显微组织对管线钢屈强比和低温韧性的影响.pdf

第 1 4卷第 5期 2 0 0 8年 1 0月 宽厚板 I DE AND HEAVY PL ATE Vo 1 1 4 No 5 Oc t o b e r 2 0 0 8 4 3 国外冶金技术 显微 组织对管线钢屈强比 和低 温韧 性 的影响 邱松年李丽琴 济南钢铁集团公司 Ef e c t 0 f M i c r 0 s t r u c t u r e o n t h e Yi e l d Ra t i o An d Lo w Te mp e r a t u r e To u g h n e s s o f Pi p e l i n e S t e e l s Q i u S o n g n i a n a n d L i L i q i n J i n a n I r O l l a n d S t e e l C o I 埘 0前言 仃油天然气输送管线钢须具 箭高强度 高韧 优异耐蚀 V t 和商焊接性 当今 要求 用大 口 径 离 管线求改善输送效率 这就需对管线钢有 离姒发的技术要求一此外 从安全性考虑 管线 韵需订低劂强比 低 强比意味獬服达至塑性不 稳定 I t H 寸 订离的变形抗 力 以防强度突然降低 依 l I X 7 0 l 程技术条件 要求翘服强瞍 4 8 0 MI t t 一 4 I l 击功 1 0 0 J 殳 强比 8 5 此 帆研究 丧 j j j 对 4 4 0 Mt a 线 C M n钢 采用 T MC P 到 低 t 强 比 约 8 0 和高 韧 H D W3 l 1 约 一1 O 0 1 1 可行的 虽如此 对更高 的钢级保 持 够低 强比l壬 1 j 高 性是极其困难的 根本原 I 优化这些性 能 如增J 儿 1 强发会以牺牲屈强 I 匕 卡 f U 性作 价 反之亦然 一因此 需根据显微组 列高强符线钠的圃姒 比和韧性的影响特点 开 发高 能管线钠一 降低 强比的办法之一是利用 微组织中硬 的 2卞 l j 称为舣f 1 刑 众多研究表明 于软的 铁索 f 0 I q j 硬的马氏 本 或 体 此具 仃低 曲 L 本 S t H k a n a i 等学 采用有限元法 分析 2卡 I 1 的体积 分比和形态学 并报告 r硬 的第2柑 j 软的 体 i J 钉 5 0 q 的体积百分 比 得刮足够假的 比 f 箭议十 钉 越常 仃 低 轼强 比 似 会获 得 管线钢所需的各种性能要求 加之两相间强度差 太大 在低温条件下硬的第 2相中易于形成裂纹 而可能抵消对韧性方面的影响 近年来 将重点 放在开发针状铁素体或 贝氏体基管线钢方面 这 些管线钢韧性通常不能满意 因此需用新的显微 组织组元 以获得足够的强度 韧性和屈强比 本 文选择铁素体 一珠光体 针状铁素体不同组元作 第 2相的铁索体钢 铁素体作第 2相 的针状铁索 体钢及贝氏体钢的若干合金系进行研究 1 试验 步骤 所研究管线钢的化 学成分如表 1 所示 侄 验室内生产这些不同 微组织的管线钢 轧制成 成品 L 制条件示于丧 2 拉伸试佯为横向 采用 直径为 6 m lT l 长度为 3 0 1 1 1 11 1 圆棒试样 窀温条 件下 活动横 梁以 9 m m m i n速度作拉 伸 试验 显示管线钢屈 服强度处于非连续 屈服状态 以 2 变形量作补偿 至少以 3个试样结果作出拉伸 性能报告 沿轧制钢板横向切取 型夏 比冲击 试样 液氮或 乙醇槽内浸渍 1 5 m i n后 在 一1 2 0 2 O 温度 范围每 2 0 间隔进 行 试样试 验 和 D B TF 韧 脆性 转 变 温 良 上 下层 吸 收 能 量 的 中 点相一 一 致 用 S E M 扫描电镜 观察夏 比试样 的 断口表面 用图像分析仪分析组元相的百分 比和 品粒尺 寸 4 4 宽厚板 第 l 4卷 道次号 轧前厚度 轧后厚度 压下率 塾 壁 一 轧 前 厚 度 轧 后 厚 度 压 下 率 塾 塑 Mi l l I1 1 1 1 A1 A4 A 5 A2 A3 mm mm B C D E F G1 G 2 C 3 2结果 2 1 显微组织 表 3 详细说 明了管线钢 的不同显微组织特 点 铁素体 一珠光 体钢 晶粒 尺寸在 6 8 2 0 4 范围内 铁素体 一针状铁素体钢 中 针状铁素 体百分 比为 9 6 2 4 