管线钢中针状铁素体的形成及其强韧性的分析

手段, 进一步分析了针状铁素体组织的微观结构特征和 力学性能. 结果表明, 针状铁素体组织 中彼此咬合 的
细小针状片条束、高密度位错和弥散析出相等 微观结构特征对提高材料的强韧性具有重要作用.
关键词: 管线钢; 针状铁素体; 力学性能
中图分类号: T G142. 1
文献标识码: A
文章编号: 1005 0299( 2001) 04 0356 03
图 2 热扎试样的针状铁素体的 SEM 照片 Fig. 2 SEM micrograph of acicular ferrite in a hot rolled sample
图 3 针状铁素体组织在 T EM 下结构特征 ( a) 亚结构和高密度的位错 ( b) M / A 岛 F ig. 3 T EM microstructural characterist ics of acicular fer r ite
2 实验结果与讨论
图 1 示出了实验所测得的 CCT 图, 对其中 4 条典型冷却曲线进行分析. 在以 50 / s 连续冷 却时, 相变 组 织主 要为 BC2 ; 在冷 却 速度 降 低到 10 / s时, 相变组织主要为 AF; 在冷却速度降低 到 1 / s 时, PF 在高温阶段首先形核长大, 随着 冷却过程的进行, 残余 转变成 BP3 , 最终组织为 PF+ BP3; 在冷却速度降低到只有 0. 1 / s 时, PF 在高温阶段首先形核长大, 随着冷却过程的进行, 残余 转变成珠光体 P , 最终组织为 PF + P . 通过 对过冷奥氏体相变规律的分析并结合图 1, 对实 验用钢, 在非恒温的过冷奥氏体的连续冷却相变 中获得针状铁素体可以在 10 / s 左右的一个较 大的 冷 却 速 度 范 围 实 现, 在 冷 却 速 度 低 于 0. 4 / s时, 主要促进了多边形铁素 体和珠光体 的形成, 而在冷却速度大于 3 / s 时, 则多边形 铁素体的形成也受到抑制.
对于输油气管线钢, 最重要的性能是韧性和 抗 H2S 腐蚀性[ 1] , 获 得优良的组织, 尽可能地提 高材料的韧性和抗蚀性, 是人们长期努力的方向. 合理的化学成分设计是获得优良的组织、提高产 品最终性能的途径之一; 严格控制热加工工艺
收稿日期: 2001- 03- 10. 基金项目: 国 家 973 新 一代 钢 铁 材料 重 大基 础 研 究资 助 项 目
第9卷 第4期 2 001 年12月
材料科学与工艺 MAT ERIAL S SCIENCE & T ECH NOLOGY
V ol. 9 No. 4 Dec. 2001
管线钢中针状铁素体的形成及其强韧性的分析
赵明纯1, 单以银1 , 肖福仁1, 李玉海1, 2 , 杨 柯1
( 1. 中国科学院 金属研究所, 辽宁 沈阳 110016; 2. 沈阳工业学院, 辽宁 沈阳 110016)
( G1998061511). 作者简介: 赵明纯( 1974- ) , 男, 博士生;
杨 柯( 1962- ) , 男, 教授, 博士生导师.
( T MCP) 则是另一种获得优良组织和性能的有效 方法, 而后者更符合现代管线钢的发展趋势. 随 着对石油和天然气的极大需求, 追求优良性能的 管线钢已变得更为迫切. 研究表明[ 25] , 针状铁素 体组织( 常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. 为了获得这种优良的组织, 并为高性能管 线钢的发展奠定技术基础, 本文针对已有的为抗 H2S 腐蚀而设计的 X60 管线钢, 利用 T M CP 优化
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材料科学与工艺
ຫໍສະໝຸດ Baidu
第 9卷
进一步比板材提高. 与传统的钢种相比, 针状铁 素体由于其特殊的微观结构特征, 而具有不同的 强韧化机理. 根据断裂过程从断裂单元进行的有
针状铁素体条束的阻碍, 从而有效地提高了其强 韧性. 同时细小的 M / A 岛和弥散分布的碳氮化 物, 不足以构成裂纹临界尺寸, 不易激发裂纹. 已 有研究表明, 裂纹 遇到 M/ A 岛和碳 氮化物析出 物常常发生转折, 表现出对裂纹的强烈阻滞作用, 并且 M / A 岛中的残余奥氏体是一种有利的韧性 相, 可降 低裂纹尖 端应力, 消耗 部分扩 展功. 因 而, 针状铁素体组织具有优良的强韧性.
自 40 mm 厚的热轧中间坯. 利用 Formastor - F 热膨胀仪研 究过冷奥氏
体相变规律, 试样 ( 3 mm 10 m m) 取自实验用 钢的中间坯, 将其 在 1 150 , 保温 10 min 后在 系列冷却速度下测试.
热轧实 验在 370 mm 二辊 实验 轧机 上进 行, 板坯加热温度为 1 200 , 在不同温度下进行 多道 次 控 轧, 控 轧 道 次 压 下 分 配 为 40 mm 30 mm 20 mm 12 m m 8 mm. 轧后立 即冷 却, 终冷后放在 500 的 模拟卷取炉中保温 1 h 后随炉模拟卷取.
