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南京理工大学硕士学位论文 高强度管线钢的连续冷却转变研究 摘要 我国对石油产品的需求已经成为限制发展的瓶颈，从边远地区寻找并开发天然气 势在必行。如何经济地解决将所开发的天然气长途输送到我国东部沿海人烟稠密的经 济发达地区已经成为需要解决的急迫问题。其中，高性能管线钢是解决问题的关键。 现代生产高性能输气输油管线钢的技术是以获得高强高韧组织为目标。高强度管 线钢的开发就是通过对管线钢的微观组织进行优化来得到高强高韧的下贝氏体组织， 而优化管线钢的化学成分、热加工工艺和显微组织等是关键因素。 本文主要研究在管线钢中添加不同m o 、b 含量以及控制冷却速度实现管线钢的 组织优化。用f o r m a s t f 热膨胀仪测定了实验钢的连续冷却转变曲线，用金相显微镜 观察了金相组织，分析了微合金钢中m o 、b 对连续冷却转变的影响规律：利用透射 电镜和能谱分析，研究了实验钢中n b 、v 、t i 等微合金元素的析出规律；通过测定 连续冷却转变后实验钢的显微硬度值，分析了m o 、b 以及微合金元素的析出行为对 实验钢性能的影响，从而为发展x 1 2 0 级超高强度管线钢提供理论依据。 研究表明：添加m o 能够强烈抑制先共析铁素体和粒状贝氏体的形成，扩大形成 下贝氏体的冷却速度范围；添加0 3 m o 元素能够最有效的细化晶粒，使试样的显微 硬度值达到一个最佳值，m o b 共同作用有利于提高管线钢的淬透性，从而提高力学 性能，其联合作用大于二者单独作用之和，且m o 含量为o 3 、b 含量为1 5 p p m 时 最佳；析出相的大小和成分与实验钢中m o 含量有着密切的关系，其中不含m o 的试 验钢中的析出相尺寸为1 0 0 n m ；含0 3 m o 的试验钢中的析出相尺寸为4 0 n m ；含 0 5 m o 的试验钢中的析出相尺寸为7 0 n m 。 关键词：管线钢下贝氏体m o 、b 元素淬透性析出相 南京理工夫学硕上学位论文高强度管线钢的连续冷却转变研究 a b s t r a c t n l en e e df o ro i lp r o d u c th a sb e c o m et h eb o t t l e n e c ko fd e v e l o p m e n t i t sn e c e s s a r yt o s e a r c ha n de x p l o d e rn a t u r eg a sf r o mo u t l y i n ga n ，ah o wt ot h a n s p o r tt h en e we x p l o d e r e d n a t u r eg a st ot h ee a s ta r c aw h e r ei sd e v e l o p e da n dp o p u l o u si sa l le m e r g e n c yp r o b l e m t h e r e f o r , t h eh i g l lp r o p e r t i e sp i p e l i n es t e e li st h ek e yo f t h ep r o b l e m n o w , t h ea i mt op r o d u c eh i g hp r o p e r t i e sp i p e l i n es t e e li st og e tl o w e rb a i n l t e t h e e x p i o d e r i n go fh i g hs t r e n g t hp i p e l i n es t e e li st h r o u g ho p t i m i f i n gt h em i c r o s t r u e t u r eo f p i p e l i n es t e e lt og e tt h el o w e rb a i n i t e ，s oo p t i m i z i n gt h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no fp i p e l i n e s t e e la n dt h ep r o c e s so f h e a tt r e a t m e n ti st h ek e y t h ec o n t i n u o u sc o o l i n gt r a n f o r m a t i o nc u r v ew a sm e a s u r e db yf o r m a s t - ft h e r m a l e x p a n s i o ni n s t r u m e n ta n dt h em i c r o s t r u c t u r ew a so b s e r v e db yo p t i c a lm i c r o s c o p y , t h e nt h e r o l eo f t h em o l y