（材料加工工程专业论文）高钢级x100管线钢的研究与开发.pdf

一j ! ：? ：! 二 at h e s i si nm a t e r i a l sp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fh i g hg r a d ex 1 0 0p i p e l i n e s t e e l b y l a n l i a n g y u n s u p e r v i s o r ： a s s o c i a t ep r o f e s s o rq i uc h u n li n n o r t h e a s t e mu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 _，p_ 卜 一 口 - j 1 0 土 卜 n ，l 玖 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 ：正 思。 学位论文作者签名： 髟凌厶 e l 期：矽7 7 ，6 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即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 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名： 彩磊易 导师签名： 签字日期：劲吵，7 1 ； 签字日期： 钆 l k j 么 东北大学硕士学位论文 摘要 a -i m im - - w 盲 ii i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 高钢级x l0 0 管线钢的研究与开发 摘要 管线是输送油、气最为经济而有效的工具，应用广泛。随着油、气的输送效率，管 线输送压力的不断提高，对管线钢性能的要求也越来越高。目前x 1 0 0 、x 1 2 0 级别的管 线钢已经纳入a p i 5 l 2 0 0 7 和i s 0 3 1 8 3 2 0 0 7 标准。x 1 0 0 和x 1 2 0 级别管线钢具有高强 韧性、良好的现场焊接性能、同时因其具有抗h i c 、抗s c c 、抗大变形、降低工程造价 等优点，已成为各大钢铁公司竞相开发的高附加值产品之一。本文从x 1 0 0 的成分设计 到实验试轧工艺进行较为系统的研究。 分别按t m c p 工艺和h t p 工艺进行了成分设计并进行实验研究，两种成分钢分别 简称为t m c p 钢和h t p 钢。论文主要研究结果如下： ( 1 ) 单道次压缩研究结果表明，真应力应变曲线仅在低应变速率或高变形温度下 才呈动态再结晶型。通过双道次压缩实验确定出t m c p 钢静态再结晶终止温度( t 1 1 r ) 为9 5 0 ，h t p 钢的t n r 约为1 0 0 0 。t m c p 钢和h t p 钢的动态再结晶激活能分别为 3 6 7 10 7 k j m o l 和3 3 6 2 7 8 k j m o l 。 ( 2 ) 连续冷却相变研究发现，未变形条件下，冷却速度为0 5 s 时显微组织为粒 状贝氏体( g b ) + 少量多边形铁素体( p f ) ，当冷却速度增至50 c s 时均可获得全贝氏体 铁素体( b f ) 组织。随着变形量的增加，c c t 曲线左上方移，低冷却速度下即出现较多的 多边形铁素体( p f ) ，高冷却速度下贝氏体铁素体( b f ) 转变区缩小，而针状铁素体( a f ) 和 粒状贝氏体( g b ) 转变区扩大。 ( 3 ) 参照现场的工艺参数，模拟了x 1 0 0 的显微组织变化并进行e b s d 分析，结果 显示：模拟后x 1 0 0 显微组织晶畴致密，t m c p 钢的显微组织平均晶粒尺寸在3 5 4 8 岬 之间，有效晶粒尺寸在4 1 5 9 1 , t m 之间，大角度晶界所占比例为7 9 8 5 之间，为生产 高级别管线钢提供了依据。 ( 4 ) 采用两阶段轧制和加速冷却，精轧终轧温度为8 0 0 8 4 0 ，终冷温度为 4 0 0 5 0 0 ，冷却速度为2 0 3 0 s 时，可获得满足x 1 0 0 性能要求的热轧钢板。 r 。 气0 。 