X120管线钢形变奥氏体连续冷却转变特性研究

X120管线钢形变奥氏体连续冷却转变特性的研究

（长城汽车股份有限公司技术中心河北省汽车安全一体化与智能控制重点实验室河北保定 071000）

摘要：采用gleeble3500热力学模拟试验机对x120管线钢进行双道次热压缩变形试验，分析了其压缩过程的应力-应变曲线，在850 ℃以

1 s-1的应变速率、变形量为30%进行变形时，可发生动态再结晶。该文着重探讨了控轧控冷工艺参数对x120管线钢显微组织、力学性能的影响规律，在快冷的条件下可以得到目标组织-细小的板条组织（lb），试验钢的力学性能随着冷却速度的增加而呈现增大的趋势。

关键词：管线钢 gleeble3500 动态再结晶板条组织力学性能中图分类号：tg335 文献标识码：a 文章编号：1674-098x（2012）12（c）-000-02

近年来，随着世界经济的快速发展，对石油、天然气的需求不断增加。要求开发长距离输送石油、天然气的高强度等级管线钢的经济驱动力也在不断增加，由此产生的第一个结果就是目前在国际标准中曾长期处于最高钢级的x70已被x80取代。另一方面，x100以及在小范围的x120正处于积极的开发阶段[1-3]。一些发达国家已经在x120管线钢研究过程中取得了一定的成果。

热机械控制加工（thermo mechanical controlling processing，简称tmcp）国内也称为控轧控冷，是一种广泛应用于改善hsla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[4]。近20年来，这项技术得到国际冶金界的极大重视，并在管线钢的生产上取得了卓有成效的应用。管线钢经控制轧制后再控制冷却可以获得组织和性能优良的线材，可以满足工程上的要求。该文研究的目的是基于不改变现有管线钢化学成分的情况下，为优化tmcp工艺，为得到满足工程需要的优质管线钢提供必要的数据和理论支持。

1 试验材料和试验方法

1.1 试验材料

实验用钢为武钢提供的x120管线钢，其化学成分见表1。

1.2 试验方法

将试样（φ10×85.5 mm）以10 ℃/s加热到1200 ℃，保温5 min 后，以5 ℃/s冷却到1100 ℃，保温10 s后，以1 s-1的应变速率进行压缩变形，变形量为35 %（第一阶段变形工艺）；变形结束后，随即以

5 ℃/s冷却到850 ℃，保温10 s后，以1 s-1的应变速率进行压缩变形，变形量为30%（第二阶段变形工艺）；轧后直接进行冷却，控制冷却速度式温度降到200 ℃，冷却速度分别为0.5、1、2.5、5、7.5、10、15、20、25、30（℃/s）。试样经线切割、研磨和抛光后用4 %硝酸酒精侵蚀，采用zeiss光学显微镜观察并分析不同冷却速度条件下的组织形貌，得到金相照片。用莱卡显微硬度计测定不同冷却速度下的试样硬度，硬度是随机在试样上取五点，计算

平均值得出的。其工艺曲线如图1所示。

其中真应力σ、真应变ε与载荷f、原始截面积、瞬时标距长度l1、原始标距l0有以下关系：

2 结果与讨论

2.1 采用origin软件绘出应力-应变曲线，分析再结晶现象

图2给出了试验钢双道次压缩应力-应变曲线，应变速率为1 s-1。奥氏体热加工是加工硬化和高温动态软化同时进行的过程[5]。在热变形过程中可以出现两类软化曲线。第一类，随着变形的进行，流变应力不断增大，当应力达到一定值后，σ-ε曲线出现平台，没有应力下降现象，一般称该类曲线为动态回复型应力应变曲线，如本实验中的第一次轧制过程；第二类，随着变形的进行，材料的流变应力不断增加，逐渐达到一个峰值，然后流变应力不断下降至一稳定态值后保持不变，该类曲线通常为动态再结晶型应力-应变曲线，如本实验中第二次轧制过程。从图2可以看出，第二条曲线中流变应力随变形量不断增加，并在a点处出现一个峰值，随后流变应力下降。由此可以知道，实验钢在850 ℃以1 s-1的应变速率、变形量为30%进行变形时，发生了动态再结晶现象。在热轧过程中动态再结晶可以有效地细化粗大的铸态组织[6]，从而改善管线钢的力学性能。

变形温度从1100 ℃变到850 ℃时，变形温度的降低，变形抗力增大[7]。高温奥氏体变形中，加工硬化和动态软化两种机制同时起作用[8]，在变形初期，加工硬化的作用占据主导地位，随着变

形温度的增加，位错密度不断增加，使变形应力不断上升。同时，由于变形在高温下进行，位错在变形过程中通过滑移和攀移的方式运动而产生动态回复，加工硬化效应逐渐减弱，应力-应变曲线的斜率减小。然后进入第二阶段，随着变形量的继续增加，位错密度不断增加，内部储存能也继续增加，当变形量达到动态再结晶临界变形程度时，将发生动态再结晶；随后随变形的继续进行，变形金属内部不断发生动态再结晶，应力不断下降[9]。

2.2 试验钢的显微组织研究

图3给出了在同一温度下以相同的变形量和相同形变速率进行压缩变形，不同冷速下的显微组织的变化。金相照片为放大500倍后的照片。当冷却速度为0.5 ℃/s时，组织中有大量的针状组织（af），少量的岛状组织（gb）和板条状组织（lb）；当冷速为1 ℃/s时，针状组织（af）减少，岛状组织（gb）和板条状组织（lb）增多，其中板条间距较大，可以近似看成是中温转变产物；当冷速继续增大时，针状组织（af）继续减少，冷速为10 ℃/s时，af已经基本消失，这时还存在非常少量的岛状组织（gb），组织基本上是以板条状组织（lb）为主；冷速继续增大时，岛状组织（gb）也随之减少，而且板条状组织（lb）的板条间距变小，组织细化，当冷速为20 ℃/s及以上时，组织以板条状组织（lb）为主。

2.3 试验钢显微硬度的研究

图4更直观的显示出试验钢的显微硬度随冷却速度的变化。可以看出，当冷速小于20 ℃/s时，随着冷速的增加，显微硬度值不断

增加；冷速超过20 ℃/s时，显微硬度值都维持在一个较高的水平上；与20 ℃/s的冷却速度相比，继续增大冷却速度，此时硬度值稍有下降。这种变化可能与实验过程中25 ℃/s和30 ℃/s冷却时，后期的冷速没有跟上有一定关系。

结合试验钢显微组织随冷却速度变化的金相照片，可以分析出，在较大的冷却速度下，可以得到细化的板条状组织，该组织可以赋予试验钢较高的强度和良好的韧性，是x120管线钢的目标组织。

3 结语

（1）通过对x120管线钢的双道次轧制的热加工模拟，由其应力-应变曲线可知，实验钢在850 ℃以1 s-1的应变速率、变形量为30%进行变形时，可发生了动态再

结晶。

（2）冷却速度的不同，试验钢的显微组织发生较大的变化，当冷速大于等于20 ℃/s时，可以得到细小的板条组织（lb），该组织是试验钢的目标组织。

（3）随着冷却速度的增加，实验钢的显微硬度值不断增加；冷却速度为20 ℃/s左右时，显微硬度值较大。

参考文献

[1] 肖英杰，孙常.x100/x120管线钢的研发和生产[j].焊管，2010，33（5）：67-71.

[2] 罗海文，董瀚.高级别管线钢x80～x120的研发与应用[j].中国冶金，2006，16（4）：9-15.