结构；冲击断口呈现出典型的韧窝特征。这些微观特征决定了S460NL钢管在获得高强度的同时还具有优良的耐低温冲击韧性：屈服强度∧500 MPa，抗拉强度640～680 MPa，伸长率≥22%，-50℃冲击功∧100 J，满足客户要求。

结构管；正火处理；金相组织；力学性能；高韧性；位错；韧窝

1　背景介绍

随着严寒地区的建筑用钢、机械结构用钢、海洋用钢、管线运输钢等低温用钢需求的快速增长和对强度、安全要求的日益提高，结构钢材料向高强度、高韧性和优良焊接性能的高级低温钢发展已成为必然趋势［1-7］。EN 10210-1∶2006《Hot finished structural hollow sections of non-alloy and fine grain steels-Part 1∶Technical delivery conditions》标准规定，屈服强度460 MPa级别结构管的碳当量不大于0.53；但可以根据用户要求，厂家选择性的采用正火态或调质态供货。因此，国内原来供货的S460级别结构管都是采用调质态供货。而对于轧态或正火态的S460钢管，许多厂家没有生产能力。虽然采用调质热处理的方式可以很容易地实现460 MPa级的力学性能，但调质热处理的钢管在焊接后其热影响区的性能会显著下降，根本达不到460 MPa的强度要求。

随着工程机械行业向大型船舶、桥梁、电站设备、中高压锅炉等高压容器、机车车辆、起重机械等大型结构件的发展，考虑焊接后力学性能的差异，很多用户都特别要求耐低温无缝钢管采用热轧态或正火态供货。然而对于低合金钢，在轧态虽然可以达到460 MPa的强度，但由于存在贝氏体或马氏体等不平衡组织，轧态不可能达到良好的耐低温性能；而正火热处理则会降低材料强度，因为正火处理后为铁素体+珠光体组织，铁素体为软相，受力时首先发生屈服，因此很难达到460 MPa的高强度。

EN 10210-1∶2006标准要求S460NL级别结构管的屈服强度≥460 MPa，抗拉强度540～720 MPa，伸长率≥17%，-50℃冲击功≥27 J；而用户特别要求其-50℃冲击功≥100 J，严于EN 10210-1∶2006标准的设定。宝山钢铁股份有限公司（宝钢股份）通过深入研究，成功开发出满足用户要求的这一高难度产品，并成功实现供货。在此将主要介绍这种耐低温高强韧性S460NL结构管的开发情况。

2　试验材料及方法

使用宝钢股份生产的Φ168.3 mm×12.5 mm规格S460NL结构管材料进行研究；其在20Mn的基础上添加了Cr、Mo、Cu、Ni、V等合金元素，合金总含量低。该S460NL结构管的制造步骤是：按照化学成分冶炼并连铸成管坯；均匀加热管坯；热穿孔与轧管；采用张力减径机减径、减壁，然后自然冷却；正火热处理。S460NL结构管的化学成分（质量分数）见表1。

表1　S460NL结构管的化学成分（质量分数）%

沿钢管纵向制备拉伸试样和V型缺口冲击试样，采用CMT-5105拉伸试验机和JB-300B冲击试验机分别测试室温下试样的拉伸性能以及-50℃下试样的冲击性能。采用XJ-16A光学显微镜及S-4800扫描电镜观察经机械研磨、抛光、腐蚀后的金相试样显微组织。在拉伸试样颈缩区沿轧制方向切取200 μm厚薄片，经机械研磨至厚约60 μm，采用冲片机冲出直径为3 mm的圆片并经双喷电解抛光制备成薄膜试样，电解液为9%（体积分数）高氯酸酒精溶液，采用FEI-Tecnai G2透射电子显微镜（TEM）观察位错亚结构形态。冲击试样断口采用无水乙醇浸泡，采用Metason型超声波清洗仪清洗并经电吹风吹干后，观察冲击断口宏观及微观形貌。采用线切割取试样冲击断口的横切面，经机械研磨、抛光、腐蚀后，采用S-4800扫描电镜观察试样冲击断口表面下方的微孔及微裂纹形貌与微观组织特征。

3　结果与讨论

3.1力学性能

S460NL结构管的力学性能见表2。从表2可以看出：S460NL结构管的屈服强度∧500 MPa，抗拉强度640～680 MPa，伸长率≥22%，-50℃冲击功≥114 J。由此可见，加入少量合金元素，结合合理的制造工艺，可获得强度高、低温韧性好的耐低温正火无缝钢管，能满足用户要求。

表2　S460NL结构管的力学性能

3.2显微组织

S460NL结构管的金相组织如图1所示。从图1可以看出：S460NL结构管的组织为条带状铁素体+珠光体（图1a），在铁素体基体上弥散分布着细小的碳化物（图1b），能有效强化铁素体基体。

使用SEM观察S460NL结构管的冲击断口下截面金相组织，如图2所示。从图2可以看出：材料基体为渗碳体碎片化的珠光体+弥散碳化物的铁素体，珠光体中渗碳体的碎化有利于提高材料的韧性。