j关键字：x 1 0 0 管线钢；针状铁素体；t m c p 工艺；h t p 工艺；连续冷却相变 ，v 乞 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f h i g h g r a d exl0 0 p i p e l i n es t e e l a b s t r a c t i ti sp r o v e dt h a tp i p e l i n ei st h eb e s te c o n o m i ca n de f f e c t i v et o o l ，w h i c hi sw i d e l yu s e di n t r a n s p o r t i n go i la n dg a s w i t ht h ec o n t i n u a l l yi n c r e a s i n go ft h ed e l i v e r yp r e s s u r ei no r d e rt o i m p r o v i n ge c o n o m i cb e n e f i t so ft r a n s p o r t a t i o ne f f i c i e n c y , t h ep r o p e r t i e so fp i p e l i n es t e e lm u s t b eu p g r a d e dt om e e tt h e s er e q u i r e m e n t s r e c e n t l yt h eg r a d eo fp i p e l i n es t e e lh a sr i s e nf r o m x 8 0t ox 1 0 0a n dx 1 2 0a c c o r d i n gt oa p i 一5 lo ri s o 一3 1 8 3s t a n d a r d b e c a u s eh i g hg r a d e p i p e l i n es t e e lh a st h e s ep r o p e r t i e so fh 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 dg i r t hf i e l dw i e l d a n dr e s i s t a n th i c ，s c ca n dh i i g hs t r a i n ，i ti so n eo ft h eh i g hp r i c ep r o d u c t i o n si ne v e r ys t e e l c o m p a n yw h i c hc o m p e t i t i v e l ym a n u f a c t u r e i nt h et h e s i si th a sb e e ns y s t e m a t i c a l l yr e s e a r c h e d f o rh i g hg r a d ex10 0p i p e l i n es t e e lf r o mc o m p o s i t i o nd e s i g nt or o l l i n gp r o c e s s ，w h i c hc a l l p r o v i d ear e f e r e n c ef o rd o m e s t i cp r o d u c t i o no fh i g hg r a d ep i p e l i n es t e e l t h e s ea r et w om a i mm e t h o d sa d o p t e df o rm i c r o - a l l o y e dc o m p o s i t i o nd e s i g no fx 10 0 p i p e l i n es t e e la c c o r d i n gt ot m c pa n dh t p w h i c ha r ec a l l e dt m c ps t e e la n dh t ps t e e lf o r s h o r tr e s p e c t i v e l y t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r ec a r r i e do u ti nt h i st h e s i sa sf o l l o w s ： ( 1 ) t h et h e r m a lb e h a v i o ro fh i g ht e m p e r a t u r ed e f o r m a t i o ni sc a r r i e do u tf o rt m c p s t e e l a n dh t ps t e e l t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e s et w ok i n d so fs t e e lh a v eh i g hf l o ws t r e s sa th i 曲 t e m p e r a t u r e ，a n di