（材料加工工程专业论文）管线钢高温变形行为和组织控制与细化工艺的研究.pdf

摘要当前，随着国民经济的高速发展，对石油、天然气的需求急剧增加，对管线钢的需求也相应地急剧增加。在激烈的市场竞争下，世界上各油气公司普遍接受采用更高强度级别的管线钢，以便可以采用高压输送油气而降低成本。因此，近年来高压输送和厚壁、高强度的管线已经成为管线建设的一个新的发展趋势。在管线建设的这种新的发展趋势中，针状铁素体管线钢由于具有优良的强韧性能、焊接性能、抗硫化氢开裂性能而具有广阔的应用前景。控制轧制与控制冷却技术在现代钢铁产品生产过程中发挥着重大作用。本文将控制轧制与控制冷却技术应用于微合金管线钢的生产过程中，探讨微合金管线钢热变形过程中组织细化与性能变化的规律，为实际工业生产提供理论基础和工艺依据。主要研究以下内容：1 利用单道次压缩实验，研究x 6 5 管线钢热变形过程中的动态回复及动态再结晶等软化行为，得出不同变形温度、变形速率以及变形量下实验钢的真应力一真应变曲线；同时进行不同热模拟变形条件对材料显微组织结构影响的实验研究。2 根据单道次变形后的真应力一真应变曲线，建立x 6 5 管线钢奥氏体区变形抗力的数学模型；并且利用z h o l l o m e n 参数计算实验钢的奥氏体变形激活能。3 利用多道次热模拟方法，以x 7 0 管线钢为研究对象，在g l e e b l e 一1 5 0 0 热模拟机上分别进行不同变形量、变形速率、终轧温度、终冷温度和冷却速度对x 7 0 管线钢的奥氏体一铁素体相变行为以及显微组织影响的实验研究。4 基于多道次热模拟实验研究结果，利用实验室轧机进行实际控制轧制和控制冷却实验，在热轧实验中对x 6 5 管线钢采用两阶段多道次控轧和适当冷却速度控冷的t m c p 工艺。探讨控轧控冷工艺参数对x 6 5 管线钢显微组织、力学性能的影响规律。从而在不改变现有管线钢化学成分的情况下，仅仅通过优化的t m c p i 艺，实现管线钢的柔性化轧制。关键词：管线钢，控制轧制和控制冷却，针状铁素体，显微组织，力学性能a b s t r a c tt h ed e m a n d sf o rp i p e l i n es t e e l sa r eb e i n gi n c r e a s e dd r a m a t i c a l l yw i t l lt h en a t i o n a le c o n o m yd e v e l o p m e n t d r i v e nb yc o s tc o n s i d e r a t i o n s ，g a s & o i lt r a n s p o r t a t i o nc o m p a n i e sh a v er e a d i l ya d o p t e dh i g h e rs t r e n g t hp i p e l i n es t e e l s 、稍t i lt h i c k e rg a u g e st op e r m i tg a s & o i lt r a n s p o r t a t i o na th i g h e rp r e s s u r e s a sar e s u l t ，r e c e n tc o n s t r u c t i o no fp i p e l i n e sh a ss h o w nat r e n dt o w a r d sh i g h e ro p e r a t i o np r e s s u r ew i t hg r e a t e rw a l lt h i c k n e s sa n dh i g h e rs t r e n g t hp i p e a tt h es a m et i m e ，a c i c u l a rf e r r i t ep i p e l i n es t e e l sa r eb e c o m i n ga c c e p t e da st h ep r e v a l e n c ef o rt h i sn e wc o n s t r u c t i o nb e c a u s eo ft h e i rh i g hs t r e n g t h ，e x c e l l e n tt o u g h n e s s ，g o o dw e l d a b i l i t ya n ds a t i s f i e dh y d r o g e ns u l f i d er e s i s t a n c e t h ec o n t r o l l e dr o l l i n ga n dc o n t r o l l e dc o o l i n gt e c h n o l o g yi sv e r yi m p o r t a n ti nm o d e ms t e e lp r o d u c t s t h i sp a p e r ，a p p l yc o n t r o l l e dr o l l i n ga n dc o n t r o l l e dc o o l i n gt e c h n o l o g yo nt h ep r o d u c t i o no fm i c r o