由图1~2可知：开发的S460NL结构管的强韧化机理包括两个方面：一是铁素体强化，二是珠光体韧化。

3.3拉伸行为

图3所示为试样拉伸颈缩区的显微组织，铁素体和珠光体组织在拉伸变形后均发生明显拉长或破碎，呈纤维状分布。

冷变形会引起材料内部储存能的增加，在微观上与晶格畸变的积累相关，而大部分由冷变形产生的内部能量主要归因于位错的形成。试样拉伸颈缩区位错组态的SEM像如图4所示。

图1　S460NL结构管的金相组织

图2　S460NL结构管的冲击断口下截面金相SEM观察

图3　试样拉伸颈缩区的显微组织

图4　试样拉伸颈缩区位错组态的SEM像

金属拉伸塑性变形过程是通过可动位错的滑移或攀移来实现的，位错运动不断受到阻碍，形成位错塞积、缠结，其加工硬化能力和流变应力水平影响了金属的塑性变形能力。结合图4，S460NL产品材料中铁素体基体强度相对较弱，但由于铁素体基体上析出了大量的第二相，在位错的增殖、合并过程中更容易产生位错塞积。另一方面，在变形过程中，铁素体基体首先发生塑性变形而阻碍裂纹的萌生，同时在裂纹扩展过程中，因铁素体发生塑性变形而松弛裂纹尖端的三向应力集中，钝化裂纹尖端从而阻碍裂纹扩展。这些都能提高材料的塑、韧性。

3.4冲击行为

图5所示为试样在-50℃下的冲击断口宏观形貌。由图5可知，试样断口凹凸不平，断口边缘处有较大的塑性变形，剪切唇和纤维区面积明显增大，在远离试样缺口逐渐由张应力区向压应力区过渡时出现了二次纤维区，在断口中心位置，出现二次裂纹特征。

图6所示为试样在-50℃下的冲击断口纤维区微观形貌，均呈现韧窝特征。因为试样组织不均匀，受力时容易在带状组织晶界处产生应力集中，在承受很大的冲击应力时会迅速撕裂，形成微裂纹（图5），微裂纹表面呈撕裂的浅平韧窝的特征（图6c），韧窝中有明显的析出相存在，这是一种高能量的吸收过程［8-10］。观测冲击断口表面金相可见，断口二次裂纹沿着原奥氏体晶界开裂（图6d）。拉长韧窝表征的微裂纹的萌生和扩展机制也可以用来表征试样的低温冲击韧性性能。

图5　试样在-50℃下的冲击断口宏观形貌

图6　试样在-50℃下的冲击断口纤维区微观形貌

4　结论

（1）宝钢股份生产的S460NL结构管屈服强度∧500 MPa，抗拉强度640～680 MPa，伸长率≥22%，-50℃冲击功∧100 J，能满足客户要求。

（2）S460NL结构管在正火后所获得的金相组织为珠光体+弥散分布着细小碳化物的铁素体基体，因而具有强度高、低温冲击韧性好的性能。

（3）拉伸过程中组织拉长，铁素体基体内产生位错缠结与网格结构。这是由于铁素体基体上析出了大量的第二相，从而在变形过程中产生位错塞积，提高了材料的塑、韧性。

（4）冲击断口均呈现出韧窝特征。二次微裂纹表面也呈撕裂的浅平韧窝的特征，这是材料具有优异的耐低温冲击韧性的根本原因。

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Development of EN S460NL High-toughness Structure-purpose Pipe

TIAN Qingchao1，LIU Zili2
（1.Baoshan Iron and Steel Co.，Ltd.，Shanghai201900，China；2.Material Science and Technology College，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing210016，China）

The EN S460NL steel pipe is development by means of adding chemical elements like Cr，Mo，Cu，Ni and V，etc.into the 20Mn steel，and the pipe normalization heat treatment process.Microstructure and mechanical properties of the said pipe are tested.The test results reveal the facts as below.The metallographic structure of the pipes is of pearlite+ferrite matrix with dispersion-distributed fine carbides.And during the tensile testing process，the said fine carbides are dislocated and piled up，which leads to the development of dislocation tangling and network structure inside the ferrite matrix.The impact fracture has the typical tough dimple characteristics.All these microstructure characteristics enable the S460NL steel pipe to possess not only high strength，but also excellent low-temperature impact toughness，i.e.，yield strength∧500 MPa，tensile strength：640-680 MPa，elongation rate≥22%，and impact energy at-50℃∧100 J，and thus to have met the customer-specified requirements.

structure-purpose steel pipe；normalization treatment；metallographic structure；mechanical pro-% perties；high toughness；dislocation；tough dimple

TG113.25摇摇

B摇

1001-2311（2016）02-0015-04

田青超（1970-），男，博士，教授级高级工程师，从事材料分析与新产品开发工作。

2015-11-10）