t st r u es t r e s s s t r a i nc u r v ea p p e a rd y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o no n l yu n d e r t h e c o n d i t i o no fv e r yh i g ht e m p e r a t u r eo rl o ws t r a i nr a t e t h e ya l s op e r f o r mh i g hs t a t i c r e c r y s t a l l i z a t i o ns t o pt e m p e r a t u r e ( t n r ) i nd o u b l ec o m p r e s s i o nt e s t t h et n ro ft m c p s t e e l b e l o n g st o9 5 0 * ( 2 ，a n dt n ro fh t p s t e e li sa b o u t5 0 。ch i g h e rt h a nt h a to ft m c ps t e e l t h e d y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o no fa c t i v i t ye n e r g yo ft m c ps t e e la n dh t p s t e e li s3 6 7 10 7 k j m o l a n d3 3 6 2 7 8 k j m o lr e s p e c t i v e l ya c c o r d i n gt ot h ef o r m u l ao fz e n e r - h o l l o m o n ( 2 ) t h ec o n t i n u o u sc o o l i n gp h a s et r a n s f o r m a t i o no ft h e s et w os t e e l si sc a r r i e do u t t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h em i c r o s t r u c t u r ei s g r a n u l a rb a i n i t ea n ds o m ep o l y g o n a lf e r r i t e w i t h c o o l i n gr a t e0 5 su n d e rn o d e f o r m a t i o n b a i n i t i cf e r r i t ec a nb et o t a l l yo b t a i n e d ，w h e n c o o l i n gr a t ei n c r e a s et o 5 c s t h ecc h i v em o v el e f tw i t ht h ea m o u n to fd e f o r m a t i o n i n c r e a s i n g i ti so b s e r v e dt h a ta l o to f p o l y g o n a lf e r r i t ea p p e a r sw i t hl o wc o o l i n gr a t e ，b a i n i t i c f e r r i t et r a n s f o r m a t i o nr e g i o nn a r r o w sa th i g hc o o l i n gr a t ea n da c i c u l a rf e r r i t et r a n s f o r m a t i o n 1 1 1 么 东北大学硕士学位论丈 a b s t r a c t r e g i o na p p a r e n t l ye n l a r g e s ( 3 ) m i c r o s t r u c t u r es i m u l a t e di sc a r d e do u tb ym e a n so fc o n t r o lr o l l i n ga n dc o n t r o l c o o l i n gp r o c e s s t h e s em i c r o s t r u c t u r e so w nv e r yf i n ed o m a i na c c o r d i n gt oe b s da n a l y s e s a v e r a g eg r a i ns i z er a n g e sf r