（凝聚态物理专业论文）热处理对x80管线钢性能的影响.pdf

摘要 以马钢( 集团) 控股有限公司生产的x 8 0 管线钢板材为研究对象，系统化研究了淬 火和回火工艺对其硬度、强度、延伸率、断面收缩率、腐蚀行为等的影响，同时分析了 相应的显微组织。研究结果表明： 以水和盐水作为淬火介质，都有一个共同的规律，即加热温度为9 3 0o c 时淬火后的 组织均以马氏体为主，且晶粒细小，硬度最高。加热温度升高时，硬度降低。表明对于 该材料，不管是以水还是以盐水作为淬火介质，达到最高硬度的淬火温度为9 3 0 0 c 。 水中盐的加入使得淬火介质的冷却能力增强，其金相组织中的贝氏体以及碳化物残 余组织较少，硬度较高。所以如果想要获得高的硬度和较多的马氏体组织，建议以盐水 作为淬火介质为好。 二次淬火后在板条马氏体基体中均可观察到弥散的铁素体组织，且在8 7 5o c 二次淬 火时组织更为均匀，硬度较低。试样经二次淬火回火与直接淬火回火相比较，在强度相 同的情况下，其延伸率以及断面收缩率均不如后者好，即二次淬火并没有对淬火工艺进 行优化。 正火预处理后，淬火和回火后试样的晶粒并不细小，回火处理时，其强度以及塑性 的变化情况与不经正火预处理的变化趋势基本相同，且不经正火处理时的强度和塑性均 要高于正火预处理的试样。 该材料经淬火后高温回火，得到的组织为回火索氏体，其硬度以及强度随着回火温 度的升高而降低，而延伸率和断面收缩率则不断升高，特别是在6 2 5o c 6 3 5o c 的温度范 围内回火时硬度以及拉伸性能的变化比较明显，而在6 3 5o c 6 5 5o c 的温度范围内回火 时，硬度和拉伸性能的变化趋势比较平缓；且其硬度与抗拉强度之间也满足一次线性关 系，此时的线性比例系数a 应取值为3 5 6 7 8 。 热处理工艺对该x 8 0 钢耐蚀性能影响较小，该材料在n a c l 溶液中的腐蚀速率较自来 水中大，且腐蚀速率、腐蚀电流密度随n a c l 溶液浓度的增大而增大，腐蚀电位随溶液中 n a c i 浓度的增大而向负方向移动。 关键词：热处理，金相组织，力学性能，耐蚀性 a b s t r a c t t h i sp a p e rs y s t e m a t i c a l l ys t u d i e dq u e n c h i n ga n dt e m p e r i n gp r o c e s st ox 8 0 p i p e l i n es t e e lh a r d n e s s ，s t r e n g t h ，e l o n g a t i o n ，a r e ar e d u c t i o nr a t e ，t h ei m p a c to f c o r r o s i o nb e h a v i o r , a n da n a l y z e dt h ec o r r e s p o n d i n gm i c r o s t r u c t u r e ，w h i c hi s p r o d u c e db ym a a n s h a ni r o n & s t e e l ( g r o u p ) h o l d i n gc o ，l t d t h er e s u l ts h o w s t h a t ： t h e r ei sac o m m o nl a wt h a tw h e nt h eh e a t i n gt e m p e r a t u r ei s9 3 0o ca n dt h e q u e n c h i n gm e d i u ma r ew a t e ra n ds a l tw a t e r , a f t e rq u e n c h i n gt h em i c r o s t r u c t u r e a r eb a s e da sm a r t e n s i t e ，a n dt h eg r a i ni ss m a l l ，h a r d n e s sa r em a x i m u m t h e h a r d n e s sd e c r e a s e dw h e nt h et e m p e r a t u r ei si n c r e a s e d s a l tw a t e rm a k e st h ec o o l i n gc a p a c i t yo fq u e n c h i n gm e d i ai n c r e a s e d ，t h e b a i n i t ea n dc a r b o nr e s i d u ea r el e s si nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dt h eh a r d n e s si s h i g h e r s ot h es a l tw a t e ri sb e t t e ra saq u e n c h i n gm e d i u mi fy o uw a n tt og e t h i g h e rh a r d n e