1 含少量珠光体 约为 2 铁素体 一针状铁素体钢晶粒尺寸为 4 4 7 4 m 比通常 的铁素 体 一珠 光体钢 晶粒度要 细 目前研究 目标是阐明显微组织对高强管线钢 的屈强 比和韧性的影响特点 显现针状铁素体 一 铁素体钢在压扁拉长的针状铁素体基体内有多边 形铁素体细晶粒 约 4 5 m 针状铁素体 一铁 素体管线钢中 铁素体的体积百分 比约 占6 而 沿轧制方向间隔测量的铁素体约为 1 6 m 贝氏 体钢为压扁的拉长晶粒 其显微组织组元类 似于 原先的奥 氏体 晶粒形态 表 3 各种管线钢显微 组织特点 组织 钢铁素休晶粒度 一 塑 亘 坌 一 一 一 l i ra 珠光体 铁 索体 针状铁素体或贝氏体 铁素体 一珠光体 铁索体 一针状铁素体 针状铁 索体 一铁索体 贝氏体 9 6 2 0 4 1 1 8 6 8 7 4 7 2 4 3 4 6 4 2 9 o 7 91 2 9 3 0 9 8 3 8 0 5 7 5 9 8 8 7 5 9 5 5 3 O 2 1 1 8 1 8 l 1 4 2 4 I 9 6 9 2 0 9 3 4 9 7 8 9 0 9 7 9 9 8 1 3 8 2 7 1 7 2 9 8 5 8 2 2 2 B M c D F 叭 量 塑 坚 度 M P d 机 拉 i 一 一 一 4 2 5 8 3 8 51 4 0 6 三 零 出 管 线 钢 屈 服 强 度 T 与 屈 强 比 问 的 关 相同屈服强度 的钢板 与针状 二 针 状 铁 素 体 钢 及 铁 素 翟 屈 强 比 值 最 低 图 可 素 体 一 珠光 钢要满足 x 7 0管线钢板 届 扣 t 4 8 0 M P a 屈强比 8 5 的拉伸性能技 E L l 术 I I X 条 1 为 困 难 而 其 L 口 六 I 管 线 钢 却 都 能 兰 网 l4 同 钢 的 D B T F 和 上 层 吸 收 能 量 同 锕 的 屈 服 强 度 和 D B 丌 高 霎 墅 警 化 学成分差异很大 用 篓 性 黼D B 1Tr 啊 是 罔 喜 显 微 组 织 能 反 I l3 1 Yr 方 面 南 微 纽 r I 1 Y r 是 有 影 出 素 体 一 铁 素 体 钢 有 最 佳 的 屈 服 矗 D B T F 纲台c尽管 氏 本锕强度很 高 但 f 3 2 8 范喇M的低温韧性变坏 比 线钢性能要求的 D B T T 寓 ITM I LK z c J JW 妻 温 摩 中 同 其 它 各 类 管 线 钢 相 比 贝 氏 本 钢的上层吸收能量要低得多 结 出不嘲微纽织管线钢 s 扫描电 镜 典型断 j 金桕照片 所有试样断 口 蜘 琊 9 3 9 0 星 靴 蛐 跚 跚 粥 铋 彻 m m m 研 蛳 槐 枷 栅 铷 鲫 嘲 犍 B E 4 6 宽厚板 第 l 4卷 皇 越 疆 蹬 噻 图2 钢的屈服强度和韧脆性转变温度间关系 a 铁素体一 珠 光体钢 B钢 显示解理面在 D B T Y以下发生破坏 想要达到预 期冲击性能取决于显微组织 解理断 口表面显示 解理面大小有极大差别 可见 所有管线钢中 铁 索 体基钢 即铁素体 一珠光体和铁素体 一针状铁 素体钢 在解理 面上 的铁素体 晶粒尺寸最细 图 3 a 在贝氏体钢解 理面断 口延伸方 向上 原 奥 氏体晶粒尺寸最大 图 3 d 3讨论 3 1 屈强 比 管线钢不同组合的屈服强度和屈强比取决于 显微组织组元 通常情况下 低屈服强度有较低 b 铁素体一 针状铁素体钢 c钢 c 针状铁素体一 铁素体钢 D钢 d 贝氏体钢 G2钢 图 3 S E M夏 比冲击试样 屈强 比 但鉴于屈强 比不仅是屈服强度 同时也 是加工硬化率的函数 上述以低屈服强度有较低 屈强比的结论性陈述是错误的 对铁素体 一 珠光 体钢而言 减小铁 素体晶粒尺寸将同时增大屈服 强度和屈强 比 减小铁素体 晶粒尺 寸 并减少加 工硬化率 会附加增大屈强 比效果 铁素体 一珠 光体钢中有类似于取代珠光体的第 2相针状铁素 体特性 虽如此 经铁素体到针状铁素体基体作 变质处理 结果屈服强度提高 屈强比降低 针状 铁素体内存在大密度可动位错 显现有连续延伸 和高加工硬化指数 当施以载荷 针状铁素体基 体在应力硬化方面出现扰动大 导致极 限抗拉强 度升高 与多边形铁 素体相 比 针状铁素体基钢 有低屈强比的基本效果 贝氏体基钢比针状铁素 