b d e n u ma n db o r o nw a si n v e s t i g a t e di nt h ec o n t i n u o u sc o o l i n gp r o c e s s 1 1 1 c p r e c i p i t a t e dr u l eo ft h ee l e m e n tn i o b i u m ，v a n a d i u ma n dt i t a n i u mw a ss t u d i e db yt e m a n ds e m e f f e c to fm o l y b d e n u m ，b o r o na n dm i c r o a l l o ye l e m e n to nt h ep r o p e r t i e so ft h e t e s t e ds t e e lw a sa n a l y s e db ym i c r o h a r d n e s s t h e nt h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nt od e v e l o p i n gt h e u l t r ah i 曲s t r e n g t hp i p e l i n es t e e lc a l l e d “x 1 2 0 ”w a sl a i d a sar e s u l t , f o r m a t i o no fp r o e u t e c t o i df e r r i t ea n dg r a n u l a rb a i n i t ew a sr e p r e s s e db y a d d i n gm o l y b d e n u ma n dt h er a n g eo fc o o l i n gr a t ef o rf o r m i n gl o w e rb a i n i t ew a se n l a r g e d ； t h eg r a i ns i z ew a sr e f i n e dm o s te f f e c t i v e l yw h e na d d i n go 3 m oa n dt h eo p t i m a lv a l u e m i e r o h a r d n e s sw a sa c h i e v e d 1 1 1 em o - bc o a c t i o nw a sg o o df o ri m p r o v i n gh a r d e n a b i l i t y a n dm e c h a n i c a lp r o p e r t y t h em o - bc o a e t i o nh a dg r e a t e re f f e c tt h a ns h i l lo fm o l y b d e n u m a n db o r o n t h et e s t e ds t e e lw h i c hc o n t a i n e do 3 m oa n d15 p p mbw a so p t i m a l t h e p r e c i p i t a t i o ns i z ew a sa s s o c i a t e dw i t l lt h ec o n t e n to f m o l y b d e n u m t h ep r e c i p i t a t i o ns i z eo f t e s t e ds t e e lw i t h o u tm o l y b d e n u mw a s1 0 0n r n ；t h a to f t e s t e ds t e e lw i t l lo 3 m ow a s4 0r i m ； t h a to f t e s t e ds t e e lw i t h0 5 m ow a s7 0n m k e yw o r d s ：p i p e l i n es t e e l ；l o w e rb a l n i t e ；m o l y b d e n u ma n db o r o n ；h a r d e n a b i l i t y p r e c i p i t a t i o n l l 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：搓j 显鱼笠勿矽年7 月f ，日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：拯丝竺办习年7 月夕日 南京理工大学硕士学位论文 高强度管线铡的连续冷却转变研究 1 1 管线钢的发展与现状 第1 章绪论 管线钢是热轧带钢产品的重要品种之一，它主要用于石油、天然气等的管道输运 方面，在国民经济中占有举足轻重的地位。特别是近年来由于我国石油开采向西部转 移，新设计的管线采用常温、长距离输送方式。