a l l o y e dp i p e l i n es t e e l ，t h ee x p e r i m e n t a la i m sw e r et oc l a r i f yt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec h a n g eo fm i c r o s t r u c t u r e sa n dp r o p e r t i e sa tv a r i o u sd e f o r m a t i o nc o n d i t i o n sa n dt oo f f e rt h e o r e t i c a lf o u n d a t i o na n dt e c h n o l o g i c a lb a s i sf o ri n d u s t r i a lm a n u f a c t u r e t h em a i nc o n t e n t sa r eg i v e na sf o l l o w s ：1 t h ed y n a m i cr e c o v e r ya n dd y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o no fx 6 5d u f f n gh o td e f o r m a t i o nw e r ei n v e s t i g a t e db ys i n g l ep a s sc o m p r e s s i o nt e s t t h ef l o ws t r e s sc u r v e sa n dm i c r o s t r u c t u r eo ft e s ts t e e la td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e ，s t r a i nr a t ea n ds t m i na m o u n tw e r eo b t a i n e d 2 w i t ht h et r u es t r e s s s t r a i nc u r v e sa f t e rs i n g l ep a s sd e f o r m a t i o n ，t h em o d e l so ff l o ws t r e s sd u r i n gh o td e f o r m a t i o nc a nb eb u i l tu p m o r e o v e r , d e f o r m a t i o na c t i v a t i o ne n e r g yo f t e s t e ds t e e lw a sc a l c u l a t e db yz h o l l o m e np a r a m e t e r 3 b ym u l t i p a s st h e r m a ls i m u l a t i o nt e s t ，t h ee f f e c to f t h es t r a i na m o u n t , s t r a i nr a t e ，f i n i s h i n gt e m p e r a t u r e ，f i n a lc o o l i n gt e m p e r a t u r ea n dt h ec o o l i n gm t eo na u s t e n i t e f e r r i t et r a n s f o r m a t i o nb e h a v i o ra n dt h em i c r o s t r u c t u r ew e r es t u d i e do nt h eg l e e b l el5 0 0t h e r m o m e c h a n i c a ls i m u l a t o rf o rp i p e l i n es t e e lx 7 0 4 b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o nr e s u l t so fm u l t i p a s sh o ts i m u l a t i o nd e f o r m a t i o nt e s t ,t h ep r a c t i c a lc o n t r o l l e d - r o l l i n ga n dc o n t r o l l e d - c o o l i n gt e s t sw e r ep e r f o r m e db yu s i n gt h er o l l i n gm i l li nl a b o r a t o r y ，t h ei m p r o v e dt m c ps c h e d u l e sc o n t a i n i n gat w o s t a g em u l t i 一d a s sc o n t r o l l e dr o l l i n gc o u p l e dw i t hm o d e r a t ec o o l i n gr a t e sw e