工艺参数对高Nb X80管线钢连续冷却相变的影响研究

于建国

（承德石油高等专科学校，河北 承德 066004）

自从德国建成首条X80实验管线以来，高压、薄壁、大口径的X80管线钢成为研究的热点，并最终使X80管线钢的工业化应用成为可能，其高强度、高韧性等诸多优点也被广泛应用于长距离油气的输送[1]。目前X80管线钢主要采用低碳的合金成分设计，可以增加韧性，改善焊接性能，但工艺参数的变化也会对管线钢性能产生显著的影响。本文以一种高Nb X80管线钢为研究对象，通过CCT和金相组织的分析，得出工艺参数对相变的影响规律，对X80管线钢的应用有十分重要的参考价值。

1 试验材料与方法

以低碳Mn-Mo-Nb系X80管线钢为试验材料，成份如下表。试样制备成Φ8x12mm圆棒。

将Φ8mm x 12mm的圆棒形试样，在Gleeble-3500热模拟试验机上进行热模拟实验，实验工艺如图1。

采用切线法在膨胀曲线上确定相变点温度。显微组织观察在金像显微镜下进行，观察面为端面直径1/3处沿轴向剖开的截面，腐蚀剂为4%硝酸酒精。根据所采集的数据和金相照片绘制CCT曲线。

图1 相变动力学曲线测定工艺

2 试验结果与分析

2.1 连续冷却转变组织

X80管线钢的典型组织是细小的针状铁素体和贝氏体[2]。如图2所示，在低冷速0.2°C/s转变组织为PF+AF+P，其中PF占的比例较大。在冷却速度较低的情况下形成了PF，是一种先共析铁素体，其特点是晶界清晰且规则的等轴晶粒。

冷速达到0.5°C/s时，组织主要以AF形式存在，PF组织减少。QF边界变得不清晰，呈现波浪状或锯齿形。与图2(a)相比，可看到部分不完全的晶界。随着冷速的继续增加，PF数量逐渐消失，AF组织数量逐渐增加。冷速2°C/s时，全部转变为AF组织，其中占有一定比例的粗大的BF组织出现，原始奥氏体晶界比较明显.当冷速为5°C/s时，转变组织为AF，组织明显细化。图3为未变形试样的TEM形貌，AF的典型板条形态出现，并在板条内部伴有高密度位错，能够实现多滑移，提高了钢的屈服和变形能力。这些特性补偿和抵消了包申格效应所引起的强度损失，保证钢管在成形过程中强度得到进一步提高[3]。

表1 试验钢化学成分（质量分数，%）

图2 未变形试样不同冷速下的显微组织

图3 未变形试样TEM形貌

2.2 单道次热变形冷却后的组织

图4 A钢单道次热变形冷却后的组织

图4是A钢在冷速0.2°C/s，组织由PF和少量P组成，F形态无明显变化，热变形促进了多边形铁素体和珠光体的形成，AF的形成被抑制。在冷速0.5°C/s，组织主要是PF，伴有少量退化P组织，在部分区域有岛状组织存在。与图2(b)相比可知，变形对组织有细化作用。冷速为2°C/s时，AF出现。相比未变形条件下，组织细化，M/A岛增多，存在一定量PF，没看到原奥氏体晶界。在冷速在5°C/s 和10°C/s时，组织以AF为主，PF转变被有效得抑制，粒状和短杆状的M/A岛数量增加，组织更加细小。

2.3 双道次热变形冷却后的金相显微组织

在冷速0.5°C/s，组织由PF和少量P组成，与一次变形相比，F晶粒变小，双道次变形促进了PF和P的形成。冷速达到2°C/s时，组织以AF+PF为主，珠光体组织消失，铁素体内部出现无规律岛状组织，且边界不规则性加大，准多边形铁素体和粒状贝氏体组织出现。冷速在(5-20)°C/s时，岛状组织数量增加，分布有规则，晶粒明显细化。当冷速在20°C/s时，M/A岛呈条状，铁素体板条特征变明显，板条贝氏体组织出现。与图4相比，AF在冷速2°C/s被观察到，M/A岛数量增加，两道次变形更细化组织。

图5 A钢双道次热变形冷却后的组织

3 CCT曲线

图6 X80钢CCT曲线

图6 （a）所示，为未变形试样的CCT曲线，通过观察金相组织可知，铁素体在高温区相变产生，PF在低冷速下形成，AF在高冷速下形成。随着冷速的增加，γ/a相变点略有下降，说明原子扩散能力降低，所以相变的发生必须降低温度，增大过冷度。冷却速度不同，不仅对高铌管线钢的相变点有影响，同时对性能也有影响。实验测得在0.5-5°C/s的冷速范围内，每个冷速下测得3个试样的平均硬度值分别为194HV、207.3HV、210.8HV。可见随着冷速的增加硬度值也在增加，因为冷速增大PF数量减少，AF组织增多，同时组织得到细化。

与图6（a）相比，图6（b）中变形使各相区向左上方移动，相变开始温度提高明显，说明变形促进铁素体组织转变。冷速增加，相变开始点和结束点向低温区移动，导致过冷度比较大,α晶粒与相邻的γ晶粒生长出共格α-γ界面,铁素体从一边以凸阶机制长大,形成针状铁素体[4]。实验测得在0.5-10°C/s的冷速范围内，每个冷速下测得3个试样的平均硬度值分别为188.7HV、238.5HV、239.3HV、240.9HV。硬度测试结果与金相组织相符合，在0.2°C/s时组织以PF为主，因此硬度值比较小；在2-20°C/s时AF组织占有的比例很大，而且以GF居多，因此在这个冷却速度范围内硬度值很接近。

图6（c）与图6（b）相比，相变开始点明显提高，各相区向左上方移动。图6（c）中各相变开始点在低冷速与高冷速之间的差异也很大，随着冷速的增加相变开始点变化的趋势较图6（a）和图6（b）中相变开始点下降幅度要大的多。实验测得两道次变形的冷速范围内（0.5-20°C/s）的硬度值188.7HV、238.5HV、237.3HV、240.9HV、245.5HV，随着冷却速度的增加硬度值也随着增加。

受变形的影响，含Nb的第二相粒子会在随后的冷却过程中析出，尤其是当冷速较低时，应变诱导析出会更充分，从而显著降低奥氏体中固溶铌的含量。而奥氏体中的固溶铌含量减少时，奥氏体的稳定性也随之下降，这将导致相变开始温度的升高及高温转变组织区域扩大。与图6（a）比较，图6（b）在高冷速下，奥氏体-铁素体转变温度升高10度左右；在低冷速下，相变温度相差30度左右。

与图6（b）比较，图6（c）在高冷速下，奥氏体-铁素体转变温度升高10度左右；在低冷速下，相变温度相差30度左右。同时，在图6中还可以看出，随着变形次数的增加PF区和P区逐渐增大，而AF去逐渐减小，完全的针状铁素体只能在更高的温度下才能获得。

4 结论

（1）冷速增大，会使钢的相变点降低，硬度增加，组织由铁素体和珠光体组织转变为针状铁素体。

（2）结合CCT曲线及金相组织，变形产生的形变储存能能够促进相变的发生，使相变点提高。同时，由于在变形过程中形成的位错和亚晶为相变提供了形核点，相变组织最终得到细化。