输送扭力也相应提高，加之管线要跨 越许多江、河和地质断裂带，从而对钢的强度和韧性提出了更高的要求，因此高强度、 高韧性管线钢的研制与开发己成为当今亟待解决的问题之一。同时，伴随着西部大开 发的深入发展，西部的巨大的能源资源己被入们发觉。它蕴藏着的丰富的天然气和石 油等将不再沉睡地下，利用西部的丰富能源来解决东部发展中的能源危机问题己经被 人们认识到。输送管线用钢将是钢铁生产领域的一个十分重要的产品，它将有广阔的 发展前景。 管线钢不但要求具有较高的耐压强度，而且要求具有较高的低温韧性和优良的焊 接性能，因此其生产难度较大。为生产出综合性能优良的管线钢，近半个多世纪以来， 人们做了大量工作，管线钢的力学性能得到了大幅度的提高，其发展大致经历三个阶 段：第一阶段是1 9 5 0 年以前，普碳钢经热处理后使用，强度级别在x 5 2 ( o s 4 0 0m p a ) ： 第二阶段是1 9 5 0 1 9 7 2 年，引入c - m n 钢，热轧或正火后使用，强度级别达到 x 6 0 ( o s 4 2 0m p a ) ；1 9 7 2 年至今为第三阶段，主要是用n b 、v 、t i 、m o 、b 等元素合 金化，并采用控轧控冷新技术，生产强度级别为x 7 0 ( o s 4 8 0 m p a ) 的管线钢。对管线 用钢的开发方向主要是高强韧化以及焊接性能的改善。管线钢用钢总的发展趋势是， 成分低c 化，微观组织由铁素体十珠光体向针状铁素体，进而向超低碳贝氏体 变化。 管线钢在不断地向高强级方向发展，其原因主要是经济效益和冶金工业的不断发 展所致。在激烈的市场竞争下，世界上各石油公司都在不断地寻找降低成本的途径。 在管线项目投资中，钢管的成本约占4 0 左右，采用高级别管线钢管可以减少壁厚， 而高压输送可以在不改变输量的情况下减小管径，管径和管壁厚度的减小可带来工程 费用的降低。因此采用高级别管线钢管和高压输送可有效降低输送成本。 1 1 1 国外研究现状 国外管线钢发展的历史，实质上就是微合会钢发展的历史，更具体地说就是控轧 南京理工大学硕士学位论文 商强度管线铡的连续冷却转变研究 工艺和含铌钢进一步微合金化的历史。早在2 0 世纪5 0 年代国外就提出了提高碳素结 构钢强度的要求，但由于含碳量的提高促使韧性和焊接性能的恶化而中断。到2 0 世 纪5 0 年代后期一种提高m n c 比的铝镇静钢( 相当于我国2 0 世纪6 0 年代研制成功的 1 6 m n ) 问世，较好地解决了焊接结构用钢所需的强度。然而，这种c m n 钢的碳当量 已接近极限值，再要提高强度就受到了限制。2 0 世纪6 0 年代中期引入了含铌控轧钢， 并进行了大量的基础研究工作，研制成功屈服强度为3 5 0 m p a - 4 0 0 m p a 的m n - n b 系列 ( 相当于x 5 2 和x 5 6 ) 和屈服强度为4 2 0 m p a - 4 8 0 m p a 的m n - n b v 系列( 相当于 x 6 0 - x 7 0 ) 的微合金钢，为高强度焊接结构的应用开辟了广阔的前景。这一阶段( 1 9 6 5 年- 1 9 7 5 年) 的试验研究成果被世界各国公认为微合金钢发展的里程碑。 2 0 世纪8 0 年代初在管线钢生产中首先引入轧后控制冷却工艺，使原有钢种系列 的碳含量和碳当量得到进一步的降低，从而也提高了钢的韧性和可焊性。这类微合金 控轧钢的含碳量一般为0 0 7 一0 1 0 ，相当于1 6 m n 钢含碳量的一半。在此期间还研 究了微钛处理对改善可焊性的作用以及控制c 、m n 的配比来防止带状偏析引起的氢 诱裂纹，较好地解决了管线钢生产和使用过程中存在的一系列问题，使管线钢的性能 水平又上了一个新台阶。随着石油天然气管道向高压、大管径输送方向发展，1 9 8 5 年以后世界各主要钢厂开始着手进行成份和生产工艺的总结工作，提出了管线钢冶金 设计的新概念，管线钢生产开始向高强度方向发展。现在x 8 0 及x 1 0 0 高强度管线钢 相继研制成功。 1 1 2 国内研究现状 我国在2 0 世纪7 0 年代管线建设中全部采用的是1 6 m n ，管线的输送压力大部分在 4 m p a 。在1 9 7 6 年提高管线输送压力会议上，提出把管线输送压力由4 m p a 提高到6 4m p a 的目标以后，我国才把开发研究管线钢提上议事日程，1 9 8 0 年至1 9 8 5 年，国 家科委把开发研究管线钢列为“六五”科技攻关项目，到1 9 8 5 年1 2 月，由冶金部钢 铁研究总院、武钢钢研所、宝鸡石油钢管厂、清华大学等单位参加研制的x 6 0 、x 6 5 两个钢级正式通过鉴定。在“七五”期间，上述单位就a p i5 l 规范中的a 、b 、x 4 2 - x 5 6 进行研制，并通过鉴定。“八五”期间上述单位又同宝钢开发研制了x 7 0 钢级，由 于我国长输管线建设的加快，石油、天然气输送管线的发展，对管材韧性要求的提高， “九五”期间又研究开发了高韧性管线钢及其焊接材料。 1 2 低碳微合金钢的组织分类 由于管线钢的技术要求严格，成为低碳微合金钢中具有代表性的钢种。