s sa n dm o r em a a e n s i t e t h ef e r r i t ed i s p e r s i o nc a nb eo b s e r v e di nt h em a r t e n s i t ea f t e ras e c o n d a r y q u e n c h i n g ，a n dt h em e t a l l u r g i c a ls t r u c t u r ei sm o r eu n i f o r mt h eh a r d n e s si sl o w e r w h e nt h es e c o n d a r yq u e n c h i n g st e m p e r a t u r ei s8 7 5o c n o r m a l i z i n gp r e t r e a t e ds a m p l e st h e nq u e n c h i n ga n dt e m p e r i n gt h eg r a i ni sn o t s m a l l a n dt h ec h a n g e si nt h es t r e n g t ha n dt o u g h n e s sh a v et h es a m et r e n d c o m p a r e dw i t ht a f t e rt e m p e r i n g a n dt h es t r e n g t ha n dt o u g h n e s si s h i g h e r w i t h o u tn o r m a l i z i n gp r e t r e a t m e n t t h em i c r o s t r u c t u r ei st e m p e r e ds o r b i t eb y t e m p e r i n ga f t e rq u e n c h i n g ，a st h e t e m p e r i n gt e m p e r a t u r ei sh i g h e rt h eh a r d n e s sa n ds t r e n g t hr e d u c e s ，w h i l et h e e l o n g a t i o na n da r e ar e d u c t i o nr a t e sr i s i n g ，e s p e c i a l l yw h e nt h et e m p e r i n g t e m p e r a t u r ei s6 2 5 。ct o6 3 5 。c ，t h ec h a n g e si nh a r d n e s sa n dt e n s i l ep r o p e r t i e si s o b v i o u s b u tt h eh a r d n e s sa n dt e n s i l ep r o p e r t i e sc h a n g e sr e l a t i v e l yf i a tw h e nt h e t e m p e r i n gt e m p e r a t u r ei s6 3 5 。ct o6 5 5 0 c t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eh a r d n e s s a n dt e n s i l es t r e n g t hm e e tal i n e a r , a n dt h el i n e a rp r o p o r t i o n a lc o e f f i c i e n tav a l u e s h o u l db e3 5 6 7 8 h e a tt r e a t m e n td i dn o ts i g n i f i c a n t l y c h a n g et h ex 8 0p i p e l i n e s t e e l s c o r r o s i o nr e s i s t a n c e ；i tm e a n st h a tt h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c eo ft h em a t e r i a l d e p e n d so ni t si n t e m a lc o m p o n e n t s w h e nt h em a t e r i a li si ns o d i u mc h l o r i d e s o l u t i o nt h ec o r r o s i o nr a t ei sf a s t e rt h a nt h a ti si nt h et a pw a t e r a n dt h e c o r r o s i o nr a t e ，c o r r o s i o nc u r r e n td e n s i t yi