根据形变诱发相变理论, 对同一种材料, 与静 态相变过程相比, 动态相变曲线将向左上角移动,
两者相变曲线形状可能有所不同, 但相变产物有 一个大 致对 应关 系, 参 照 M anohar 等 人的 研究 结果[ 7] , 形变诱发相变可使相变区域左移 10 / s
图 1 实验用钢的 连续冷却相变曲线 Fig. 1 T he continuous cooling transfor matio n ( CC5T ) dia
力学性能测试结果见表 1, 可以看出材料无 明显屈服行为, 试样具有较高的强度和良好的冲 击韧性, 相对实际生产中的板材( 在表 1 中同时给 出) , 力学性能明显得到改善.
实验用钢在 T MCP 后具有优良的力学性能, 是由于获得了针状铁素体组织. 针状铁素体具有 高密度的可移动位错, 易于实现多滑移, 因而无明 显屈服行为, 这使得在管线钢板材的钢管成形和 扩管时, 形变硬化大于压平拉伸试样的包申格效 应, 这种特性可保证在钢管成形过程中, 强度将会
Abstract: T he phase transformation of super cooled aust enit e w as invest igated for a commercial pipeline st eel by measuring t he cont inuous cooling t ransformat ion diagram ( CCT ) . Based on t he investigation on t he format ion of diff erent microst ruct ures, t he t hermo mechanical cont rol process ( T MCP) was decided to ob t ain acicular ferrite in t he experiment al st eel, which was designed as a t wo stag e controlled rolling follow ed by a controlled cooling w ith a cooling rat e of 30 / s. T he microstruct ural charact eristics and mechanical propert ies of the hot rolled steel w ere analy zed by means of mechanical t est ing and microstructural analysis. T he experiment al result s showed t hat , in t he microstructural characterist ics of acicular f errite t he int erw o ven nonparallel ferrit e lat hs, f airly hig h dislocat ion densit ies and fine dispersed precipitations can play im port ant roles in t he enhancement of strengt h and toughness of the m at erial. Key words: pipeline st eel; acicular ferrit e; mechanical propert y
Study on formation and strength & toughness behavior of acicular ferrite in a pipeline steel
ZHA O Ming chun1, SHA N Y i yin1, X IAO F u ren1, L I Y u hai1, 2, YA NG K e1
拉伸和冲击试样均从热轧试样板材的中心部 位横向截取, 试验参照 AST M E- 8M( 96) 标准进 行, 拉伸在 SCHENCK- 100 kN 型电液伺服拉伸 试验机上进行.
组织 分 析 在 Camridge - S360 型 扫 描 电 镜 ( SEM) 和 JEM2000FX- 型透射电镜( TEM) 上进 行, 参照 Bramfitt 等人提出的分类体系[ 6] 进行显微 组织分类, BC2 为经典的上贝氏体, AF 为针状铁素 体, PF 为多边形铁素体, BP3 为退化珠光体.
热轧后对热 轧试样进行组织分析. SEM 组 织呈不规则非多边形状, 晶界模糊, 没有 完整 的 连续的晶界, 粒度参差不一, 在晶粒中隐约可观察 到由浮凸和析出相所 勾勒出的亚晶条纹 ( 见图 2) . 在 T EM 下观察其微观结构, 组织中具 有高密度的位错和极细小的弥散分布的碳氮化物 ( 见图3( a) ) ; 并在细板条束内或板条束之间分布 着一些细小的岛状物( 见图 3( b) ) . 微区探针分析 显示其碳浓度明显高于周围基体, 表明这些岛状 物是富碳的 M/ A 岛.
gr am of thetested steel
以上. 对实验用钢, 将其应用到 TM CP 实验中, 若 要获得针状铁素体组织, 热轧后试样在冷却速度范 围( 20~ 30 / s) 就可实现. 根据文献[ 8] 的研究结 果, 进行两阶段( 再结晶区+ 未再结晶区) 多道 次控轧可明显细化晶粒, 并在一定的冷却速度范围 内提高冷却速度, 针状铁素体的含量增多, 由此制 定两阶段多道次控轧和 30 / s 控冷的工艺制度, 以期获得细小的针状铁素体组织, 其中初轧温度为 1 100 , 终轧温度 900 , 终冷温度 500 .
组织并对其强韧性机理进行了较系统的分析.
第4期
赵明纯, 等: 管线钢中针状铁素体的形成及其强韧性的 分析
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1 实验材料及方法
实验 用 钢 的 化 学 成 分 ( w ( B ) / % ) 为:
C0. 07, Si0. 25, Mn0. 9, Cu0. 2, Ni0. 2, Nb0. 04,
V0. 04, T i0. 015, Al0. 023, ( S+ P+ O + N) 165 10- 6. 热轧试样( 40 mm 140 mm 80 mm) 取
摘 要: 通过对一种商业用管线钢连续冷却相变曲线( CCT ) 的测定, 研究了过冷奥氏体的相变规律. 在分析
显微组织形成规律的基础上, 确定了能够在实验 用钢中 获得针 状铁素 体组织 的控制热 加工工 艺( T M CP ) 制
度, 即制定两阶段多道次控制轧制和冷却速度 为 30 / s 控制冷却的工艺制 度, 并利 用力学试 验及微观分 析
( 1. Institute of M etal R esearch, T he Chinese Academy o f Sciences, Shenyang 110016, China; 2. Shenyang Institute of T echnology , Shenyang 110016, China)