r ea p p l i e dt oh o tr o l l i n ge x d e r i m e n t s a n dt h ee f f e c t so ft e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r so fc o n t r o l l e dr o l l i n ga n dc o n t r o l l e dc o o l i n go nt h em i c r o s t r u c t u r e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fp i p e l i n es t e e lw e r ei n v e s t i g a t e dt oo b t a i nf l e x i b l er o l l i n go fp i p e l i n eo n l yb yo p t i m i z e dt m c p ，w i t h o u tc h a n g i n gt h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o n so f e x i s t i n gp i p e l i n es t e e l s k e y w o r d s ：p i p e l i n es t e e l ，c o n t r o l l e dr o l l i n ga n dc o n t r o l l e dc o o l i n g ，a c i c u l a rf e r r i t e ，m i e 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 yl i i鞍山科技大学硕士论文第1 章绪论1 1 引言第1 章绪论油气资源是重要的能源矿产和战略性资源，与国民经济、社会发展和国家安全息息相关。我国己把油气资源和粮食、水资源一同列为影响经济社会可持续发展的三大战略资源。2 0 世纪8 0 年代以来，中国经济发展迅速，国民经济平均增长速度超过7 。经济的快速发展一方面促进了中国石油工业的发展，另一方面也给中国油气资源的开发利用带来了巨大的压力。特别是2 0 世纪9 0 年代以来，国内油气资源的开发利用越来越不能满足经济发展的需要，对进口原油的依存度越来越高，从而危及国家经济安全。我国油气资源供给不能满足国民经济及社会发展的需要，己成为制约国民经济发展的主要因素之一。“八五”期间我国国民经济平均年增长1 1 - 3 3 ，要求油气产品平均增长5 4 1 ，而事实上只增长了1 5 ，供需缺口非常大。未来1 5 年内，国民经济将持续高速发展，油气能源的需求也将大幅度增长。据有关学者预测1 2 】，到2 0 1 0 年，我国原油缺口每年达7 0 0 0 1 0 4 t ，天然气每年缺口达4 0 0 1 0 8 m 3 - 5 0 0 x1 0 8 m 3 。石油工业为适应国民经济发展的需要，制定了石油工业发展的战略口】，其发展重点：一是加强国内石油勘探，增加后备储量，实现东部稳产、西部和海域有较大发展的目标；二是加快天然气基础设施建设，改善能源结构；三是坚持利用国内外两种资源的战略方针，积极拓展海外油气勘探开发业务；四是加快建设战略储备库，保障国家石油供给安全。在石油天然气的运输中，管道输送因其具有经济性、安全性和连续性等优点而得到各发达国家的广泛重视 4 1 ，管线钢的研究和生产成为低合金高强度钢和微合金钢领域内最富有活力的一个重要分支【5 l 。为提高管道输送效率、降低能耗、减少投资和运营费用，长距离输送管线向高压、大口径发展已成趋势，这样采用高强度管线钢将更经济。同时，从管线安全性和焊接旌工等方面考虑，对管线用钢的强度、韧性、焊接性和抗腐蚀性等性能不断提出了更高、更严格的要求【”1 。冶金技术的进步和微合金化管线钢的发展，使生产具有高强度、高韧性、良好焊接性及抗腐蚀性的管线钢成为现实，促进了现代管线建设的发展。目前发达国家己广泛使用x 7 0 级别管线钢【8 】，x 8 0 级别管线钢也开始在一些管线中投入试用。与此同时，国外一些厂家也加强了x 1 0 0 和x 1 2 0 钢级的开发和储备工作 9 1 。我国管线鞍山科技大学硕士论文第1 苹绪论钢的应用和生产起步较晚，从2 0 世纪5 0 年代到7 0 年代，主要采取鞍钢等厂家生产的a 3 、1 6 m n ，到2 0 世纪7 0 年代以后和8 0 年代，则采用日本t s 5 2 k ( x 5 2 ) ，到2 0 世纪9 0 年代管线钢国产化开始起步，上海宝钢、武钢等开始生产x 5 2 - x 6 5级管线板卷。直到2 l 世纪初“西气东输”工程启动，宝钢、武钢、鞍钢、攀钢等企业成批量生产出x 7 0 级热轧板卷，舞钢生产出x 7 0 级宽厚钢板。我国2 0 0 3 年开始开发x 8 0 级管线钢，管线钢及管线管国产化水平正在接近或达到国际先进水平【。据悉【1 l 】，2 0 0 5 年投产的宝钢股份宽厚板工程，将为我国开发生产x 1 0 0 x 1 2 0等更高钢级的管线钢提供支撑。1 2 管线钢的研究与发展趋势1 2 1 管线钢的性能要求国际标准对管线钢的主要性能有明确的规定。