n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s e so f c o n c e n t r a t i o no fs o d i u mc h l o r i d es o l u t i o n a n dt h ec o r r o s i o np o t e n t i a lm o v e dt o t h en e g a t i v ed i r e c t i o nw i t hi n c r e a s i n gc o n c e n t r a t i o no fs o d i u mc h l o r i d es o l u t i o n k e yw o r d s ：h e a tt r e a t m e n t ，m i c r o s t r u c t u r e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，c o r r o s i o n r e s i s t a n c e 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许 论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所等机构将本学位论 文收录到中国学位论文全文数据库或其它相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：凌垒鸷 指导教师签名： 7 o l o 年舌月10e l伊伽年；月【日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本 论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北大 学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：森岔科 7 , o i 0 年石月10 日 西北大学硕士学位论文 1 1 选题的背景与意义 1 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 金属材料是目前社会上使用最广泛的材料。钢铁材料作为金属材料两大基本类型之 一，由于其具有优良的力学性能、工艺性能、和低廉的生产成本，使其在机械制造业( 机 械、化工、石油、仪器仪表等) 中占据了近9 0 的比例【l 】。根据资料显示，中国在1 9 9 4 年的钢材产量为9 2 6 1 万吨，其中合金钢5 6 6 万吨，所占比例为6 1 ，如果按照当前的 形势发展，预计到2 0 1 0 年我国的粗钢产量将达到6 2 7 万亿吨以上。尽管如此，我国特 殊钢的消耗量仍不能满足需求，近几年每年都要花费上亿美元资金进口合金钢材。 管线钢，是指用于石油、天然气等输送的热轧卷板或宽厚板经焊接的大口径钢管。 现代管线钢如果从钢材的种类进行划分，多属于低碳微合金钢。管线钢在使用过程中， 往往埋藏于地下，甚至铺设于海底，且由于其所处环境的特殊性，从而要求管线钢在使 用过程中，不仅要具有较高的强度，还要具有较高的韧塑性和优良耐腐蚀性。 进入2 l 世纪，全球石油工业进入了迅猛发展的时期，各国的油气田开发已经从陆 地油气田的开发转向极地油气田、海上油气田和腐蚀环境油气田等恶劣环境油气田的开 发，从而对管线钢也提出了新的要求，即管线钢不仅应具有高的强度、高的韧塑性，而 且应其具有优良的疲劳性能、抗断裂性能和耐腐蚀性能，且管线钢力学性能的改善不应 当恶化钢材的焊接性能和加工性能1 2 制。 就管线钢的发展情况来看说，在上世纪4 0 年代以前，管线钢主要以碳素钢为主， 且其强度和韧塑性等力学性能指标较低，美国a p l 5 l 标准于1 9 4 7 年发布了x 4 2 、x 4 6 以及x 5 2 三种管线钢钢级，其屈服强度最多也不过3 5 0 m p a ，欧美等一些国家于上世纪 5 0 年代末期发现，通过向钢材中添加入一定量的其它元素，可显著提高钢材的强度，在 那时x 6 0 级管线钢板材问世，直到上世纪6 0 年代中期，人们发现向钢材中加入微量的 合金元素不但能够使钢材的强度显著提高，还可以使得管线钢的韧塑性得以改善，从此 管线钢的开发才买上了一个新的台阶。进入上世纪7 0 年代，ye s m i t h 于1 9 7 1 首先提 出针状铁素体的概念，并对其进行了深入的研究，此时x 6 0 、x 6 5 以及x 7 0 等管线钢相 第一章绪论 继被成功研制并生产出来，x 8 0 管线钢研究于上世纪8 0 年代，而在9 0 年代初期就已经 得到了批量化的生产和应用，而日本s m i 公司也与上世纪8 0 年代末( 1 9 8 8 年) ，首次 向外界公布了x 1 0 0 管线钢的研制成果【5 ，- 9 。 由此可见管线钢的强度已经由最初的2 8 9 m p a ( 相当于a p l 5 l 的x 4 2 ) 3 5 0 m p a ( 相 当于a p l 5 l 的x 5 2 ) 提高到了5 2 6 m p a ( 相当于a p l 5 l 的x 8 0 ) 7 0 3 m p a ( 相当于a p l 5 l 的x 1 0 0 ) ，而且x 1 2 0 级管线钢也正在开发之中。