高溫形變量對(duì)X70管線鋼組織性能的影響

麻力 虞毅

1. 海洋石油能源發(fā)展油田建設(shè)工程公司，天津塘沽 300452

2. 中海福建天然氣有限責(zé)任公司，福建福州 350000

高溫形變量對(duì)X70管線鋼組織性能的影響

麻力1虞毅2

1. 海洋石油能源發(fā)展油田建設(shè)工程公司，天津塘沽 300452

2. 中海福建天然氣有限責(zé)任公司，福建福州 350000

管線鋼在高溫形變過程中，其組織和性能將發(fā)生變化。本文采用熱模擬試驗(yàn)方法、力學(xué)性能測試技術(shù)及顯微分析技術(shù)研究了不同高溫形變量對(duì)X70管線鋼組織-性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：隨著形變量的增加，可使得X70管線鋼的沖擊韌性增加，韌性增加的原因是由于形變造成了針狀鐵素體和M/A組元的細(xì)化和鐵素體中位錯(cuò)密度的增加。

高溫形變；X70管線鋼；組織；性能

本文將以目前海洋石油中應(yīng)用的最高鋼級(jí)管線鋼X70為對(duì)象，研究材料在高溫形變過程中組織性能的變化規(guī)律，為海洋管線彎管的研究應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)，

1 試驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為X70管線鋼。

試樣位于板厚中部（沿板厚方向兩側(cè)加工）沿板材橫向取樣，即試樣長度方向垂直于鋼板軋向。采用冷加工方式加工到10.5× 10.5×55mm的試樣。

1.2 熱模擬試驗(yàn)

熱模擬技術(shù)是管線材料科學(xué)研究中的重要手段之一，采用熱模擬試驗(yàn)裝置進(jìn)行熱模擬試驗(yàn)不但可以模擬鋼材經(jīng)受的熱過程，而且可以模擬鋼材經(jīng)受的應(yīng)力、應(yīng)變過程，從而可以研究石油管工程材料經(jīng)受不同的加熱、冷卻、應(yīng)力、應(yīng)變循環(huán)對(duì)組織、性能的影響，為管線材料研究、正確選材和失效分析提供依據(jù)。采用熱模擬技術(shù)可以用較少的材料和費(fèi)用取得較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，節(jié)省時(shí)間和費(fèi)用，已成為材料組織性能研究及熱加工工藝的重要方法。

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容及步驟

實(shí)驗(yàn)在Gleeble-1500熱模擬機(jī)上進(jìn)行。采用熱模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究不同變形量奧氏體經(jīng)工藝處理后組織轉(zhuǎn)變的特征將試樣以20℃/s的加熱速率加熱到變形溫度950℃，保溫5min，之后再以不同的形變量進(jìn)行形變處理，形變量分別為0.1、0.2、0.4、0.6，形變速率為0.1/s。變形后以60℃/s 的冷卻速率冷卻到室溫，之后再在箱式爐中進(jìn)行550℃保溫1小時(shí)的回火處理。

將處理完的試樣進(jìn)行進(jìn)一步精加工，加工成10×10×55mm的標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣，并開制V型缺口，在-20℃下進(jìn)行沖擊韌性試驗(yàn)。對(duì)試樣進(jìn)行磨制和拋光處理，并采用4%的硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，之后進(jìn)行金相光學(xué)和透射電鏡組織觀察。光學(xué)顯微組織分析在RECHART MEF3A型顯微鏡上進(jìn)行，透射電子顯微分析在JEM 200CX型顯微鏡上進(jìn)行，掃描電子顯微分析在S—360型顯微鏡上進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

不同形變量下X70管線鋼沖擊韌性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同形變量對(duì)X70管線鋼韌性的影響

由圖1可以看出，隨著形變量的增加，X70管線鋼的沖擊韌性呈現(xiàn)逐漸增大的變化趨勢。仔細(xì)觀察還可以看出，在較小的應(yīng)變量下（0.2%以下），沖擊韌性的增加趨勢較大，而當(dāng)形變量較大時(shí)（大于0.2%），沖擊韌性的增加量較小。

材料性能的變化是由材料的微觀組織所決定的。圖2為不同應(yīng)變量下試驗(yàn)鋼的光學(xué)顯微組織。

由圖2可以看出：在不同的形變量下，試驗(yàn)鋼的顯微組織都由板條狀的貝氏體鐵素體、粒狀鐵素體和少量的多邊形鐵素體組成。但各組織的形態(tài)、數(shù)量和尺寸則隨著形變量的增大而變化。在形變量為0時(shí)（圖2(a)，貝氏體鐵素體占據(jù)了大多數(shù)，粒狀鐵素體和多邊形鐵素體含量較少,此時(shí)的晶粒尺寸較大，為40～50微米左右。隨著形變量的增加，可以很明顯地看到，晶粒的尺寸顯著減小，組織更加均勻(圖2(d))，粒狀鐵素體的含量有所增加，因而材料的沖擊性能得到了一定的提高。

形變促使材料性能變化的原因之一，是因?yàn)樾巫冞^程促使奧氏體晶粒減小和變形帶的形成，從而促使相變核心增多，有利于細(xì)小針狀鐵素體的獲得（圖3）。這時(shí)可觀察到沿形變核心多位向形成的板條（圖4）。隨形變量的增加，針狀鐵素體和M-A細(xì)化，有利于材料性能的提高。

形變促使材料性能變化的另一原因，是因?yàn)樾巫兇偈刮诲e(cuò)密度增加。圖5顯示了在不同形變量下板條貝氏體和針狀鐵素體中位錯(cuò)密度的變化。材料位錯(cuò)密度的增加有利于材料強(qiáng)韌性的提高。

圖2 不同形變量下X70管線鋼的光學(xué)顯微組織 400X

圖3 試驗(yàn)鋼針狀鐵素體形態(tài)

圖4 多位向針狀鐵素體形態(tài)

圖5 不同形變量下的位錯(cuò)密度

3 結(jié)論

利用熱模擬實(shí)驗(yàn)方法研究了管線鋼X70管線鋼在高溫變形后的組織與性能的轉(zhuǎn)變規(guī)律所得結(jié)論如下：隨形變量的增加，X70管線鋼的韌性增加。隨形變量的增加，針狀鐵素體和M-A細(xì)化，貝氏體鐵素體和粒狀鐵素體中位錯(cuò)密度的增加，有利于材料沖擊韌性的提高。

[1] 高惠臨,張驍勇,馮耀榮,等. 管線鋼的研究進(jìn)展[J].機(jī)械工程材料.2009, 33(10):1-4

[2] 張驍勇,高惠臨. X70管線鋼感應(yīng)加熱彎管工藝參數(shù)的熱模擬試驗(yàn)[J].熱加工工藝. 2005,35(9): 34-38

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.13.059