o m3 5 p mt o4 8 p , ma td i f f e r e n tc o o l i n gr a t eo ft m c ps t e e l ，w i t h e f f e c t i v eg r a i ns i z e4 1 - 5 9 1 a ma n dt h er a t eo f h i g h g r a i nb o u n d a r y7 9 - 8 5 w h i c hi st h eb a s i s o fh i g hs t r e n g t ha n dt o u g h n e s so fx10 0p i p e l i n es t e e l ( 4 ) s e v e r a lr o l l i n gp r o c e s st e s t sa l ec a r r i e do u tb yt r i a la n de r r o r i nt e r m so ft w or e g i o n s r o l l i n ga n dt w or e g i o n sc o o l i n g ，t h ex i0 0p i p e l i n es t e e lo fh o tp l a t es m i s f i e dt h es t a n d a r dc a l l b eo b t a i n e db yc o n t r o l l i n go ft h ef i n i s hr o l l i n gt e m p e r a t u r ei n8 0 0 - 8 4 0 c ，f i n i s hc o o l i n g t e m p e r a t u r ei n4 0 0 - 5 0 0 。ca n dc o o l i n gr a t ei n2 0 - 3 0 。c s 0 - 一 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要 i i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论1 1 1 引言1 1 2 管线钢的轧制工艺2 1 2 1t m c p 工艺2 1 2 2h t p 工艺3 1 2 3s u p e r - o l a c + h o p 工艺4 1 3 管线钢的成分设计原理4 1 4x 1 0 0 管线钢研究概况8 1 5x 1 0 0 管线钢的组织性能特点8 1 5 1x 1 0 0 管线钢的典型显微组织9 1 5 2x 1 0 0 管线钢的抗大变形特点1 0 1 6 课题研究的主要内容11 第2 章x l0 0 管线钢高温热变形行为13 2 1 实验材料及方案1 3 2 1 1 实验材料13 2 1 2 单道次实验方案1 4 2 1 3 双道次实验方案1 4 2 2 实验结果1 5 2 2 1 单道次实验结果1 5 2 2 1 1 单道次实验结果及分析1 5 2 2 1 2h t p 钢单道次压缩淬火组织1 7 2 2 2 双道次实验结果及分析1 9 2 2 2 1 软化率的计算方法1 9 2 2 2 2 软化率的计算2 0 2 2 2 3 双道次淬火组织2 l 2 3 讨论2 3 3 3 小结4 5 第4 章x 1 0 0 管线钢的控轧控冷组织模拟4 7 4 1 组织模拟实验材料与方案4 7 4 1 1 实验材料与设备4 7 4 1 2 试验方案4 7 4 2 组织模拟结果分析4 8 4 3t m c p 钢的e b s d 分析5l 、 卜 一 东北大学硕士学位论丈目录 4 4 小结5 5 第5 章x 1 0 0 管线钢试轧实验5 7 5 1 试轧实验设备、方案和轧制过程的控制结果5 8 5 1 1 试轧实验设备5 8 5 1 2 试轧实验方案和温度控制结果5 8 5 2 试轧实验的力学性能结果6 0 5 3 实验结果分析6 2 5 3 1 显微组织分析6 2 5 3 2 断口形貌分析一6 5 5 3 3t e m 微观组织分析6 7 5 3 4e b s d 分析材料韧性6 9 5 4 讨论7 l 5 4 1 精轧温度对力学性能的影响7 l 5 4 2 终冷温度对力学性能的影响7 2 5 4 3 冷却速度对力学性能影响7 3 5 4 4 强化机理7 4 5 5 小结7 5 第6 章结论7 7 参考文献7 8 至j ( 谢8 2 一 东北大学硕士学位论丈第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 石油、天然气是人类社会赖以生存的重要能源，是经济社会赖以发展的物质基础。 目前，已探明的油气主要集中在深海和环境条件恶劣的偏远山区，而油气的需求市场集 中在城市。油气管线作为链接这两个地区的桥梁，已经成为了油气输送最为经济而有效 的工具。