现阶段管线钢的用量中，x 6 0 级占有 很大的比例，我国目前在输油管道的铺设中所使用的最高钢级为x 7 0 管线钢，而x 8 0 管线钢已被指定为中国西气东输二线工程的主要用材，追求更好的综合性能是当今管线 钢发展的趋势【6 ，1 0 - 1 5 1 。 1 1 2 课题研究的目的与意义 我国关于管线钢研制起步较晚，x 5 2 到x 6 5 管线钢研制成功于上世纪9 0 年代初期， 直到进入2 1 世纪，用于西气东输的x 7 0 管线钢才得以成功应用，x 8 0 管线钢于2 0 0 0 年在我国开始研制，武钢、宝钢等于2 0 0 3 年生产出不同厚度的x 8 0 管线钢板材，同年 在中国石油宝鸡钢管有限公司试制钢管并进行性能优化 1 4 - 1 5 。 管线钢主要用于石油以及天然气管线的建设中，因此对其研究多集中在对钢管韧 性、焊接性和抗腐蚀性的研究上，且主要在于x 6 0 和x 7 0 管线钢组织和性能的改善， 国内对高级别管线钢( x 8 0 和x 1 0 0 级) 的性能和组织的研究还显不足【8 ，9 ，1 眈1 1 。 在现阶段，改善金属材料力学性能主要有三种途径瞄粕】： ( 1 ) 通过调整成分和热处理改善性能； ( 2 ) 通过高纯化的冶炼降低有害杂质提高金属的力学性能； ( 3 ) 通过夹杂物改性提高性能。 冶炼前精选高纯度的原材料并且通过高纯化的冶炼方法，既能够降低气体的含量， 又能够同时使s 、p 等有害元素和相关杂质的夹杂含量降低，从而最终达到改善材料性 能的目的，但这无疑提高了原材料和制造过程的成本。而且，在材料熔炼过程中由于相 关技术的复杂性以及冶炼对工人技术要求的苛刻性，更使得通过冶炼以达到材料改性的 技术成本增加。众所周知，对于任何一种材料，要使其得到广泛应用的另一个要求就是 材料的成本不能太高，否则难以得到广泛应用 2 7 , 2 8 】。 由此可见通过后两者实现材料力学性能的优化，无论是技术上还是成本上都很难与 2 西北大学硕士学位论文 热处理相互媲美，所以通过适当的热处理以达到材料改性的目的，且根据特定的钢材选 则一个合适的热处理工艺将是本课题研究的首要目的。 在本课题中，以x 8 0 管线钢板材为研究对象，研究其淬火工艺和回火工艺对该材料 性能和组织的影响，探讨该钢种的热处理制度，以获得不同的力学性能，为开拓这种材 料的新应用奠定基础。 1 2 热处理的目的和作用 1 2 1 热处理的作用与分类 热处理是指将材料( 钢) 在固态下加热到一定的温度，并在该温度下保持一定的时 间，然后以一定的速度或者方式冷却的一种热加工工艺。其目的是通过改变材料的内部 组织结构，以优化材料使其达到所需要的性能。由此可见，热处理并不是适用于所有的 固态材料，而只有那些固态下发生相变的材料才可以借助于热处理以达到其所需的性 能。通常情况下，适当的热处理可以大大提高材料的力学性能，延长材料的使用寿命， 增加材料表面的抗磨损能力、抗腐蚀能力。另外热处理还可以改善材料的加工性能，消 除材料的内应力和组织缺陷等。 同一种金属材料往往由于加热温度、冷却方式等的不同，所获的组织和性能不尽相 同，因此按照加热以及冷却方式的差异通常可以将钢的热处理划分为普通热处理、化学 热处理和形变热处理三大类。 普通热处理即通常所说的四把火：退火、正火、淬火和回火，是生活中比较常见， 也是工业生产中最常用的热处理方式。根据加热温度的不同，退火工艺又可以分为临界 点温度a l 以上的退火( 完全退火、不完全退火、球化退火) 和临界点温度a l 以下的退 火( 扩散退火、去应力退火、再结晶退火) ；根据加热温度以及所得组织的不同，回火 工艺则可分为低温回火( 1 5 0 2 5 0 0 c ) 、中温回火( 3 5 0 5 0 0 0 c ) 和高温回火( 5 0 0 6 5 0 0 c ) ； 本研究中主要研究了x 8 0 管线钢在淬火后高温回火的组织和性能。 1 2 2 热处理的理论基础 将钢铁等材料热处理的过程实际上也就是通过材料加热、保温、冷却以使其发生固 态相变的过程，其最主要的特点就是它只通过改变工件或材料的组织来改变性能而并不 3 第一章绪论 改变工件或者材料的形状。 铁碳合金相图，如图1 所示，作为金属材料工作者的基本工具，往往也是热处理 工作者制定热处理制度的出发点。 t p o j a 警j 影 馏 刃 f x f e 3 c f e 12 34566 6 9 胪( c ) 哼 图1 铁碳合金相图 f i g 1t h ei r o n c a r b o np h a s ed i a g r a m 图1 中g s 线又称a c 3 线，它是金属在冷却过程中由奥氏体向铁素体转变的开始线， 或者金属材料在加热过程中由铁素体全部转化为奥氏体的结束线；e s 线则是碳在奥氏体 中的溶解度曲线，又称a c m 线，当温度低于此线时，丫( 奥氏体) 中将析出f e 3 c ( 渗碳体) ， 称为二次渗碳体。 加热通常是热处理的第一道工序，而加热又分为两种方式：一种是在临界点a ，以 下加热，不发生相变；另一种则是在临界点a 以上的加热，其目的主要是获得均匀的 奥氏体组织。