低碳微 合金钢的过冷奥氏体相变是一个极为复杂的过程，在不同的冷却条件下，室温下可 2 南京理工大学硕士学位论文高强度管线钢的连续冷却转变研究 能包含的组织有多边形铁素体、等轴铁素体、珠光体、魏氏铁素体、块状铁素体、贝 氏体、马氏体及残余奥氏体等i l 棚。由于不同的组织状态对钢的性能有显著的影响， 因此，对低碳微合余钢的过冷奥氏体相变的研究特别是对控制轧制控制冷却后的相交 过程的研究，仍是低碳微合金钢研究的重要内容。 低碳微合金钢加工过程均采用控制轧制和控制冷却方式，由于其含碳量较低，相 变后的组织形态与中、高碳钢的组织相比其组织特征很难用传统的组织定义，特别是 中温区的相变组织与中高碳钢中贝氏体形态明显不同。因此不同的学者采用不同的分 类方法。目前对低碳微合金钢的中温转变产物的分类有以下几种观点。 a a r o n s o n l 5 , 6 1 主张把中温转变的贝氏体定义为由母相共析分解的非薄片状、以非 协作方式形成的产物。管线钢中共析相是铁素体和渗碳体，其6 种形态被认定为贝氏 体。在低碳钢中上贝氏体由相互平行的板条或片状的铁素体晶粒束与处于板条问渗碳 体颗粒组成。下贝氏体为铁素体晶粒中包含与其晶界长轴里大约5 5 。至6 0 。的碳化 物。 然而，许多低碳和合金碳化物钢中的渗碳体与中温奥氏体转变无判7 1 。因此人们 提出了更宽泛的贝氏体分类体系把无渗碳体的组织结构也归纳进去。o h m o r i 等人认 为1 8 , 9 ，低碳钢中上贝氏体中的铁素体为板条状间无碳化物、有残余奥氏体称为b i ， 碳化物存在于板条铁素体中间称为b i i 碳化物存在在板条铁索体内部称为b 。表 1 1 列出了o h m o f i 体系中贝氏体的形态。 表1 1 0 h m o f f 体系等温转变贝氏体形态 t a b l e1 1m o r p h o l o g y o f b m n i t e i n i s o t h e r m a l t r a n s f o r m a t i o na c c o r d i n g t o o h m o r i 微观组织 。判据 铁素体形态 碳化物形态 铁素体板条状针状铁素体( 无碳化物) b i 上贝氏体b j i 板条界面 b m f 贝氏体片状晶粒内部 b r a m f i t t 和s p e e r 【1 0 l 提出了贝氏体的概括性的分类体系( 表1 2 ) ，分为三个主要种 类。不同的种类依赖于其它相与贝氏体结构中铁素体的联系。在b 2 和b 3 中b r a m f i t t 和 s p e e r 认为马氏体可由存在于铁索体晶粒中的残余奥氏体转变而来。这种现象，在连 续冷却的低碳钢中总能观察到，部分转变的板条内奥氏体就是铁素体贝氏体中的 3 南京理工夫学硕l ：学位论文高强度管线钢的连续冷却转变研究 m a 。虽然该分类仍在微合金钢中常用，但是，b r 锄觚和s p o o r 分类体系并不能描 述所有连续冷却的低碳钢中所能观察到的铁素体组织。 针对低碳微合金钢组织的复杂性和非典型性日本钢铁学会( i s u ) 贝氏体研究委员 会及k i 曩u s $ 和t h o m p s o n 提出了铁素体的五种形态分类，基本上描述了现代低碳、 超低碳微合金化钢中奥氏体连续冷却过程中形成的所有可能的铁素体形态o3 1 。表 1 3 列出了组织分类及表示法。该分类方法被广泛使用。 表1 2b r a m f l t t 和s p e e r 提出的贝氏体分类体系 ! ! ! ! ! ! ：坚! 尘! ! ! ! g i ! ! ! ! ! 翌：也! 型i ! ! 型生巴虫! ! ! i ! 盥垃旦堕尘! 坠驾! i 篷e r 贝氏体 b ：针状铁素体和扳b 2 ：针状铁素体和板条b 3 ：针状铁素体和离 条内的沉淀物内的颗粒或薄膜散的岛状成分 渗碳体b ，渗碳体b 2 c奥氏体b 3 1 渗碳物( b l ) 奥氏体b 2 i马氏体b 3 “ 马氏体b 2 ”珠光体b 3 p 表1 3k r a u s s 和t h o m p s o n 低碳微合金钢组织分类 t a b l e1 3m o r p h o l o g i c a lc l a s s i f i c a t i o no f l o w c a r b o nm i c r o a l l o y e ds t e e la c c o r d i n gt o i s i jk r a u s sa n d t h o m p s o n 术语符号术语符号 主要基本相多边形铁索体 t 2 p 多边形铁素体 p f 准多边形铁索体 准多边形或块状铁素体 q f ，m f 魏氏铁素体 a w 魏氏组织铁素体 w f 粒状贝氏体 a b 粒状贝氏体 g f 或g b f 贝氏体 磁 针状或板条状铁素体a f ，l f 或l b f 位错马氏体 少量二二次相残余奥氏体 y ， 马氏体奥氏体m a 上f 贝氏体 8 。，b i 。 珠光体及退化殊光体 尸p 渗碳体口 4 南京理工大学硕士学位论文 高强度管线钢的连续冷却转变研究 该分类认为在奥氏体分解过程中只先发生铁素体转变，其它转变只能是残余奥氏 体在更低的温度下发生分解，铁素体的形态决定材料的基本组织和性能。