高钢级X100管线钢的组织与性能

第29卷 第3期Vo l 29 No 3材 料 科 学 与 工 程 学 报Journal of M aterials Science &Engineering 总第131期Jun.2011

文章编号:1673 2812(2011)03 0386 06

高钢级X100管线钢的组织与性能

曾 明,江海涛,胡水平,赵征志

(北京科技大学高效轧制国家工程研究中心,北京 100083)

摘 要 本文利用光学显微康、扫描电镜、透射电镜等,对实验室T MCP 工艺生产的X100管线钢的组织构成、微观结构、析出物的形态和分布等进行了研究。研究结果表明,X100为GB(Granular Bainite)、BF(Bainite Ferrite)、M /A 构成的复相组织,且各相比例和形态对性能影响较大,以GB 为主的基体加上少量BF 及弥散分布的细小M/A 构成的组织具有较好的强度和韧性匹配。TEM 微观形貌观察发现,贝氏体晶粒内部具有高密度位错和不同位向的板条束及M /A 硬化相;萃取复形实验发现,X100中主要有两种类型的析出物:一类尺寸较大为T i 的析出,一类尺寸较小为Nb 的析出物;这两种析出物起阻碍奥氏体再结晶和晶粒长大及析出强化的作用。

关键词 X100管线钢;复相组织;高密度位错;析出物

中图分类号:T G142.33 文献标识码:A

Microstructure and Mechanical Properties of Pipeline Steel X100

ZENG Ming,JIANG Hai tao,HU Shui ping,ZHAO Zheng zhi

(National Engineering Research Center for Advanced Rolling Technology,Beijing University

of Science and Technology,Beijing 100083,China)

Abstract Microstr uctural constituents as w ell as distribution of precipitates in pipeline steel X100pro duced by thermo mechanical contr ol pr ocess (TM CP)techno logy w ere inv estig ated by m eans of optical micro scopy ,scanning electr on m icroscopy,tr ansm issio n electron micr oscopy,etc.Results show that X100is

po lyphase structur ed steel w hich is m ainly constituted of GB (granular bainite)、BF (bainite fer rite )、M/A (martensite austensite ),conformation and proportion o f each phase have significant influence on the performances of X100.It is pro ved that GB based structure w ith a few BF and dispersed fine M /A inside has ex cellent effects on streng th and toughness.H igh density of dislocations,bainite lathes w ith differ ent orientatio ns and M /A har dening phase w ere found by means of T EM o bser vation.It also found tw o types of precipitate,o ne w ith big size mainly constitute of T i,the other w ith sm all size mainly constitute of Nb;each ty pe of precipitate have big effects o n hindering the recry stallizatio n of austenite and on the precipitation streng thening.

Key words pipeline steel X100;poly phase;hig h density o f dislocations;precipitate

收稿日期:2010 09 09;修订日期:2010 10 18

作者简介:曾 明(1985-),男,硕士。研究方向:冶金工艺装备及钢种开发。E mail:z engming0504@ 。通讯作者:江海涛,副研究员。E mail:nw pujht@

1 引 言

目前,世界石油管道的建设正朝着长距离、大口径、高输送压力发展,为减少建设和维护成本,高钢级

管线钢的开发应用已成为国内外管道用钢的研究热

点[1~3]。当前石油管道用钢的主流级别已成为X80,围绕该钢种的相关研究也已十分成熟。X100~X120

级别管线钢的实验室研发已取得成功,除了国外有少量实验管道,还未出现大规模工程应用,对其组织的研

究也一直处在对传统低碳贝氏体组织的研究阶段,关于组织的形成和转变机理也未达成统一定论。组织的微观结构、强韧化机理以及复相组织构成与性能之间的关系等一些具体问题还有待研究。相信随着国内一系列管道建设工程的展开,X100的高强度、高韧性带来的成本优势将促使其大规模生产应用,对其组织性能的研究也将更加全面、深入。本文即在实验室采用TM CP工艺成功开发出X100的基础上,借助光学显微镜、扫描电镜、透射电镜对其宏观及微观组织构成、析出相、强韧化机理等进行进一步分析研究。

2 试验材料及方法

试验钢种采用低C+M n+Nb Ti Mo的合金化设计[4],成分见表1。

试验钢在25kg真空感应炉内冶炼,经浇铸冷却

表1 试验钢成分

Table1 C hemical composition of pipeline steel X100/mass%

C Si M n Nb Ti Cr Ni M o Cu S P N

0.0490.20 1.950.0800.0170.210.580.290.29<0.004<0.012<0.004

后将钢锭重新加热至1150 ,均热后锻成80mm 80

mm 90m m的方坯。将试验钢坯放入箱式炉中加热

到1200 保温1h,在实验室二辊轧机上经再结晶区和

未再结晶区两阶段控轧轧制成12m m厚钢板。再结晶区累计变形量50%、未再结晶区累计压下量70%,开轧温度1100 、未再结晶区轧制入口温度920 、终轧温度800 、终冷温度280 ~420 ,冷速20 /s ~60 /s,轧后钢板放入保温炉保温1h后随炉冷却至室温以模拟现场卷取。

对轧后钢板做力学性能相关测试,并沿轧向取横截面,经打磨抛光后用4%硝酸酒精侵蚀进行金相组织观察,经喷碳处理后在扫描电镜下观察组织;通过双喷和萃取复形实验制样并在TEM 2100透射电镜下观察其微观结构、析出物的类型和分布。

3 试验结果及分析

3.1 X100的力学性能

实验钢的力学性能见表2,按照API5L 2007管线钢管规范的相关指标要求,X100抗拉强度760M Pa~ 990M Pa,屈服强度690M Pa~840M Pa,屈强比< 0.93,延伸率>15%, 20 冲击功>200J[5];从试验结果来看随控冷工艺即冷速(Vc)和终冷温度(T c)的不同,钢板的性能有很大的差异,但有部分钢板的力学性能已完全满足相关指标,并且强度有较大的富余量。图1为各钢级管线钢应力 应变曲线,可见相对于X70、X80其强度提升较大。由于X100组织内部高位错密度、较多的亚结构和残留硬化相,它的应力应变曲线表现为连续屈服而未出现屈服平台,外形上呈现明显的屋顶状特征[6]。图2为X100的韧脆转变温度曲线,由曲线可知X100具有较高强度的同时仍然有较

好的低温韧性,同一温度下冲击试样单个值(Sv)波动较小,与平均值(Av)差别不大,韧脆转变温度在 80 ~ 100 之间,具有优良的低温韧性指标。

图1 X70 X100的应力 应变曲线

Fig.1 S tress s train cur ve of pipeline steel X70 X100

图2 X100的韧脆转变温度曲线

Fig.2 Du ctile brittle transition temp eratu re cur ve

3.2 X100的组织及对性能影响

高钢级管线钢的组织倾向于引入低温相产物,在构成上不再是单一的组织类型。X100基体就是由粒状贝氏体(GB)、板条贝氏体(BF)、M/A岛组成的复相组织。图3是实验室条件下采用T MCP工艺生产的

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