而在实际的热处理中，往往则以铁碳合金相图为出发点，选择在a t 3 点以 上3 0 0 c 5 0 0 c 的温度范围进行奥氏体化，但是由于合金元素的加入往往会使得奥氏体区 域发生偏移即使得钢材等的相变临界点发生移动如图2 所示【1 2 , 2 9 - 3 1 1 ，所以针对不同的钢 铁合金选择合适的奥氏体化温度往往也是指定热处理工艺的一个难点。 4 西北丈学硕士学位论文 9 醚 铝 塔 蒜 1 3 1 2 0 d 5 o 0 7 0 s0 6 0 受0 5 0 i - 慈0 4 0 铂；3 9 萎0 2 0 抵 o - l o m 心厂囟 。氕 t i ，7 么 l 彭 哆 夕 7，杉 竺一 影二 、 i ： 、 、芝l 、 赢、。、 、 、j- _ 、 藤文叶、 鼬骶 ，| l 心l - l ，li 、飞 专一 、 、 ，i 、s 卜 、 k i 、| j 、 l 、o j _ ，! 一1 = 、 m a 、l 、 m o心 一t i o2468t o1 21 1 6l 客 a 垒囊紊 6 图2 合金元素对奥氏体化温度的影响 f i g 2t h ei n f l u e n c eo fa l l o ye l e m e n t so nt h ea u s t e n i t i z i n gt e m p e r a t u r e 冷却作为热处理的最后一道工序，其方式将直接决定热处理后金属材料的组织和性 能。钢铁材料经高温奥氏体化后，借助于不同的冷却介质，以不同的速度冷却，其转变 产物在组织与性能上差异很大。对于金属材料在连续冷却时，其组织的变化情况，通常 可以借助于图3 加以辅助说明。 5 m 蛳 蛐 栅 湖 暑 l i 第一章绪论 p 、 醚 媚 l 誊目 图3 冷却速度对组织产物的影响 f i g 3t h ei m p a c to fc o o l i n gr a t eo nt h ep r o d u c t 图3 中的v 临即临界冷却速度，为奥氏体在过冷条件下不发生分解而全部转化为马氏 体的最小冷却速度，即钢铁材料在淬火过程中为了抑制非马氏体组织转变所必需达到的 最小冷却速度，又称为马氏体临界冷却速度啪1 。当冷却速度小于v 临，奥氏体在过冷条件 下将会部分的转变为其他组织( 如珠光体、贝氏体) ，而不能够完全转化为马氏体，如 果冷却速度太小，如图中的v l 、v 2 已经不能够获得马氏体组织。由此可见，钢铁材料的 临界冷却速度实际上反映了其淬火能力的大小。而钢铁材料的化学成分又往往是影响其 临界冷却速度的主要因素。这一特性对于钢铁材料的热处理具有非常重要的指导意义。 1 3 热处理的机理 钢的热处理过程实际上就是钢的加热一保温( 组织转变) 一冷却的过程，然而由于加 热方式、加热温度、保温时间、乃至冷却方式等等的不同与差异，往往会得到大相径庭 的热处理效果，所以常常将热处理的机理分为加热和冷却两个部分去讨论。 1 3 1 钢在加热时的转变 加热作为热处理的第一步，在淬火过程中尤为重要。其目的就是将钢奥氏体化，所 以必须在临界点温度以上进行。关于临界点温度的确定必须借助于铁碳相图如图l 所 6 西北大学硕士学位论文 示：且由于本研究中所用的x 8 0 管线钢板材其含碳量为0 0 6 ，与亚共析钢的含碳量相 当，所以与亚共析钢的奥氏体化过程相似，故可以在铁碳相图上亚共析钢的区域进行 讨论，但是又由于合金组员的存在，所以又要区别于亚共析钢加以对待，实际上，在本 研究中所用的材料即x 8 0 管线钢板材，其原始金相组织为贝氏体和少量的铁素体，其本 质上属于贝氏体钢。贝氏体即渗碳体( f e 3 c ) 与含碳过饱和铁素体的两相机械混合物， 在组织组成物上与珠光体相似，只是在形态分布上有所差异，所以其奥氏体化过程与珠 光体相似。 从图l 中可以看出，当钢加热到g s 线即a c 3 温度以上时，贝氏体、铁素体开始向 奥氏体转变。贝氏体向奥氏体的转变过程实际上就是奥氏体晶核的形成和长大的过程， 大致分为一下几个步骤： 第一步，奥氏体晶核的形成。一般情况下奥氏体的晶核首先在铁素体和渗碳体的界 面上形成。贝氏体是由含碳过饱和的铁素体与渗碳体( f e 3 c ) 形成的两相机械混合物， 而铁素体则是碳在仅f e 中形成的体心立方结构的间隙固溶体，由于铁素体中原子间的 晶格间隙很小，因此碳在其晶格间的溶解量就非常少，即使在7 2 7 0 c 时，溶解度也不过 为0 0 2 8 。而对于渗碳体来说却不同，它是由铁和碳形成的化合物，碳的含量达到了 6 6 9 。此二者的含碳量相差悬殊之大以至于在7 2 7 0 c 时渗碳体的含碳量竟然是铁素体 含碳量的3 0 0 多倍。正是由于在贝氏体中有这样的成分不均匀性的存在，所以使得奥氏 体晶核首先在铁素体与渗碳体的界面上形成【3 2 1 。上述过程体现如图4 。 铁原子 ( a )表示铁素体( b ) 表示奥氏体 图4 铁素体、奥氏体的间隙模型位置 f i g 4f e r r i t e , a u s t e n i t eg a pp o s i t i o nm o d e l 第二步，奥氏体晶核的进一步长大。奥氏体晶核的进一步长大是通过渗碳体的溶解 以及碳在铁素体与奥氏体中的扩散从而致使铁素体进一步向奥氏体转变而实现的。