其铁索体的 主要特点有： ( 1 ) 多边形铁素体( p f )在光学显微镜下观察，基本上是等轴的晶粒，晶界明锐平直， 通常含有较低的位错密度。多边形铁素体主要在奥氏体晶粒的三叉晶界及晶界拐角处 形核，以扩散方式长大，长大过程中铁素体晶粒能超出原奥氏体晶界，原奥氏体转变 成了多边形铁素体。 ( 2 ) 魏氏铁素体( w f )是带有位错亚结构的拉长的、粗大的铁索体晶粒，w f 是在比 p f 更快的冷却速度、更低的温度区间形成的。 ( 3 ) 准多边形铁素体( q f ) i l 川6 j 也称块状铁索体( m f ) ，是在较低温度下通过另一类相 变方式( 块状转变) 而得到。块状转变的特点是新相与母相成分相同，合会只要过冷 至新相母相自由能相同的温度下就能发生这类转变。q f 的生长都是由热激活过程所 控制，铁素体晶粒生长可越过奥氏体晶界，使原奥氏体晶界的轮廓被掩盖。q f 与p f 相比，两者的转变温度不同，导致不同的机制和组织形貌。p f 接近平衡相，其成分 与母相奥氏体不同，p f 生长受控于置换原子的快速迁移及碳原子的长程扩散。p f 与 母相常有确定的位向关系，其一部分界面与母相保持共格或半共格，通常生长速度较 慢。而q f 是在较低的温度下块状转变而成，由于新，母相成分相同，故不需要长程 扩散，只要新相原予越过界面即可生长，且新相与母相的界面在所有方向都是非共格 的大角度晶界，所以转变速度特别快。由于原子的置换和迁移发生在界面上，导致不 规则生长和锯齿形界面，且超出了原奥氏体晶界，呈高度的不规则，犹如一块无特征 的碎片。与p f 相比，q f 具有较高的位错密度位错亚结构，有时还有马氏体奥氏体 ( m a ) 成分。q f 组织有较高的强度和优异的延性，由于内部较高的位错密度和m a 小岛，使得钢具有低的屈强比和高的应变硬化速率。 ( 4 ) 贝氏体铁素体( b f )由相互平行且具有很高位错密度的铁索体板条束构成，板条 界为小角度晶界，板条束界面为大角度晶界。根据其板条特征，又称之为板条铁素体 ( l f ) ，板条问有时有条状分布的m a 岛。通常b f 是在连续冷却的一定温度区间形 成，当形成温度较高时板条不够发达，有些板条形成后还会发生回复，出现板条界不 连续的现象。实际上贝氏体研究中经常提及的b i 、无碳贝氏体等组织均属于贝氏体 铁索体范畴。b f 的鉴别要依靠透射电镜，由于b f 板条是相互平行的，具有几乎相 同的晶体学方位，会使低角度铁索体晶界没有侵蚀区，使得b f 束在光学显微镜下呈 无特征的铁素体晶粒，且观察不到原奥氏体晶界。另外当铁素体晶粒之间存在奥氏体 或m a 组元时，在光学显微镜下铁素体晶粒显示出针状形态。从性能上来看由于b f 的亚晶强化、位错强化和晶粒细化的作用对强度和韧性有益，就其自身而占，板条束 的大小和板条长宽比的不同将产生较大的性能差异。 南京理工大学硕士学位论文高强度管线钢的连续冷却转变研究 ( 5 ) 粒状铁素体( g f ) 1 1 3 - 1 7 1 是介于q f 和b f 之间的范围内形成的显微组织，为中温 转变产物。只是形成温度稍高，组织形态稍有差异，由拉长的铁素体晶粒束构成( 具 有板条轮廓) ，其位向基本一致，具有高位错密度，内部基体上分布着粒状或等轴状 的组织。连续冷却条件下g f 的形成同样有一温度区间，较高温度下形成的o f 组织 中，铁素体的亚结构不呈板条状，而是等轴亚晶，基体上的岛趋于无序分稚。较低温 度下形成的g f 组织中，铁素体亚结构为板条状，基体上的岛分布于板条自】，较为有 序。应当指出不少贝氏体研究学者认为，较高温度下形成的g f 是通过块状转变得到 的，应称之为“粒状组织”；较低温度下形成的g f 是通过切变机制得到的可称为粒 状贝氏体。研究认为粒状组织往往粗大，对强度和韧性不利，而粒状贝氏体则有较好 的性能。 ( 6 ) 下贝氏体( l b ) 该组织具有很高位错密度，极细化的晶粒，良好的塑性和韧性。 组织特征为板条铁素体基体上平行分布着些碳化物。图1 1 为下贝氏体的透射电镜 照片。 图1 i 下贝氏体的透射照片 f i g1 1m i c r o s t r u c t u r eo f d o w nb a i n i t e 包含渗碳体的奥氏体分解产物一般被归类为珠光体( p ) 、退化的珠光体( p ) 和“经 典的”贝氏体。为了区分传统的上贝氏体( u b ) 和下贝氏体( l b ) ，由欧姆里等人提出 的这种分类体系仍然被采纳【l 引。 由b r a m f i t t 和s p e e r 提出的贝氏体分类体系在日本没有被采用，原因是其定义 太宽泛，不能够区分低碳、超低碳微合金化钢在控轧控冷条件下所能观察到的所有铁 素体的微观形态。现在的研究工作中，常常把标有b f 的贝氏体铁素体称为“针状铁 素体”。然而继续使用这一术语，就容易引起混淆。此外针状铁素体在焊接文献中经 6 南京理工大学硬士学位论文 高强度管线铡的连续冷却转变研究 常使用【1 啦n ，指的是非相互平行的，拉长的铁素体晶粒。这种铁素体形态同本人认为 应该叫做o f 准多边形铁素体或块状铁素体。另外一部分学者则根据铁素体的形态称 板条铁素体或退化板条铁素体等田j 。 由上述分析，可见对低碳微合金钢的相变组织，不同研究者有不同的观点。