高速发展的经济社会对能源的需求日益剧增，恶劣的环境条件严重损害管线的 性能，这导致管线成为阻碍油气能源发展乃至经济社会发展的瓶颈。为了降低管线的瓶 颈效应，使其适应恶劣的自然环境，人们对管线钢的性能要求不断提高，钢级也不断提 升。从a p i 标准可看出【，1 9 4 7 年a p i 标准引入x 4 2 x 5 2 ，2 0 世纪7 0 年代相继增加了 x 5 6 - - - x 6 5 ，8 0 年底x 7 0 逐渐被引入工程建设中，1 9 8 5 年a p i 标准增加了x 8 0 ，2 0 0 7 年 8 月起草的a p i 标准中又增加了x 1 0 0 和x 1 2 0 钢级。 我国石油，天然气资源较丰富，其市场需求也很大。根据有关调研，在2 0 0 0 2 0 1 0 年间，我国天然气需求量( 2 8 0 , - - 1 1 0 0 ) x 1 0 8 m 3 a 。天然气在一次能源结构中的比例将由 2 1 8 提高到2 0 1 0 年的7 1 7 1 2 1 。预计在这1 0 年中，为满足能源需求，我国将建设长输 管线总长为( 1 0 - 2 o ) x 1 0 5 k m ，共需管线钢约1 0 一t ，这给管线钢的发展提供了可贵的 机遇。同时，在世界经济危机背景下，国家为了拉动内需，扩大基础性建设，在石油管 道建设方面也成为投资重点，同样对国内管线钢创造了前所未有的发展机遇。 我国的输气管线布局成东西走向，经过准格尔沙漠，高原冻土层，地质环境恶劣的 黄土高原地区。这些外界环境都会给管线带来了巨大挑战，使得管线钢的设计方向从过 去的以应力设计为基础的设计方式逐步改变成以应变设计为基础的设计方式。除了自然 环境因素，油气公司为了提高油气输送的经济效益，不断增加输送压力，给管线输送造 成了巨大的内部压力。同时令人关注的公共安全和环境问题、以及管线制造和安装成本 等因素使管线设计采用更高的强度、良好的止裂性能、抗氢致裂纹能力、良好的焊接和 成形性能等。在机遇与挑战并存的条件下，国内管线钢出现发展迅速，武钢、太钢等已 经具有生产x 8 0 钢级的管线钢，并将应用于西气东输二线工程。宝钢、舞钢等都进行过 x 1 0 0 和x 1 2 0 的实验研究，并有一定的阶段性成果【l 。但相对日本、美国、加拿大等 钢铁强国来说，高钢级管线钢的生产水平差距较大。随着长输油气管道向大口径、高压 力的方向发展，高钢级管线钢的技术开发已迫在眉捷。因为随着管道中径的增大以及输 送压力的增高，采用低钢级的管道需要增加壁厚，这样就要增加管道的建设成本。另外， 管道壁厚的增加也给制管带来定的难度。因此，针对今后油气输送用管道高效率的要 1 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 求，必须开发高强度、高韧性、高钢级管线钢，使管道能够低成本、高效率、安全运行。 1 2 管线钢的轧制工艺 从管线的发展历程来看，管线钢钢级随年份不断提升。钢级的提升必须以冶金技术、 微合金化技术、控轧控冷技术、轧后冷却工艺和热处理工艺等发展为基础。如图1 1 所 示【1 1 1 ，简略地总结了不同钢级所采用的微合金化和轧制工艺。目前，生产高钢级管线钢 的主要轧制工艺有t m c p ( t h e r m o m e c h a n i c a lc o n t r o lp r o c e s s i n g ) 和h t p ( h i 曲 t e m p e r a t u r ep r o c e s s i n g ) 两种，还有日本福山( f u k u y a m a ) 研发的s u p e r - o l a c + h o p ( s u p e r o n 1 i n ea c c e l e r a t e dc o o l i n g + h e a t t r e a t m e n to n 1 i n ep r o c e s s ) 工艺【1 2 l 。 盥帮l 加速冷却+ la c c 伍。热钒箍轧制+ n 加莲冷茸a f 。 f ：i 基0 热祝域处理 i ；r 鞴仇曩】c c 疆 i 园黼懒 ； l 埘j 51 9 7 01 9 7 5i r i s 01 , t 硝5i 蜊 l 疆i jf f ) 0 0 煳 图1 1 轧制工艺与钢级随年份的发展变化b i i f i g 1 1t h ed e v e l o p m e n to fr o l l i n gp r o c e s sa n ds t e e lg r a d e sw i t hy e a r s y 。1 2 1t m c p 工艺 ，r 1 9 世纪5 0 年代以前，管线钢主要为普碳钢( c m n 、c m n s i ) ，强度级别x 5 2 以 下，采用传统热轧( h r ) 工艺，轧制过程中不考虑终轧温度和轧制道次，主要保证板 形。