管线钢目前在国际上公认的标准为a p i 5l ( 1 2 1 ( 美国石油协会关于输送管线用钢的标准) 。绝大多数工程和供需双方的协议都以。a p i 一5 i 为基础；从廿i 标准的主要发展可亍解管线用钢要求的变化。除了a p i 一5 l 标准外，与之相对应的标准有国际标准化组织i s 0 3 1 8 3 ，德国标准d i n l 7 1 7 2 ，加拿大标准c a n 3 z 2 4 5 。在我国有国家标准g b 9 7 1 1 f 1 3 l 。各管线钢生产厂根据其特点，一般都按严于上面标准的企业内控标准来组织生产和进行质量控制。根据目前最新的a p i 一5 l 标准，11 个钢级管线钢性能要求概况如下：( 1 ) 强度要求对管线钢的强度要求见表1 1 。表1 1 管线钢的强度要求( m p a )t a b l e1 1i n t e n s i t yr e q u i r e m e n t o f p i p e l i n es t e e l ( m p a )注：对x 8 0 还规定了最大的ob 值为8 2 7 m p a 。其中屈服强度为伸长o 5 时的拉应力，对于冷扩径钢管，o ；，ob 0 9 3 。( 2 ) 延伸率要求在试样标距长度为5 0 8 m m 时的最小延伸率按下式计算：鞍山科技大学硕士论文第1 章绪论艿：1 9 4 2 5 7 a 0 2 s 0 9式中：a 一试样公称横断面积( m m ) 2 ：s 一规定的抗拉强度最小值( m p a ) 。( 3 ) 抗脆断韧性要求实验温度、c h a r p y v 型缺口冲击功值由购方确定。a 冲击功：如对x 8 0 ，在0 c 时，所有炉的平均值：横向值5 0 j ，纵向值， 6 8 j 。b 剪切面积：试样应沿圆周方向与焊缝呈9 0 度处切取。如对x 8 0 ，在0 时，所有炉的剪切面积的平均值 7 0 。由于管线所经过地区的地理和气候情况、管线输送介质种类及性质、制管厂的生产管理和管道施工情况等等，除了a p i 5 l 标准的要求外，用户往往还提出更高的要求，特别是对高等级的管线钢更是如此。随着冶金技术的发展和制管线技术的发展，在a p i 一5 l 标准之外的附加要求也越来越多，可归纳为如下几个主要方面1 1 4 】：( 1 ) 带钢尺寸在带钢尺寸方面，要求具有较高的尺寸精度，容许使用负偏差轧制，以提高用户的成材率，从而提高用户的经济效益。( 2 ) 性能波动除了要达到要求的性能外，希望整批供货的性能波动尽可能地小，对同一带钢上的性能波动要求更为严格。对高钢级厚规格的管线钢，特别要求带钢头尾的性能波动不大。如带钢头尾强度偏高时，带钢头部在制管时成型困难，容易接近制管设备的极限能力。( 3 ) 高的冲击韧性由于近年来冶金技术水平的提高，特别是在钢的韧性方面提高较大。目前，在韧性方面，实物质量水平比a p i 5 l 标准要严得多。要求在很低的温度下，钢的韧性仍然很高。这就必须严格控制钢中有害元素的含量和形态，特别是硫的含量和硫化物的形态。高的韧性对管线在服役中减少外界及自然条件的变化造成的管线事故是十分重要的。因此，往往要求对一定批量的产品，要提供在多个实验温度下的夏比冲击实验和落锤撕裂的转变曲线和表格数据。( 4 ) 良好的可焊性鞍山科技大学硕士论文第1 覃绪论这主要是要求有较低的碳当量。这对提高制管过程中的焊接效率，减少制管中出现的焊接质量缺陷，以及管线现场施工都有十分重要的意义。( 5 ) 塑性近年来，随着冶金技术进步，管线钢的韧脆转变温度( f a t t ) 大幅度下降，脆性断裂事故逐渐减少。但是，油气输送管线增大管径、提高输送压力的发展趋势又引发孑一系列塑性断裂事故。这是因为，钢板在焊接前要进行冷弯成型，只有具备足够的塑性，冷弯成型过程中钢板才不致开裂，或者在焊接过程中不致产生层状撕裂。提高塑性的关键是减少钢中非金属夹杂物，冶炼过程中控制夹杂物的形态和分布，或较为有效的添加钙或稀土元素。( 6 ) 耐腐蚀性管道输送工程设计对进入管道的油气质量有严格要求，定要进行净化处理。国外对于输送低p h 值的湿的含硫油气一般采用降低钢的含硫量、控制硫化物的形态，改变沿壁厚方向韧性的措施。这是由于输送含硫油气时，管道内壁接触硫化氢和二氧化碳，从而导致氢致开裂和应力腐蚀开裂。输送天然气尤其是含腐蚀介质天然气管线比原油管线运行风险犬_ 问题多储虑脆侄断裂了蕊化氢或二氧化碳引起的阳极腐蚀( 点蚀) ，应力腐蚀( s c c ) ，硫化氢应力腐蚀断裂( s s c ) ，氢诱发裂纹饵i c ) ，塑性断裂( d d f ) 等方面引起的失效。特别是近年来关注的s c c ，往往是由于氢在s c c 裂纹尖端产生、聚集，在氢和应力的相互作用下，增加了阳极溶解激活能【”】，促进了应力腐蚀开裂。超高韧性针状铁素体管线钢，因其良好的韧性、止裂性能、焊接性能及无包辛格效应，可以很好的解决管道失效，且非常有利于焊管和现场施工。总体上来看，用户对管线钢的要求远远高于标准，而这些高的要求也不断的推进冶金和轧制水平的提高。特别是在钢铁市场供大于求的情况下，这种推动力也特别的大。当然，这也在一定的程度上增加了冶金企业的生产成本。从管线的发展、管线工作条件、主要失效形式和失效原因，对管线钢的主要要求：强度、韧性、可焊性和耐腐蚀性。其中韧性深受人们的重视，对韧性的研究和提高的进展也最大i l “”。