然而 在这些研究中往往针对不同材料在特定工艺条件下的组织形态而进行的，但并未对相 变动力学进行系统的研究，特别是等温转变动力学，因此如何诈确地认识组织转变特 点对更好地认识现代化工业生产过程中控制轧制、控制冷却工艺过程中的组织转变特 性和组织变化有重要意义。 1 3 管线钢的强化机制 管线钢属于h s l a ( 高强度低碳微合金钢) 钢范畴，因此遵循h s l a 钢的一般强 化原理，强化机制主要包括沉淀析出强化、晶界强化、位错强化和固溶强化。而管线 钢强化与一般h s l a 钢强化的主要区别在于管线钢通过t m c p ( t h e r m a lm e c h a n i c a l c o n t r o l p r o c e s s ) 艺使钢中微合金元素对以上各种强化机制发挥了更大的作用。另外， 在管线钢中织构强化也不容忽视。织构可使钢板横向强度比纵向强度提高1 0 5 0 m p a 。 在本节中只介绍管线钢中两种最重要的强化机制：沉淀析出强化和晶界强化。 沉淀析出强化是微合会控轧管线钢重要的强化手段。在管线钢中，除了尺寸小于 6 s n m 的v n 质点有可能以切过机制强化外，其它微合金碳氮化物均以o r o w a n 机制 强化，其强化效果可按a s h b y o r o w a n 模型来定量分析田】。 式1 1 表明，沉淀析出强化效果与沉淀质点的尺寸成反比，与沉淀质点的体积 分数的平方根成正比。在管线钢中微合金元素n b 、v 、t i 沉淀析出强化效果与其沉 淀相尺寸和体积分数的这种关系如图1 2 所示【2 4 j 。 吒= 5 7 2 l o z b ：r ，r ”坂詈) ( 1 1 ) 式中以沉淀析出强化引起的屈服强度增量 沉淀析出质点体积分数 r 一沉淀析出质点半径 | 切变模量 卜柏氏矢量的模 7 南京理工大学硕 学位论文高强度管线钢的连续冷却转变研究 量 掌 鞲 薯 辖 斩m 钧台量_ 图1 2 微合金元素的沉淀强化效应 f i g1 2t h eo r e c i o i t a t i o ne f f e c t i o no f m i c r oa l l o ye l e m e n t s 根据在实验室条件和工业生产条件下的经验，总结得出了n b 、t i 、v 的沉淀析出 强化值，即每0 0 1 的n b 和t i 对沉淀析出强化的贡献在5 0 m p a 的数量级上，每o 0 1 的v 对沉淀析出强化的贡献在1 0 m p a 左右。当然，这些最大值在控制轧制时通 常只能部分得以利用，并且事实上很难普遍有效地定量给出，因为微合会元素除了产 生沉淀析出强化作用外，对晶粒细化也起到了重要的作用。微合会元素在控制轧制状 态下可有效地延缓奥氏体再结晶，细化效果按n b 、t i 、v 顺序依次降低。图1 3 有代 表性地给出了n b 、t i 、v 在热轧带钢中的强化效果。在当前冶会生产条件下，适当 控制微合金碳氮化物的沉淀析出过程，可获得5 n m 甚至l n m 左右的沉淀析出相质点， 由此可得到1 5 0 - 4 5 0 m p a 的沉淀析出强化增量1 2 5 1 ，因而沉淀析出强化是管线钢最有效 的一种强化方式。 罡 ： - 坦 索 趟 鼎 舞 嗵 图i 3 含0 1 c 、1 o m n 、0 3 s i 的热轧带钢屈服强度的提高 f i g1 3i m p r o v e m e n to f y i e l ds t r e s so fh o tr o l ls t e e l 8 南京理工大学硕士学位论文高强度管线钢的连续冷却转变研究 晶界强化也是管线钢很重要的强化手段。晶界是位错运动的最大障碍，减少晶控 尺寸，晶界增多，从而使位错运动障碍的数量增加，结果会使屈服强度显著升高。屈 服强度与晶粒大小的关系可用h a l l p e t c h 公式进行描述 吒= q + 材- 1 ”( 1 2 ) 式中以屈服强度 单位晶体中位错运动的摩擦阻力，决定于晶体结构和位错密度，与晶粒大小 无关系 k 使相邻晶粒中位错源开动时晶界上应力集中数值，是与材料有关而与晶粒大 小无关的常数 d 晶粒直径 式1 2 表明，晶粒尺寸越小，屈服强度越高。因此可通过晶粒细化提高强度。 当前，商业生产中的管线钢，通过适当的t m c p 工艺，晶粒尺寸可控制到5 岫 左右，在实验室条件下，可获得3 眇l 左右的针状铁索体和l 岬左右的超细铁素体。 1 5 本文研究的内容和目的 现代生产高性能输气输油管线钢的技术是以获得高强高韧组织为目标。高强度管 线钢的开发就是通过对管线钢的微观组织进行优化来得到高强商韧的下贝氏体组织， 而优化管线钢的化学成分、热加工工艺和显微组织等是关键因素。 本文主要研究了在管线钢中添加不同m o 、b 含量以及控制冷却速度实现管线钢 的组织优化。通过测定实验钢的连续冷却转变曲线以及金相组织观察，研究微合金钢 中m o 、b 在连续冷却过程中的作用规律；利用透射电镜和能谱分析，研究实验钢中 n b 、v 、t i 等微合金元素的析出规律：通过测定连续冷却转变后实验钢的显微硬度值， 分析m o 、b 以及微合金元素的析出行为对实验钢性能的影响，从而为发展x 1 2 0 级 超高强度管线钢提供理论依据。 