其微 7 第一章绪论 观机制可以进一步解释如下： 假定奥氏体晶核在临界温度a c 3 以上某一温度t l 形成，则其与铁素体和渗碳体分别 有一个互相接触的相界面。在上面曾经提到，铁素体为体心立方晶格，其晶格间隙较小， 可溶解的碳的质量分数很低，即使在7 2 7 0 c 时，溶解度也不过为0 0 2 8 ；具有正交晶 格结构的渗碳体则是由铁和碳形成的化合物，碳的含量达到了6 6 9 ；而奥氏体具有面 心立方结构，其晶格间隙较铁素体大，因此其碳的含量要比铁素体高，但由于它仍旧是 碳溶解于铁而形成的具有面心立方结构的固溶体，因此其碳的含量要低于铁一碳化合物 ( 渗碳体) 。正是由于上述因素的存在，使得两相界面上势必形成碳的浓度梯度如图5 。 f e 3 | c 口 f e 筘 口 图5 奥氏体相界面推移图 f i g 5a u s t e n i t ei n t e r f a c ep l o t t e d 图5 中c 邶表示与铁素体相接处界面上奥氏体中的碳浓度，c a 吖则表示与奥氏体相 接处界面上铁素体中的碳浓度，c ，c 表示与渗碳体相接处界面上奥氏体的碳浓度，由 于c t f e 3 c c 1 r 伍，这样势必在奥氏体内部形成一个碳的浓度梯度，从而使得碳在奥氏体内 部不断地由高浓度向低浓度扩散，扩散的结果使得原来相界面上的平衡被打破，即 y - f e 3 c 相界面上的碳浓度降低，低于t t 温度下的平衡浓度q f e 3 c ，邶相界面上的碳浓 度升高，高于t l 温度下的平衡浓度c t - ( i 。为了恢复原有的平衡状态，必须要发生渗碳体 的溶解从而使得渗碳体中的碳原子溶入奥氏体中，致使奥氏体中的含碳量达到饱和，同 时奥氏体中的碳原子必须向铁素体中扩散而使得铁素体中的碳含量升高从而转变为奥 8 西北大学硕士学位论文 氏体，致使奥氏体中的碳含量降低。就这样，碳的浓度一次次失去平衡又恢复平衡的过 程，就使得奥氏体不断的向渗碳体与铁素体中推移而长大。 第三步，残余碳化物的进一步溶解【3 2 1 。铁素体为体心立方结构，奥氏体为面心立方 结构，因此二者尽管结构不同但同属于立方晶系，具有定的相似性，而渗碳体属于正 交晶系，其含碳量与晶格结构都与奥氏体相差悬殊，所以铁素体会优先与渗碳体全部转 化为奥氏体。当铁素体完全转化为奥氏体以后，随着保温时间的延长，碳在奥氏体中加 速扩散传播，致使剩余的渗碳体不断地向奥氏体中溶解，最终全部转化为奥氏体。 第四步，奥氏体成分的均匀化。当奥氏体刚刚形成时，其内部的碳含量分布并不均 匀，表现为原来是渗碳体的区域碳浓度较高，原来是铁素体的区域碳浓度较低，这种局 势的改变只能通过保温一段时间，使得碳原子充分扩散以达到均匀化。 1 3 2 钢在冷却时的转变 冷却作为一个热处理过程的最后一道工序，是决定一个热处理工艺是否成功的关 键，尤其是在淬火热处理中，冷却后是否获得了所需的马氏体组织将直接决定着后续工 艺，是否能够进行，从而决定了钢的最终性能。因此研究钢在冷却过程中的组织转变， 对于制定热处理工艺具有举足轻重的指导意义。 在实际的热处理生产中，经加热转变为奥氏体组织以后的钢，其通常的冷却方式有 两种，如图6 。一种是随温度持续降低发生的组织转变即连续冷却，如图6 中的a 所示， 另一种则是让奥氏体先冷却到某一温度，然后在该温度保温使其发生组织转变即常说的 等温转变，如图6 中的b 。在本研究中，考虑到实验设备等实际情况，采用的冷却方式 均为连续冷却，如图6 中的a 。 9 第一章绪论 a 连续冷却 漫 b 等温冷却 图6 冷却方式示意图 f i g 6s c h e m a t i cd i a g r a mo fc o o l i n g 将钢加热到临界温度以上时，其将会发生相变，换句话说钢在高温时的加热过程实 际上就是钢的奥氏体化相变的过程。那么钢的冷却过程与加热过程相似，也是一个伴随 着组织转变的相变过程。由铁碳相图可知，奥氏体在高温范围内即临界点温度以上时 比较稳定，不发生分解转变，但是当奥氏体的温度降低到临界温度以下时，随其温度的 降低将会发生分解型转变，且这种冷却时的转变在热力学上是一种自发的过程，所以通 常情况下人们将这种在临界点温度以下的奥氏体称为过冷奥氏体。在高温情况下由于原 子的热运动较快，所以扩散进行的也比较明显，换句话说，当温度较高时( 低于临界点 温度) ，由于扩散进行的比较快，如果时间充裕的话，则奥氏体在冷却转变时可以得到 近乎平衡的珠光体类型的组织如索氏体、托氏体等，那么其对应的冷却方式就是在热处 理工艺中常常所说的退火或者回火。 实际上，过冷奥氏体的转变过程就是一个由铁原子重新构建空间点阵和碳原子扩散 的过程。由扩散的基本原理可知，固态相变的扩散必须在足够高的温度下进行，而且不 同的原子在同一温度下其扩散速率也不尽相同，从而导致在某一温度下碳原子还能继续 扩散时，而铁原子的扩散几乎已经不能进行。例如当冷却速度较快时，奥氏体可以快速 的降低到较低温度，在此温度下碳原子还可以进行扩散，但铁原子的扩散已经被冻结， 此时奥氏体就只能转变为贝氏体组织，如果温度下降得更快一些，则奥氏体快速的降温 到马氏体相变开始温度( m s ) 以下，则冷却转变的组织为马氏体，也就是在本研究中所 采取的水冷方式3 3 0 5 1 。 