1 2 2 管线钢的发展趋势石油天然气管线的发展经历了一个漫长的里程，自1 8 0 6 年英国伦敦安装的第一条铅制管道n 2 0 0 0 年玻璃纤维钢复合管用于高压天然气管线，已经历了约2 0 0鞍山科技大学硕士论文第1 章绪论年的历史，其中微合金高强度管线钢于1 9 5 9 年在美国g r e a tl a k e 管道系统中首次获得应用，当时的高强度是指x 5 2 级。之后管线钢的发展水平一直伴随微合金钢的发展而得到不断的提高，图1 1 示出了高强度管线钢的发展历程。目前，几乎所有的北美天然气( 非酸性) 管道都至少使用x 7 0 强度级管线钢材料，有些著名石油公司已把x s 0 级作为天然气管道的首选钢级。未来的天然气管道建设将有可能超过x 1 0 0 强度级，直接使用x 1 2 0 强度级或更高级【l ”。实际上x 7 0 级别针状铁素体管线钢是目前世界各国进行天然气管线建设的首选级别和品种 1 9 】。但是，随着技术的发展和生产成本的降低，x 8 0 及以上钢级在工程上将得到大量使用。所以，目前对x 8 0 及以上钢级的相应研究工作的深度和广度在加强。例如，加拿大i p s c o 钢铁公司在1 9 9 8 年年报中明确指出，该公司已成功地进行了x 9 0 和x 1 0 0 钢级管线钢的试生产，目标是生产各种规格x 1 0 0 钢级的钢管。日本n k k ，住友金属等公司及欧洲钢管公司也相应研制成功x 9 0 和x 1 0 0 钢级钢管，正在研$ 【j x l 2 0 钢级管线钢 2 0 2 3 。+ 磊_燃震基哩罡=越疆警匣年代图1 1 高强度管线钢的发展历程f i g 1 1d e v e l o p m e n t h i s t o r y o f h i g hs t r e n g t hp i p e l i n es t e e l1 2 3 管线钢的组织结构随着冶金设计、冶炼水平和轧制工艺的发展，具有不同的特性、适用于多种条件的管线钢已经生产。目前，按照组织形态归类，管线钢具有以下三种典型的类型：( 1 ) 铁素体一珠光体钢或少珠光体钢铁素体一珠光体管线钢( f e r r i t e p e a r l i t es t e e l ，简写为f ps t e e l ) ，这是2 0 世 y 6 0鞍山科技大学颈士论文第l 章绪论年代以前管线钢所具有的基本组织形态，其基本成分是c m n ，x 5 2 和低于该强度级别的管线钢均属于铁素体一珠光体钢。铁素体一珠光体钢含碳量0 1 0 o 2 5 ，含m n 量1 3 0 - 1 7 0 ，一般采用热轧和正火热处理。2 0 世纪初，人们开始认识在c m n 系的基础上加入微量n b 、v 、t i 等微合金元素，并利用控制轧制技术，通过微合金元素的碳( 氮) 化合物析出强化提高材料的强度，同时降低c 含量，提高韧性和焊接性能，进而开发出了少珠光体钢。少珠光体管线钢的典型化学成分有m n - n b 、m n v 、m n - n b v 等。一般含碳量小于0 ，1 0 ，n b 、v 、t i 的总含量小于0 1 0 ，代表钢种是2 0 世纪6 0 年代末的x 5 6 、x 6 0 和x 6 5 。这类钢突破了传统铁素体一珠光体钢热轧正火的生产工艺，进入了微合金化钢控轧的生产阶段。特别是近年来掌握了n b 、v 、y i 等碳化物在高温变形过程中的沉淀动力学与基体再结晶之间的关系后，少珠光体管线钢的强韧水平取得了许多新的进展。然而，一般认为，在保证高韧性和良好焊接条件下，少珠光体钢强度的极限水平为5 0 0 5 5 0 m p a 。为进一步提高管线钢的强韧性，研究开发了针状铁素体钢。c 2 ) 一针状铁素体钢和超低砖跌氏体钢针状铁素体管线钢( a c i c u l a rf e r r i t ep i p e l i n es t e e l ，简写为a fs t e e l ) 于2 0 世纪7 0年代初投入实际工业生产，典型成分为c m n m o - n b ，通常碳含量小于0 0 6 。针状铁素体是在冷却过程中，在稍高于上贝氏体温度范围，通过切变相变形成的具有高密度位错的非等轴贝氏体铁素体。针状铁素体钢通过微合金化、控制轧制和控制冷却，综合利用晶粒细化、微合金化元素的析出相与位错亚结构的强化效应，可使钢的屈服强度达到6 5 0 m p a ，一6 09 c 的冲击韧性达8 0j 2 “。为了适应开发北极和近海能源的需要，在针状铁素体研究的基础上，超低碳贝氏体( u l t r a l o wc a r b o nb a i n i t es t e e l ，简写为u l c bs t e e l ) 管线钢应运而生。超低碳贝氏体钢在成分设计上选择了c 、m n 、n b 、m o 、b 、t i 的最佳配合，碳含量一般为0 0 3 左右，从而在较大冷却速度范围内都能形成完全的贝氏体组织。在保证优良的低温韧性和焊接性的前提下，通过适当提高合金元素含量和进一步完善控轧与控冷工艺，超低碳控轧贝氏体钢的屈服强度可提高至7 0 8 0 0 m p a ，因而超低碳贝氏体钢被誉为2 1 世纪的控轧钢1 2 ”。但由于含硼的超低碳贝氏体管线钢中的硼元素在焊接过程中难以控制，使其未能在管线钢中得到广泛应用。( 3 ) 低碳索氏体钢未来管线钢将向更高的强韧化方向发展，这样通过普通的控轧控冷工艺很难实现。如果控制轧制满足不了这种要求，可以采用淬火十回火的热处理工艺形成的垒坚茎丝至丝圣；一；：至! 