9 南京理工大学硕士学位论文 高强度管线钢的连续冷却转变研究 第2 章成分设计与实验工艺 2 1 实验钢的化学成分设计 本文研究的管线钢属于超低碳贝氏体钢，它是近2 0 年来国际上新发展的一大类 高强度、高韧性、多用途钢种。该钢类的合金成分设计已经突破了原有的高强度低合 金钢的成分设计模式，大幅减少了钢中的碳的含量( 一般这类钢的碳含量不大于 o 0 5 ) ，钢的强度不再依赖碳的含量，而是以贝氏体基体组织中的位错强化、微合金 钢经控轧控冷后组织细化强化及v 、n b 、t i 微合金元素的析出强化和e - c u 沉淀强化 为主，从而使该类钢强韧性匹配极佳，尤其是焊接性能较传统的钢种有了大幅度提高。 超低碳贝氏体钢在成分设计上选择c 、m n 、n b 、m o 、b 、t i 的最佳配合，从而在较 宽的冷却速度范围内都能形成完全的贝氏体组织。为了获得高的强度，加入了成本较 低的b 元素。为了保证b 元素的作用，须添加合金元素t i 来固定杂质元素o 、n ， 从而避免b 的烧损，并且形成t i n 、t i o 。对于细化晶粒是十分有效的m n 、m o 、n b 是作为强化元素加入的。鉴于冶金技术、经济性和钢材性能的要求，钢中还经常以 n i 、c u 、c r 作为m o 的补偿元素。超低碳贝氏体钢的另一特点是碳当量相当低1 2 6 川。 管线钢要求具有良好的焊接性，从改善焊接性能等方面考虑，要求较低的碳含量， 但碳含量最低需要降低到什么程度，目前各有不同的说法。很多国家对超低碳贝氏体 钢进行了研究，但大多要求碳含量相当低，一般在o 0 3 左右。因此设计成分时把碳 含量控制在o 0 3 左右。并添加了适量的其它微合金元素和合金元素，具体成分如表 2 1 所示。 表2 1 实验钢的化学成分( w t ) t a b l e2 1c o m p o s i t i o no f t h et e s t e ds t e e l s 注：钢中均加入等量的n b 、v 、t i 、c u 、c r 、n i 、n 1 0 南京理1 = 大学硕士学位论文 高强度管线俐的连续冷却转变研究 2 2 主要合金元素的作用 合金元素在低碳贝氏体钢中的作用是十分复杂的，在不同过程中也起到不同的作 用，且各合金元素之间还存在着交互作用。合金元素在低碳贝氏体钢中的主要作用表 现在以下几个方面；首先，起到析出强化或固溶强化作用，使低碳贝氏体钢的强度得 以提高；其次，对钢的热加工过程也会产生影响；另外，这些合金元素对相变过程也 有影响。下面对低碳贝氏体钢中所涉及的主要合金元素所起的作用简述如下。 ( 1 ) b 在低碳贝氏体钢中的作用 为了获得高的强度，加入了成本较低的b 元索来增加钢的淬透性。由于硼具有 小的原子半径，并且在铁中的溶解度很小，基本上是沿奥氏体晶界富集，而在晶界处， 集中了各种结构缺陷，分布在缺陷处的硼原子降低界面能，提高了钢的淬透性。 钢中加入了适量的b ，这种合会设计思想充分利用了b 在相变动力学上的重要特 性，加入微量已可明显抑制铁素体在奥氏体晶界上的形核。使铁素体转变曲线明显右 移，同时使贝氏体转变曲线变得扁平，从而在低碳的情况下，能在较宽冷却速度范围 内都可得到贝氏体组织，如图2 i 所示1 2 町。这种低碳贝氏体钢特别适合于高强、厚壁 管线，适应寒带的现场环境下焊缝焊接和供酸性环境使用。关于钢中硼的最佳含量， 现有的文献资料有些相互矛盾，有些文献认为硼的最佳含量为1 0 p p m 6 0 p p m ，而另 外一些文献认为硼含量在1 0 p p m 1 5 p p m 更为合适i z 。 o g ( t l l w 圈2 1 高强度低碳合金钢中b 的作用 f i g2 1 r o l eo f b o r o ni nt h eh s l a 微量的硼就可显著提高钢的淬透性，而对其他性能无明显影响。硼还可改善钢的 力学性能，b 对低碳贝氏体钢力学性能的影响如图2 2 所示1 3 0 1 。 南京理工大学硕士学位论文高强度管线钢的连续冷却转变研究 。，彳躺 ? 曩： 7 7 0 v 净砰 00 o o l( f 0 0 20 t 0 0 3 8 w t t , 图2 2b 对低碳贝氏体钢力学性能的影响 f i g2 2e f f e c to f b o n o no nm a c h a n i c a lp r o p e r t i e so f h s l a 硼在低碳钢中少量加入，会显著提高这些钢的淬透性，硼含量太高，会促进脆性 颗粒f e z 3 ( c ，b ) 6 ( 一种铁的硼碳化物) 或f e b 的形成。硼可用作昂贵合会元素的替代品 来促进沿整个钢板厚度方向上的显微组织均匀性。硼也可增大钼和铌对钢淬透性的提 高作用，因而硼的加入可使低碳当量的钢获得高的强度。同样地，钢中加硼提供了将 钢的高强度同良好可焊性和抗冷脆能力相结合的潜在优点。硼也可提高晶界强度进而 提高抵抗氢致晶白j 断裂的能力】。 ( 2 ) c u 在低碳贝氏体钢中的作用 在钢中加入铜，可以提高钢的耐蚀性、强度。改善焊接性、成型性与机加工性能 等。