1 9 世纪5 0 年代到6 0 年代，在普碳钢的基础上添加v 、n b 等微合金并采用控轧工 艺( 主要控制终轧温度和精轧变形量) 和轧后热处理技术提高管线钢的强度。1 9 5 6 年日 本出现了两阶段轧制和在线对热轧钢板进行水冷工艺，用于生产抗拉强度在 6 0 0 8 0 0 m p a 级的管线钢板，这就是t m c p 工艺的雏形。6 0 年代以后，t m c p 工艺已经 在欧美，日本等国家普遍研究和广泛应用，生产出高级别的管线钢l l 引。 现代的t m c p 工艺通常指奥氏体再结晶区，奥氏体非再结晶区( 或奥氏体+ 铁素体 两相区) 轧制，然后实施加速冷却，达到所需性能。奥氏体再结晶区轧制目的是细化原 始奥氏体晶粒，尽量减少轧制道次，增大每道次的变形量，这样有利于获得均匀细小的 奥氏体晶粒。奥氏体非再结晶区轧制目的是使奥氏体晶粒扁平化，提高单位体积的晶界 比，增加内部位错密度，提高了铁素体的形核率，有利于细化相变后组织。 控制好冷却速度是获得良好性能的关键，相关文献指出【1 4 】，对于中厚板冷却工艺可 2 ， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 分三种，如图1 2 所示，加速冷却，直接淬火和淬火自回火工艺。图1 2 ( a ) 加速冷却， 其表面和心部冷却曲线有一定差别，通常通过心部返红作用来控制表面温度，使表面和 中心温度在相变区保持一致，获得组织和性能尽量均匀的热轧钢板。图1 2 ( b ) 直接淬 火，钢板表面和心部温度都较快冷到马氏体温度以下，但对于厚板来说，此工艺很难在 工艺生产中实现。图1 2 ( c ) 淬火自回火工艺，表面和心部温差大，工艺关键点在于控 制好表面的淬火时间，能够保证表面温度在淬火后返回到马氏体相变以上，进行贝氏体 相变。 同时闸 时闸 图1 2 三种不同冷却工艺曲线示意图【1 4 】 f i g 1 2t h e s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no ft h r e ed i f f e r e n tc o o l i n gp r o c e s s 1 2 2h t p 工艺 h t p 工艺实际最早应用于1 9 7 1 1 9 7 2 年t r a n s c a n a d a 管线运输公司的重要扩建项目 中，其钢的基本成分为0 0 4 c 1 6 0 m n 0 2 5 m o 0 0 6 n b 3 1 ，基于此钢种的针状铁素 体概念也首次应用。经过3 0 多年的发展，高n b ( 0 1 0 ) 成分设计被定义为h t p 钢。 这种钢能够使热机械轧制温度高于常规轧制温度( 8 1 5 ) ，主要因为钢中大量的固溶 n b 可以在高温下延缓奥氏体的再结晶，并通过热机械轧制获得细小，高强度的铁素体 或针状铁素体组织。n b 在低碳钢中的固溶度很高，1 0 5 0 可以固溶o 1 0 的n b i l s l 。由 于n b 的微合金化，使h t p 钢的热机械轧制不同于常规t m c p 钢，主要表现在板坯的 再加热制度，非再结晶区开轧温度，中间坯厚度三个方面。h t p 钢的再加热温度要高， 因为大量n b 存在会在板坯形成n b ( c n ) 化合物，这种化合物有高温稳定性1 5 j 。要使 n b 能够充分固溶于奥氏体中，必须提高再加热温度和延长保温时间。h t p 钢的非再结 晶区开轧温度和终轧温度都显著提高，一般比常规t m c p 工艺高7 0 1 0 0 ( 2 ，因此减少 中间坯待温时间段。提高非再结晶区轧制温度降低了车l $ 1 j 的负荷，有利于保证板形。h t p 钢为了获得高强度和良好韧性，要求中间坯厚度大于3 5 倍的成品坯厚【l 5 1 。 - 3 东北大学硕士学位论丈 第1 章绪论 刨 绸 传统的 o p i 艺 t 粉工艺 曩寸间 图1 3h o p 工艺与传统t m c p 工艺比较 f i g 1 3s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no fh o p a n dc o n v e n t i o n a lt m c p 1 2 3s u p e r - o l a c + h o p 工艺 在高强度管线用钢板的生产中采用控制轧制和加速冷却技术，特别是为了在确保韧 性和焊接性的同时获得高强度，加速冷却技术可发挥及其重要的作用。厚板的加速冷却 技术是福山厚板厂于1 9 8 0 年率先试机采用的，1 9 9 8 年又开发了利用新的水流控制技术 实现理论极限冷却速度的s u p e r - o l a c 。