茎兰竺低碳索氏体组织来获得。低碳索氏体钢可以满足厚壁、高强度和足够的韧性综合要求。1 3 管线钢的轧制热机械控制加工( t h e r m om e c h a n i c a lc o n t r o l l i n gp r o c e s s i n g ，简称t m c p ) 在国内也称为控轧控冷，是一种广泛应用于改善h s l a 钢组织性能的热加工工艺，控制轧制和控制冷却代表了高强度低合金钢的发展方向1 2 6 1 。管线钢属于h s l a 钢范畴，因此也广泛采用t m c p i 艺生产。具体地讲，t m c p i 艺就是一种定量地、预定程序地控制热轧过程中的变形温度、变形量( 压下量) 、变形道次、变形间歇停留时间、终轧温度以及终轧后冷却速度、终冷温度等工艺参数的加工工艺，即t m c p工艺包括控制轧制工艺和轧后的控制冷却工艺。t m c p i 艺与常规轧制工艺的主要差别在于，t m c p s e 艺不仅通过热加工使钢材达到规定的形状和尺寸，而且通过形变控制和相变控制的综合作用使钢的晶粒尺寸得到显著细化、组织结构得到控制，从而使钢材具有优良的综合性能【27 1 。通过降低终轧温度的方法来改善钢的力学性能，早在2 0 世纪3 0 年代已为人们注意。1 9 2 5 年h - h a n e m a n n n l f l u k e 发现【2 8 】，通过降低最终热加工的变形温度可使。晶粒细化，从而提高轧制产品的力学性能。然而，由于低温轧制的较大的轧制负荷使一般轧机难以承受，因而这项技术在很长时间并未在工业上得到实际应用。2 0 世纪5 0 年代，采用控制轧制生产出3 5 2 m p a 级别的c m n 钢，是世界上首次采用形变热处理( t h e r m o m e c h a n i c a lt r e a t m e n t ) s e 艺进行的商业性生产。直至2 0 世纪6 0 年代，人们认识到n b 对奥氏体再结晶的强烈阻止作用，可使钢在相对高的温度下控轧，这项技术才开始得到广泛的注意和应用。2 0 世纪6 0 年代中期英国的研究人员对控制轧制开始进行了系统的研究，之后日本和法国的科研人员也相继进行了深入的探索和开发。他们的研究成果为开发现有的控轧状态的低碳、低合金、沉淀强化以及具有高韧性和高强度的钢种提供了基础。输油、气管线钢是控轧控冷技术应用最早和最广泛的领域【2 。1 9 6 3 年开发的屈服强度为3 5 2 m p a 的x 5 2 级别含n b 半镇静钢；2 0 世纪7 0 年代相继开发出寒冷地带输油、气管线用x 6 0 、x 6 5 、x 7 0 等热轧卷板；2 0 世纪8 0 年代采用控轧加速冷却工艺相继生产出x 8 0 和x 1 0 0 级别高强度管线钢。我国武钢热轧厂1 7 0 0 m m 热连轧机采用控轧控冷工艺，在国内也首次研制出7 - 1 2 m m 厚的x 6 0 和x 6 5 含n b 微合金卷板。据统计，管线钢占控轧钢总量的2 3 以上。鞍山科技大学硕士论文第l 章绪论1 3 1 控制轧制控制轧制是一项人为地使奥氏体中尽可能大量地形成铁素体相变核的晶格异质( h e t e r o g e n e i t y ) ，并有效地将铁索体晶粒细化的技术，控制轧制技术的要点可具体归纳如下【3 0 】：( 1 ) 尽可能降低加热温度，即将开始轧制前的奥氏体晶粒微细化。( 2 ) 使中间温度区( 例如9 0 0 。c 以上) 的轧制道次程序最佳化，通过反复再结晶使奥氏体晶粒细化。( 3 ) 加大奥氏体未再结晶区的累积压下量，增加奥氏体每单位体积的晶粒界面积和变形带面积。通常将控制轧制工艺分为三个阶段，如图1 2 所示【3 l 】：k 。二透鹱垒形带再鐾最。疆i矗度晶 e 一。( 4 ，1 1 4 5 ) = 3 3 3 ，证明此金属塑性变形抗力回归方程高度显著。同时由复相关系数r = 0 9 6 7 2 ，进一步证明回归方程具有较好的曲线拟合特性。3 3 3 回归结果的精度分析由回归理论知，剩余标准偏差为：驴志= 鬻= 0 0 6 7 6 2 m h式中：9 一残差平方和；一实验数据组数；m 一待定回归系数个数。以水平a = o 0 5 ，通过参考资料可知，对于较大的n ，e h t 俐的渐进性质，可得f 。( ) z “。，查表得出u 0 0 ，= - 1 6 4 5 ，那么，t o 0 5 ( 1 1 4 6 ) s 。= 0 1 1 1 2 3 8 m p a ，回归方程的预报精度为：o o 1 1 1 2 3 8 m p a 。即变形抗力有9 5 的可能性落在。一o1 】1 2 3 8 m p a o 一b ) o l = 0 3 = 5 、0 2 = 0 4 = 5 ；( c 卜( d ) e l = e3 = 1 5 、e 2 = e4 = 1 8 f i g 4 3t h et e mp i c t u r eo f d i f f e r e n ts t r a i na m o u n t针状铁素体是在连续冷却过程中，在稍高于上贝氏体温度范围，由扩散控制的切变相变形成。m a 岛的形成与针状铁素体形成的相变过程有关，这一相变过程通常与共格或半共格的奥氏体铁素体界面的迁移和碳的分区联系在一起【5 ”。