体基钢的加工硬化指数高 在相 同强度级别 中 贝氏体基钢 比针状铁素体基钢的屈强 比低 尽管屈强比真实反映出屈服强度和加工硬化 指数的函数 上述讨论还不足得 出该显微组织屈 强 比最低的结论 采用 H o l l o ma n公 式和 S w i f t 公 式全面理解屈强比和应力 一应变特性 鉴于 H o 1 1 o m a n公式对 低应变 区的估计不 足 该式不 能正 确描述低应变区的应力 一应 变曲线 S w i f t 公式 第 5期 邱松年等 显微组织对管线钢屈强比和低温韧性的影响 4 7 足以描述钢的应 力 一应变曲线 屈强 比及和加工 硬化指数闹的关 系 该式表示如下 Y R S y S u b I n i e e x p b 1 e N 1 式中 s 一 屈服强度 S u一 极限抗拉强度 b一 附加应变常数 e 一屈服强度工程应 变 0 2 一加工硬化指数 设定恰 当 b值便可对各类显微组织建立 l n o 与 I n s b 间的线性关系 r 一真实应力和 s 一 真实塑性应变 表 5示 出各类钢 的屈强比与加 工硬化指数问的关系 用上述 S w i rl公式得到计 算结果与实验结果完全吻合 这就表明铁素体基 钢 比针状铁素体基钢有更高的加工硬化指数 增 加铁素体晶粒尺寸和铁素体基加工硬度 而降低 屈强比 对针状铁素体基钢而言 增加第 2相多 边形铁素体百分比和增 大加工硬化指数 结果 同 样能降低屈强 比 显微组织有类似于屈强比和加 工硬化指数关系 表 明增加加工硬化指数和降低 屈强比 虽如此 组织类型决定屈强 比和加工硬 化指数变化 加工硬度指数相同 高加工硬化率钢 如贝氏体钢 比低加工硬度指数钢 如铁 素体 钢 的屈强比低 可得到 8 5 屈强 比的临界加工 硬度指数示于表 5 可 见 贝氏体钢 N值要 比针 状铁素体基钢及铁素体基钢 N值低 3 2 低温韧性 图4示出解理面大小取决于不同显微组织组 元 铁索体基钢最小 而贝氏体基钢最大 同样 表 5 8 5 屈强比 的 S w i ft式 b值和 临界 加工硬化 指数 N 值 显 示 出控 制有 效 晶粒尺 寸与 韧脆性 转变 温度 D B T F 取决于不同的显微组织 对铁素体钢而 言 有效晶粒尺寸就是铁素体 晶粒 从破坏的夏 比冲击试样断面相图 图 5 证实 铁素体晶粒界 面上显现裂纹扩展方 向 这就清楚表明 细化铁 素体晶粒尺寸 改善 了强度和低温冲击韧性 由 图 2可见 铁素体晶粒尺寸从 2 0 4 m细化到 6 8 m D B T r 从 一l 5 相应降低到 一 8 0 图 4 钢的屈强比和加工硬度指数间的关系 5 夏比 叶 l 击破坏试样的断面 S E M 扫描电镜 桕同 贝氏体解理两最大 裂纹扩展方 向延伸 1 O 0 m 类似先前拉仲方向的奥氏体品粒直径 显示 体品粒尺 十大小就足原奥氏体品粒尺 寸 夏 比冲 式 样破坏的断面相 图 5 示裂纹扩 展没改变方 向 直接 越过 晶包 p a c k e t 界面 表 明 品包尺寸不是 贝氏体钢的有效晶粒尺寸 尽管某 些 贝氏体品包在原奥氏体品粒内 由于晶包 界面 为小角度 界 面 晶包 界 而起 小 到解 理 裂纹 扩 展的 4 8 宽厚板 第 l 4卷 势垒效应 加之用 E B S D 电子反 向散射衍射 分 析带奥氏体晶粒的贝氏体晶包 可以见到均分公 共解理面 同样 在全针状铁素体钢中也有类似 特点 图 2示出针状铁素体钢 D B T I 高 作为第 2 相 多边形铁素体能很大程度地降低韧脆性转变 温度 D B T r 断口金相学显示针状铁素体 一铁 素体钢比贝氏体钢的解理面小得多 图3 针状 铁素体 一铁素体钢的解理面尺寸为 2 2 I z n a 类似 于内部铁素体 间距 夏 比冲击试样的破坏断面显 微组织图 图 5 c 显示 其裂纹改变方 向对应于针 状铁索体 一 铁索体界面 箭头方 向所指 表明针 状铁素体 一 铁素体界面具有解理面裂纹扩展的有 效势垒效应 对于针状铁素体钢或贝氏体钢 其晶包界 面 a 铁 素体基钢 起不到解理 面裂纹扩展的有效势垒效应 因此 对针状铁素体钢而言 其有效晶粒尺寸就是内部 铁素体间距 不同钢的解理面裂纹扩展形式示于 图 6 基于显微组织和力学性能的关联性 优化显 微组织 以开发高性能管线钢 显示针状铁素体或 贝氏体基体内存在多边形铁素体第 2相 考虑到