为了生产出高强度和高附加值管线钢，日本福 山采用了s u p e r o o l a c + h o p 工艺，h o p 是电磁线圈式感应加热设备，设置在加速冷却 装置后的热矫直机旁。s u p e r - o l a c 与h o p 组合能够前所未有的精确控制组织相变。图 1 3 所示为h o p 工艺与传统工艺的比较【1 2 】。传统工艺是在钢板控制轧制、加速冷却后进 行空冷，而h o p 工艺则是在加速冷却后立即通过感应加热进行快速加热。因此，在控 制相变的同时，实现了碳化物的细微析出，使组织均匀，并可以实现多相组织化，这是 使用常规的加速冷却无法实现的特性。采用h o p 工艺生产的具有代表型的钢管产品有： 高强度耐酸管线钢管、高形变能管线钢管等。通过采用h o p 工艺，使钢板板厚方向的 材质均匀化，因此可得到材质波动小，形状良好的钢管。 1 3 管线钢的成分设计原理 恶劣的自然环境、供不应求的油气资源、油气公司追求输送经济效益等因素迫使管 线具有高强度、良好的低温韧性、抗大应变、抗氢致开裂等性能。为了实现这些苛刻的 性能，专家们不断探索管线的冶金技术和微合金化技术，如表1 1 管线钢的a p i 钢级与 微合金设计关系2 4 1 。 4 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 表1 1a p i 钢级与微合金设计变化 t a b l e1 1t h em i c r o a l l o yd e s i g n e di na p ig r a d es t e e l s a p i 钢级合金化 x 1 2 0 m 针。状, v 铁, 素b , 体p c 贝m 氏0 体2 5 马氏体 c o l o m n 2 - o s i 0 4 0 ，n b 0 0 6 c u ，n i c r x 1 0 0 茎鉴耄笋贝氏体“ o 0 6 汕 2 o 0 “0 o 0 6 c u n l c r m o v x s o 蒺羹揉针状铁素体，c o 0 6 ，l l n 1 7 0 ，s i o 4 0 ，n b o 1 0 ，c u ，n i ，m 。，p c m o 2 1 d t 5 0 ：f a f ，c o 0 6 ，m n 1 6 5 ，s i o 4 0 ，单合金化n b 0 1 0 ，或n b + m o ，p c m x 7 0 爹? ；：或：名jc o 。，m n 。6 5 ，。，。4 。，c m o ：o 单合金化o 0 6 5 ， 一铁素体珠光体，c o 1 0 ，蜘1 6 5 ，s i o 4 0 ，单台金化n b o 0 6 5 ，或n b + v x ( a b 0 1 5 p c m o 2 3 管线钢采用微合金化技术，使合金成分在钢中产生相变强化，沉淀析出强化，位错 强化等方式提高管线钢的性能，其各合金成分设计原理如下： ( 1 ) 碳：根据a p i 标准中的成分设计要求来看，碳含量随钢级逐步降低。碳的降 低有利于提高钢的低温韧性，现场可焊接性。从g r a n v i l l e 图可预测材料对焊接裂纹的敏 感性，碳含量小于0 1 的区域具有良好的焊接性【1 7 】。因此国际上管线钢的含碳量逐年 下降，正朝着超低碳方向发展。降低碳含量的另一个重要原因是低碳可以避免凝固过程 中的包晶反应，降低组织的不均匀性。包晶反应就是液相和已形成的6 铁素体反应生产 y 铁素体，与体积收缩有关，并引起残留液相的枝晶间夹杂，富含合金元素。如果碳含 量低于门槛值0 0 9 ，凝固过程就沿生成6 相的方向进行，此时，随着碳含量的降低， 不仅避免了枝晶间偏析，而且晶体偏析程度也降低，液固相线的间距越小，降低了凝固 过程中的晶体偏析，有利于凝固后的扩散来获得成分均匀组织【l 引。因此低的碳含量可改 善钢许多性能，如韧脆转变温度、冲击功、焊接性能，抗h i c 性能。但是对管线钢而言， 碳含量并不是越低越好。t a d a a k i 等人研究了不同含碳量的管线钢热影响区韧性变化的 情况，他们发现当钢的含碳量小于0 0 1 时，由于间隙碳原子的减少和热循环后n b ( c n ) 的沉淀析出而弱化晶界，使热影响区晶界相对脆化。碳含量降低必将损害材料的强度， 一般添加其他合金元素来提高材料的强度，如m n 1 7 】。 ( 2 ) 锰：m n 是管线钢控轧控冷中重要的合金元素，它能降低钢中丫0 【的相变温度 a r 3 ，促进中温转变的发生，从而提高钢的淬透性，m n 通过溶入铁素体而引起固溶强化， 提高钢的屈服强度和抗拉强度 1 7 】。由于m n 在管线钢控制控冷过程中对晶粒细化有促进 作用，因此在提高强度的同时还能改善钢的韧性，降低钢的韧脆转变温度。一般情况下， 5 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 i 为保证管线钢的强度要求，必须在降低c 含量的同时提高m n 含量【l 纠。