当在未再结晶区变形时，奥氏体中形成亚结构，晶界储存能增加，一方面能够提高针状铁素体的形核率；另一方面阻碍了针状铁素体的共格或半共格奥氏体铁素体界面的长大，并且同时加速了向奥氏体铁素体界面的扩散，这最终导致在铁素体晶界上形成富碳奥氏体。在变形结束后的加速冷却过程中，当温度降低到马氏体转变点( m s ) 点时，这些富碳奥氏体开始相变形成马氏体，这些生成的马氏体与残余奥氏体共存，即形成m a 岛。在针状铁素体的形成过程中，总伴随着m a 岛的形成，这是针状铁素体的一个基本特征。4 3 2 变形速率对x 7 0 相变过程和显微组织的影响图4 4 ( a 卜( d ) 给出了x 7 0 管线钢在相同变形量和变形温度、不同变形速率条件下变形后得到的显微组织。通过观察显微组织可以发现，各种变形条件下的显微组织主要由多边形铁素体+ 针状铁素体+ 粒状贝氏体组成。对于同样的变形条件，随着变形速率的提高，晶粒明显变细，多边形铁素体减少，而针状铁素体明显增多，组织也变得越来越均匀。图4 4 不同变形速率条件下x 7 0 管线钢的显微组织( e l = e 3 = 1 0 、e 2 = e 4 - 1 1 ，e = 5 5 0 c ，t r = 8 2 0 c ，k = 1 0 c s )( a ) 量= 0 1 s ；( b ) o b = i s 一；( c ) 毒= 5 s ；( d ) 舌= 1 0 s 。1f i g4 4m i c r o s t r u c t u r eo f x 7 0u n d e rd i f f e r e n ts t r a i nr a t e由图4 4 可以看出，在较低的变形速率下( 0 1 s 4 ) ，很多铁素体晶粒是沿着原始奥氏体晶界形核和生长的，铁素体晶粒比较粗大( 见图4 4 中( a ) ) 。这是因为：变形速率低时，为获得给定变形量所需的变形时间延长，碳化物全部或部分溶解，因此对奥氏体长大的阻碍作用消失或减弱，奥氏体晶粒迅速长大，同时奥氏体晶内的缺陷数量也由于回复过程而大量减少，冷却过程中铁素体在奥氏体晶界和晶内塑些翌垫查堂塑主笙墨堡兰主壅丝三茎墨塾型苎! 竺塑壅塾堡垦呈垡翌堡箜墅翌缺陷上的形核数量大量减少。随着变形速率的增加，为获得给定变形量所需的变形时间缩短，晶粒长大的时间减少，同时碳化物来不及溶解，对奥氏体晶粒长大的阻碍作用使得奥氏体晶粒较小，另外变形奥氏体晶内位错、变形带等缺陷数量增加，冷却过程中铁素体晶粒的形核率增加，因而变形后的铁素体呈细小组织形貌。当变形速率为l o s 。时，显微组织以针状铁素体为主，见图4 4 中( d ) 。4 3 3 终轧温度对x 7 0 相变过程和显微组织的影响图4 5 为在不同终轧温度条件下得到的金相组织照片。从图中可以看出，随着终轧温度的降低，显微组织变得越来越均匀，铁素体晶粒得到明显的细化。图4 5 不同终轧温度条件下x 7 0 管线钢的显微组织( e l = e3 = 1 5 、e 2 = e4 = 1 8 ，舌l = 舌2 = l o s - 1 ，舌3 = 舌4 = 1 5 s ，t = 5 0 0 c ，屹= 5 c s )( a ) 8 8 0 ( 2 ；( b ) 8 6 0 c ；( c ) 8 4 0 1 2 ：( d ) 8 2 0 cf i g 4 5m i c r o s t r u c t u r eo f x 7 0u n d e rd i f f e r e n tf i n i s h i n gt e m p e r a t u r e通过参考x 7 0 级管线钢的再结晶区域图5 8 1 发现，8 8 0 。c 和8 6 0 。c 终轧时处于奥氏体部分再结晶区终轧，在部分再结晶区轧制时，再结晶的晶粒细小，在其晶界鞍山科技大学硕士论文第4 章变形1 - - 艺参数对x 7 0 相变过程及显设组织的影响上析出的铁素体细小，而未再结晶的晶粒受到变形被拉长，晶粒没有细化，因此铁素体成核位置可能减少，容易形成粗大的铁素体晶粒和针状组织，所以部分再结晶生成的铁素体是不均匀的，这从图4 5 啊a ) 和( b ) 的显微组织中可以看到。从图4 5 ( a ) 的显微组织中可以看出，铁素体呈不规则块状，边界参差不齐，在晶界处有很多细小的再结晶晶粒，同时还有少量的弥散析出相。8 4 0 和8 2 0 终轧时处于未再结晶区终轧，在奥氏体未再结晶区变形时，奥氏体经变形后变得扁平，晶粒中形成变形带、位错及孪晶，此变形带可起到铁素体晶核生成的晶界面作用，铁素体在变形带和奥氏体晶界上形核，同时随着终轧温度降低，有效奥氏体晶界面积( 包括晶界面积和变形带) 和单位有效奥氏体晶界面积的形核数量都显著增加。另外，降低终轧温度，可促进铌、钛的碳氮化物在奥氏体内析出，阻止奥氏体晶粒长大，综合以上因素的影响，从而使相变后铁素体晶粒得到细化。从图4 5 中可以很明显的观察到，( c ) 和( d ) 的显微组织要比( a ) 和( b ) 的显微组织更为均匀，晶粒更为细小。图4 5 f d ) 的显微组织为多边形铁素体+ 针状铁素体+ 粒状贝氏体+ 铁素体基体上弥散分布的析出相，在晶界处还有许多细小的等轴晶粒存在。4 3 4 终冷温度对x 7 0 相变过程和显微组织的影响图4 6 中( a ) 一e ) 给出了x 7 0 管线钢在不同终冷温度条件下得到的显微组织。