1 0 西北大学硕士学位论文 1 4x 8 0 管线钢国内外研究现状 x 8 0 管线钢最早研制成功于1 9 8 5 年，为德国的一家叫曼内斯曼的公司所研制，并 在同年铺设了3 2 公里的管道用于试验【3 6 。9 1 。从1 9 9 1 年开始，加拿大的t r a n sc a n a d a 也开始在小规模的范围内使用x 8 0 管线钢铺设输油管道，截止到2 0 0 6 年，加拿大已铺 设了超过4 0 0 公里的管道，而这些管道全部采用x 8 0 管线钢。而鲁尔天然气公司则相继 在1 9 9 2 1 9 9 3 年两年时间铺设了总长为2 3 0 多公里的x 8 0 输油管道。截止到2 0 0 3 年， 澳大利亚的x 8 0 管线钢试验阶段也顺利完成。 简言之，国外关于x 8 0 管线钢的研究开发乃至使用，早已超过了2 0 多年，从管线 钢的成分设计、熔炼、扎制、制管到管线钢的监测、防腐以及运营维护等，都积累了相 当丰富的经验。换句话说，在国外x 8 0 管线钢的技术已相对成熟。 而我国在管线钢方面的研发相对较晚，直到2 0 0 0 年在开始立项研究，尽管在2 0 0 3 年时宝钢、鞍钢等一批大的钢铁公司，先后对不同壁厚的x 8 0 钢板材完成了生产，并经 中石油宝鸡钢管有限公司等一批国有化企业制成钢管，但在监测维护、性能改良以及工 艺完善方面还有待进一步提高 4 0 越l 。 1 5 本研究的主要内容 在本研究中，以马钢( 集团) 控股有限公司生产的x 8 0 管线钢板材为研究对象，对 其淬火以及回火工艺进行了比较系统化的研究，同时考察了经不同热处理工艺处理后该 材料的性能以及显微组织的变化情况。其中主要包括以下点： ( 1 ) 、考察了同一淬火介质时不同加热温度下硬度与金相显微组织的变化情况， 找出适合本材料的较好的淬火加热温度。 ( 2 ) 、考察了该x 8 0 钢经不同淬火介质淬火热处理后的维氏硬度与金相显微组织的 变化情况，以探究较适合本材料的淬火介质。 ( 3 ) 、对淬火进行了二次淬火、淬火前正火等工艺优化，通过维氏硬度测试以及 金相组织分析，以期望找到更适合该x 8 0 钢的淬火工艺。 ( 4 ) 、对经不同淬火工艺淬火处理的试样，分别进行高温回火处理，同时考察高 温回火过程中的相变过程，通过测试和分析该x 8 0 钢回火后的拉伸力学性能、金相显微 组织以及维氏硬度等，探究适合该x 8 0 管线钢的热处理工艺。 第一章绪论 ( 5 ) 、以x 8 0 钢原样、淬火样、以及不同温度的回火样为研究对象，探究其在不 同浓度的n a c l 腐蚀介质和自来水中的电化学腐蚀行为，考察热处理工艺对其耐蚀性能 的影响。 1 2 西北大学硕士学位论文 2 1 实验材料 第二章实验材料与研究方法 本实验所用的材料为马钢( 集团) 控股有限公司生产的x 8 0 管线钢板材，其原始的 金相显微组织为贝氏体和少量的铁素体，其成分和力学性能如表1 、2 所示。 表1 马钢x 8 0 化学成分叭 t a b l e1c h e m i c a lc o m p o s i t i o no fm a a n s h a ni r o n s t e e lx 8 0w t w ( c )w ( s i )w ( m n )w ( p )w ( s )w ( n i )w ( c ow ( c u ) 0 0 6o 1 71 8 10 0 1 20 0 0 30 2 70 0 30 1 8 w 0 妯)w ( v )w ( t i )w ( m o )w ( a 1 )w ( n )w ( b ) w ( c e q ) 0 0 70 ol0 0l60 2 70 0 40 0 0 60 0 0 0 20 4 5 2 2 实验仪器 表3 为本研究中所用到的实验仪器以及有关参数。 1 3 第二章实验材料与研究方法 表3 实验仪器 t a b l e3e x p e r i m e n t a li n s t r u m e n t 仪器名称生产厂家 s x l 0 1 2 型箱式电阻炉 天津市泰斯特仪器有限公司 p 2 型金相试样抛光机 上海科迪仪表有限公司 4 x b c 型三目金相显微镜 4 3 0 s v d 型数显维氏硬度计沃波特测量仪器( 上海) 有限公司 s d h 2 0 0 a 电动式标距打点划线机西安唯信检测设备有限公司 i n s t r o n 8 8 0 1 型电液伺服疲劳试验机美国i n s t r o n 英斯特朗公司 p a r s 丑盯2 2 7 3 电化学工作站 j a l 0 0 3 b 型电子天平 美国a m e t e kp r i n c e t o na p p l i e dr e s e a r c h 公司 上海越平科学仪器有限公司 2 3 试验方法 在本研究中，主要用普通的热处理方式( 淬火、回火、正火) 对x 8 0 管线钢进行热处 理研究，淬火、正火以及回火热处理试验均在天津市泰斯特仪器有限公司生产的s x l 0 1 2 型箱式电阻炉中进行，淬火介质分别为水和浓度为1 0 的盐水。淬火温度、淬火保温时 间、回火温度、回火保温时间的选择，将自身实验设备、实验所用材料以及所要达到的 实验目的与铁碳合金相图，以及有关经验公式结合起来选取。 