另外，m n 在钢 中与c p 元素一样易形成偏析带而造成钢的组织和硬度的不均匀性，对抗h 2 s 性能不利。 m n 含量高的带状区域，a r 3 低则不容易产生先共析铁素体，而m n 含量相对较低的区域 则首先析出铁素体组织；但铁素体的析出增加了相邻m n 含量高区域的奥氏体中的c 含 量，其相变的最终结果即形成带状珠光体组织，所以在管线钢的工业生产中m n 含量一 般小于2 0 ，同时采用合理的化学成分，加热制度和轧制与冷却工艺减少甚至消除各 区域间 r q 的相变温度a t 3 差异，使奥氏体组织同时发生相变从而减少带状组织瞵j 。 ( 3 ) 钼：由于m o 能够降低相变温度、抑制块状铁素体的形成、促进针状铁素体 的转变，并能提高n b ( c 、n ) 的沉淀强化效果，这种合金体系的管线钢具有含高密度位 错的细小针状铁素体组织，强度高( 达到x 7 0 、x 8 0 ) 、冲击韧性好。早期为获得针状铁 素体，多用高m n 和m o ，导致c e q 和p c m 偏高，影响管线钢的焊接性能。后来为改善焊 接性能开发出了n b m o t i v 系钢，即降低m n 和m o 含量，通过添加v 来弥补强度损 失、通过t i n 细化晶粒改善韧性。在x 8 0 管线钢中，m o 含量在0 1 - - 0 3 比较理想。 随着m o 含量增加，并结合控轧急冷工艺，n b m o 类钢还可以获得x 1 0 0 钢级，此时的 组织由珠光体贝氏体转变为单一的内含贝氏体型铁素体和均匀分布的。m a 岛的贝氏 体。由于没有屈服平台，钢板的屈服强度稍偏低，但是在u o e 成型后，钢管的屈服强 度便可上升到x 1 0 0 的级别。此外，当s i 较高时，m o 增加可以改善钢板焊接h a z 的韧 性；当s i 很少( 如o 0 6 ) ，也可得到良好的h a z 韧性，0 2 m o 0 3 时，这种改 善会更加明显，而且钢板强度和低温韧性都很好。有人以x 1 2 0 的成分为对象【2 州，研究 不同m o 含量对显微组织的影响。结果表明当m o 含量从0 增至0 3 0 x 1 0 五时，组织中的 l b 含量增多，晶粒变细，钢的显微硬度增加。但当m o 含量继续增至0 5 1 x 1 0 2 时，组 织中的l b 含量变不大，晶粒尺寸变大，钢的显微硬度值略有降低。所以认为高钢级中 m o 的含量应控制在0 2 , - - 0 3 之间1 2 。 ( 4 ) 铌、钒、钛：n b 是管线钢微合金化的重要元素，是h t p 工艺产生的必要元 素。n b 在h t p 钢中的主要作用是延迟高温奥氏体的再结晶。v 和t i 同样可以抑制奥氏 体再结晶，其作用没有n b 显著。n b 能显著提高奥氏体的再结晶终止温度( t n r ) ，是因 为有大量固溶n b 的固溶拖拽作用抑制奥氏体晶界的迁移。但当钢中碳、氮元素存在时 容易形成n b ( c n ) ，而大大降低了固溶n b 的含量。为降低钢中的自由氮含量，通常采 用微t i 处理，根据t i 在奥氏体中的一般溶解度关系式l g 【明 】= - 1 5 2 0 0 t + 3 9 可知 u 7 1 ，t i n 的固溶温度远高于n b ( c n ) ，在一般加热温度下固溶量极低。由于形成难溶 的t i n 来消除钢中的自由氮，保证了钢中的有效固溶n b 含量。n b 、v 、t i 在微合金钢 6 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 中的另一个重要作用是沉淀强化效应，它们与碳，氮都有较强的亲和力，可以生成碳化 物、氮化物或碳氮化物。通过热机械处理碳氮化合物弥散析出，不但提高了钢的强度， 而且改善了钢的低温韧性。 ( 5 ) 硼：b 是必须谨慎考虑添加的微合金元素。一般来l 兑，加入微量b ，b 偏聚在 奥氏体晶界出，可以明显抑制铁素体在奥氏体晶界上的形核，同时使贝氏体转变曲线变 得扁平，从而在低碳情况下的一个较大冷却范围内能获得贝氏体组织，但如果b 以氧化 物或氮化物形成存在于钢中，就丧失了抑制铁素体在晶界上形核的作用。为了防止b 与 氧和氮形成化合物，必须在钢中添加适量的a l 来脱氧，并添加与氮亲和力更大的t i 元 素来固氮。另外，在超低碳贝氏体中由于碳含量很低，如果工艺控制不当，易形成局部 空隙自由区而促进晶内裂纹。所以b 的添加需谨慎。对于高钢级管线钢，从历史经验来 看，添加微量b 能够提高管线钢强度和韧性 2 9 l 。添加b 的夏比冲击功比不加b 的高， 特别在低的碳含量时，加b 具有很高的韧性，所以j f e 公司目前生产的x 1 2 0 均添加了 b 元素。 ( 6 ) 硫、磷、氧、氢的控制：硫是影响管线钢抗h i c 能力和抗s s c 能力的主