通过观察显微组织可以发现，终冷温度不能太低，当终冷温度为4 5 0 和5 0 0 时，相变后得到的组织是多边形铁素体+ 贝氏体( 见图4 6 中的( a ) 和( b ) ) ，多边形铁素体体积分数较大，我们知道贝氏体对钢的韧性极为不利。当终冷温度为6 0 0 时，显微组织为针状铁素体+ 粒状贝氏体+ 少量多边形铁素体，针状铁素体百分含量最大( 见图4 6 中的( c ) ) 。已有的管线钢研究表明，针状铁素体组织( 通常是指以针状铁素体为主的针状铁素体+ 少量多边形铁素体的混合组织) 具有优良的力学性能，是管线钢追求的理想组织，另外这种贝氏体的m a 岛非常细小，呈不连续分布，而且贝氏体铁索体的内部还分布着一些更加细小的m a 岛。这些细小、不连续分布的m a 岛不易激发裂纹，也不易提供连续的裂纹扩展通道。由于钢中的c含量比较低，这种在大量的铁素体中分布着少量的硬质相贝氏体，在提高基体强度的同时并不恶化钢板的韧性【5 9 1 。当终冷温度提高，如6 5 0 及7 0 0 终冷时，显微组织主要由较多的多边形铁素体和少量的不规则块状铁素体构成，铁素体晶粒尺寸较大，针状铁素体较少，在晶粒边界和内部还有小的再结晶晶粒( 见图4 6 中的( d ) 和( e ) ) ，块状铁素体是先共析铁素体的相变产物，通过块状转变而得到。含碳鞍山科技大学硕士论文第4 章变形工艺参数对x 7 0 相变过程及显镘组织的影响量很低的碳钢在快速冷却时有可能满足这个条件，以块状转变方式实现先共析转变。综合考虑到既能满足细晶强化，又能提高钢的组织和性能的稳定性，最佳的终冷温度应为6 0 0 。图4 6 不同终冷温度条件下x 7 0 管线钢的显微组织( e l = e 3 = 1 5 、e 2 = e 4 = 1 8 ，亡l = 舌2 2 l o s ，言3 = 舌4 = 1 5 s 一，弓= 8 2 0 c ，v c = 1 0 c s )( a ) 4 5 0 c ；( b ) 5 0 0 c ；( c ) 6 0 0 c ；( d ) 6 5 0 c ：( e ) 7 0 0 ( 2f i g 4 6m i c r o s t r u c t u r eo f x 7 0u n d e rd i f f e r e n tf i n a lc o o l i n gt e m p e r a t u r e4 3 5 冷却速度对x 7 0 相变过程和显微组织的影响图4 7 不同冷却速度条件下x 7 0 管线钢的显微组织( e l = e 3 = 1 5 、e 2 = e 4 = 1 8 ，叠l _ 毒2 = l o s 一，舌3 = 舌4 = 1 5 s ，0 = 8 2 0 c ，t = 5 0 0 c )( a ) l c s ；( b ) 2 5 c s ；( c ) 5 c s ：( d ) l o c s ；( e ) 2 0 c sf i g 4 7m i c r o s t r u c t u r eo f x 7 0u n d e rd i f f e r e n tc o o l i n gr a t e图4 7 ( a ) ( e ) 给出了x 7 0 管线钢在不同冷却速度条件下得到的显微组织。通过观察显微组织可以清晰地发现，对于同样的变形条件，随着冷却速度的提高，鞍山科技大学硕士论文第4 章变形工艺参数对x 7 0 相变过程及显设组织的影响晶粒明显变细，组织分布也越来越均匀，针状铁素体百分含量明显增加。由图4 7 可以看出，当冷却速度为1 s 和2 5 s 时，显微组织由多边形铁素体和少量的珠光体组成，且晶粒比较粗大，在粗大的铁素体晶粒内部可以看到有弥散分布的析出相( 见图4 7 中( a ) 和( b ) ) ，这是因为：终轧温度处于奥氏体的未再结晶区，变形使奥氏体的晶界面积、形变带等缺陷数量得到极大增加。当变形后冷却速度缓慢时，变形奥氏体在两相区的停留时间较长，使得先共析铁素体有充分的时间在变形奥氏体的缺陷处形核并长大，因而所获得的最终铁素体晶粒比较粗大。当冷却速度为5 ，s 时，晶粒明显变小，在晶界处有一些比较细小的等轴铁素体，组织也较为均匀( 见图4 7 中( c ) ) 。当冷却速度达到1 0 s 时，获得的显微组织为多边形铁素体+ 针状铁素体十粒状贝氏体( 见图4 7 中( d ) ) ，随着冷却速度的进一步加大，多边形铁素体数量减少，针状铁素体越来越细化，并且百分含量增加。当冷却速度为2 0 s 时，显微组织由多边形铁素体+ 细针状铁素体+ 粒状贝氏体组成，其中针状铁素体体积分数较大，在晶界和晶粒内还有许多细小的再结晶晶粒( 见图4 7 中( e ) ) 。获得高强度、高韧性的针状铁素体组织正是我们追求的t l标。因此在适当范围内，采用较大的冷却速度，可以使材料的综合力学性能得以提高。上述的分析同样表明：冷却速度增加，使奥氏体向铁素体转变的温度降低，过冷度增加，形核驱动力增加，从而增加了相变时铁素体的形核率，细化了铁素体组织。另一方面，随变形后冷却速度的增加，在两相区由于先共析铁素体形成而产生的富碳奥氏体在随后的冷却过程中来不及转变为珠光体而被保留到贝氏体转变区域，转变为粒状贝氏体。粒状贝氏体的数量随冷却速度的提高而略有减少。而且，变形后冷却速度不同，冷却过程中发生的相变过程不同，这也导致了室温组织和性能的不同。因此，我们可以通过控制变形后的冷却速度来控制室温下显微组织的形态，获得所需要的组织和性能。4 4 分析与讨论4 4 1 变形对奥氏体一铁索体相变和组织细化