淬火的主要目的是获得板条状的马氏体组织，以为后续的回火等最终热处理做准 备。所以淬火温度、淬火保温时间的选取原则是：获得均匀的板条状马氏体组织，且晶 粒不能过于粗大。回火作为最终的热处理步骤，其目的是获得所需的组织结构，最终获 得所需的力学性能，在本研究中主要目的是探究该材料的强韧化机制，以期望能够通过 回火热处理获得回火索氏体组织，所以应该避开发生回火脆性的温度区域，本研究中的 回火温度主要选择在高温回火区域。 热处理后将试样制成1 0 m m x l o m m x 2 0 m m 的块状，经打磨并在p 一2 型试样抛光机 1 4 西北大学硕士学位论文 上抛光后进行显微组织分析与硬度测试，测试设备为：上海科迪仪表有限公司生产的 4 x b c 型三目金相显微镜、沃波特测量仪器( 上海) 有限公司生产的4 3 0 s v d 型数显维 氏硬度计，并选择具有代表性的区域进行拍照。 拉伸试验则为先将材料机械加工成1 0 m i n x l o m i n x l 5 0 r a m 的长条状试样，经热处理 后，再按照国标t 2 2 8 2 0 0 2 机械加工成圆棒形试样，其尺寸为巾6 x 3 0 m m ，最后在i n s t r o n 8 8 0 1 型疲劳试验机上进行测试。 2 3 1 显微组织分析 材料的显微组织分析，是材料试验研究的重要手段之一，借助于材料的显微 组织分析，可以更为科学的评价和分析材料，为材料进一步的优化和改性提出判 别依据。 在本研究中借助于4 x b c 型三目金相显微镜来对热处理后的金属材料进行显 微组织分析。通过观察与对比经不同热处理工艺处理后的金属材料在组织形貌上 的差异，并与其力学性能结合起来进行分析。为进一步制定和优化热处理方案作 参照。 其具体步骤为：先将材料机械加工为1 0 m m x l o m m x 2 0 m m 的试样然后进行淬 火、回火等处理，对于热处理后的试样将其从中间切开，进行打磨、抛光制备金 相试样，抛光好的试样经4 的硝酸酒精溶液腐蚀后放于4 x b c 型三目金相显微镜 下观察并分析，并对其具有代表性的区域进行拍照。 2 3 2 力学性能测试 对于任何一种材料而言，其自身的性能往往决定着这种材料的应用条件和应用范 围。而通常所说的材料的性能主要是指材料的机械性能、化学性能、物理性能和工艺性 能四个方面。 对于金属材料来说，其化学性能，主要是指金属材料与外界其他物质能否发生化学 反应，或者能否稳定共存的性质，而在实际应用中主要是指其抵抗腐蚀的能力即电化学 稳定性；金属的物理性能则主要是指金属材料的密度、熔点、导电性、导热性以及磁性 等基本性能，往往也是材料工作者选材的重要依据之一；金属的工艺性能，主要在于描 述金属材料对于各种加工工艺的适应性，如可锻性、可铸性、焊接性以及切削加工性等； 1 5 第二章实验材料与研究方法 金属材料的机械性能又称力学性能，是指金属材料在一定条件下承受外界载荷时，对变 形和断裂的抗力，金属承受的载荷可以是静态载荷也可以是动态载荷；承受的载荷可以 是拉伸应力，也可以是压应力；可以是弯曲应力也可以是剪切，此外还包括扭转、振动、 冲击等。而在本课题研究中主要测量材料在压应力和拉伸应力下的机械性能。 2 3 3 硬度测试试验 硬度通俗的讲，就是指物体的软硬程度，在材料科学领域是指表征材料抵抗局部变 形的抗力，从侧面反映了材料机械性能的好坏。通常情况下硬度的高低也可以间接地体 现出材料抵抗塑性变形、压痕、划痕等能力，研究表明，测量出材料的硬度，就可以通 过有关经验公式计算出材料的强度，该法的最大好处在于，要测量材料的强度必须将材 料或试样放于试验机上进行拉伸，即要通过破坏材料或试样才能获取材料的强度，属于 有损检测，如果是工程机械的零部件的话势必是不可取的。而硬度测试属于无损检测的 范畴，不会对材料或工程机械的零部件进行破坏，且测量起来方便快捷，因而在工程技 术和实验研究中也常常借助于硬度来估测强度。郑修麟在工程材料的力学行为中给出了 材料布氏硬度与抗拉强度的经验公式【1 1 。例如对合金钢以及碳钢而言，当硬度在2 0 0 h b 到6 0 0 h b 范围内时 吼= 0 h b ( 2 1 ) 式中e 为经验常数，对于不同的材料，其取值不同，当上式中的p 取3 2 7 时，则相应 的变为 o b = 3 2 7 h b ( 2 2 ) 此时o b 的单位为m p a ，实际上有资料显示，当硬度在2 0 0 h b 到6 0 0 h b 范围内时布氏 硬度的数值与维氏硬度相当，上述公式也可以变换为 o b = 3 2 7 h v( 2 3 ) 大连机车车辆工厂的王庆山根据自身的实际工作经验结合g b l l 7 2 7 1 表1 、续表2 的 有关数据总结出了一般钢种强度与硬度之间的换算公式，其中包括强度与布氏硬度的换 算关系、强度与维氏硬度的换算关系以及强度与洛氏硬度的换算关系如下 2 1 强度与布氏硬度的换算公式：c r b = 0 3 3 6 6 - t - 1 i i 而b - 矿2 8 0 l i - m ( 2 4 ) 强度与维氏硬度的换算公式：吼= 0 3 3 0 1 4 - h 而v 丽- 3 矿1 9 ) ( 2 5 ) 1 6 西北大学硕士学位论文 强度与