近些年来，铜在钢中作为一种合金元素的应用得到了越来越广泛的重视。面心立 方c u 从a f e 中析出可使钢材强化。在管线用钢中若用1 r 3 c u 取代锰作强化元 素也可使屈服强度接近7 0 0 m p a 。9 0 年代以来含铜高强度超深冲( i f ) 钢成为了人们 关注的热点。研究表明，用铜作为合金元素可以在适当保持深冲压性能的前提下使钢 明显强化。另一方面，铜可以提高钢的抗腐蚀性能，目前铜元素在钢中的作用己得到 比较广泛的研究，许多学者对含铜钢铁材料性能与组织的影响已作了大量的研究 叫4 1 1 。 铜含量对钢的强度的影响如图2 3 所示，随着铜含量的升高，5 5 0 x ：热轧时，屈 服强度和拉伸强度均增加，如图2 3 a ；5 5 0 c 淬火时，屈服强度和拉伸强度也均增加， 1 2 t：营冒 南京理工大学硕士学位论文 高强度管线钢的连续冷却转变研究 如图2 3 b 。 图2 3 铜含鼍对钢的强度的影响，( a ) 5 5 0 c 熟轧、( b ) 5 5 0 。c 淬火 f i 9 2 3e f f e c t o f c o p p e r o n t h es t r e n g t h 。( a ) h o tr o l l i n g a t5 5 0 。( b ) q u e n c h i n g a t 5 5 0 含铜钢的屈服强度随时效温度的变化如图2 4 所示【4 2 】，该钢的基本成分为 o 0 3 5 c 、0 4 s i 、0 9 m n 、1 5 c u 、0 3 6 9 6 m o 、0 0 4 2 n b 、o 0 2 7 a 1 ，可以看出， 在5 0 0 - - 5 5 0 。c 之间时效处理，钢的硬度出现峰值，表明此时c u 的时效析出强化作用 达到最大值，在此之前，钢处于欠时效状态，因此，随时效温度升高，钢的硬度逐渐 增加。超过时效峰值温度后，钢处于过时效状态，随时效温度提高，钢的硬度下降m 郴1 。 日n量罾e历 南京理工大学硕士学位论文 高强度管线钢的连续冷却转变研究 i 墨i2 4 时效温度对禽铜低碳钢强度的影响 f i g2 4e f f e c to f a g i n gt e m p e r a t u r eo nt h es t e n g t ho fl o wc a r b o ns t e e l 时效时自j 对低碳钢的硬度也有明显的影响，如图2 5 所示，这种钢的成分为 0 0 5 c 、1 4 m n 、0 2 5 s i 、0 8 5 n i 、1 1 c u 、0 0 2 n b 、0 0 1 3 炳，可以看出， 当时效温度较高时，达到硬度峰值的时间较短，而时效温度较低时，达到硬度峰值的 时问要长得参；1 4 6 1 。 皇 兰 啦 篙 暑 鲁 图2 5 时效时间对含铜钢硬度的影响 f i r2 5e f f e c to f 硒n gt i m eo nt h eh a r d n e s s 铜还可以改善钢的焊接性能。通常认为铜不引起冷裂，但引起热裂。尽管铜增大 了热裂倾向，只要保证高温时的变形低于由该钢成分所决定的临界值，含铜钢可以焊 接而无热裂危险。研究还表明，在普通的低合金钢中加入铜可以改善熔合线和热影响 区的韧性。铜还可以改善成型性和机加工性。铜可提高钢的各向异性比，降低加工硬 1 4 南京理工大学硕士学位论文高强度管线钢的连续冷却转变研究 化指数。硫有可能降低钢的耐蚀性和塑性，铜则不会。在钢中加入铜还可提高钢的疲 劳抗力。近年来大量的研究发现含铜钢的低温疲劳抗力得到改善，这表明含铜钢具 有在极地及严寒地区服役的潜力。国外对铜合金化进行了深入的研究，结果显示，为 避免热脆性，可以采用镍、铜共同加入的方法，精确地控制成分，使铜均匀固溶。含 铜钢中同时存在镍可以增大铜在铁中的溶解度，形成富铜、富镍相( 约3 0 c u 、 3 0 n i ) ，熔点至少可提高2 0 0 ，从而可以避免热脆性 4 6 4 羽。 ( 3 ) 微合金元素的作用 一般而言，在钢中质量百分比不高于0 1 而对钢的微观结构和性能有显著或特 殊影响的合金元素，称为微合金元素。适宜于钢进行t m c p 工艺生产的微合金元素 可以通过下述特征概括出来：( 1 ) 很低的含量，从0 0 0 1 到o 1 ；( 2 ) 与c 、n 相互 作用；( 3 ) 在钢的基体中析出第二相粒子；( 4 ) 对组织和性能有强烈作用；( 5 ) 通过t m c p 工艺参数的调整，可控制其溶解和析出的可能性。在管线钢中，主要指n b 、v 和t i 等强烈碳化物形成元素。在t m c p 过程中，微合金元素以其溶于固溶体或作为析出 物的出现形式依次起着不同的作用，并由此对管线钢的组织及其晶粒度、强度、韧性 和抗h 2 s 开裂等性能产生非常大的作用。各种微合金元素，通过其析出物的体积分数、 分布、尺寸以及和基体的相溶性，能对管线钢的性能产生不同影响。不同微合金元素 之间以及微合金元素与其它合金元素之间的交互作用，能够产生叠加效应，从而可赋 予管线钢更优良的性能。因此，为了优化利用微合会化效果，目前管线钢中常采用两 种或更多种微合会元素的复合作用。 微合金元素的作用主要通过其碳氮化物来体现。这些微合