貧珠光體型管線鋼帶狀組織對性能影響研究

周茂奇 郭世寶 張振申 管劉輝

(安陽鋼鐵集團有限責任公司)

貧珠光體型管線鋼帶狀組織對性能影響研究

周茂奇 郭世寶 張振申 管劉輝

(安陽鋼鐵集團有限責任公司)

通過光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡對貧珠光體型管線鋼的帶狀組織形貌進行觀察，發現帶狀組織主要出現在鋼的厚度中心，以伴有少量M/A相的珠光體帶為主。帶狀組織的形成與成分偏析和TMCP工藝有密切關系，受工藝波動帶狀組織呈現出不同級別。本文通過對管線鋼卷板和鋼管的工業生產數據的統計分析，以及不同帶狀組織級別樣品的對比試驗，發現帶狀組織級別與材料強度、沖擊功、DWTT剪切面積等力學性能指標無明顯相關性，對材料各向異性、制管的包申格效應和落錘斷口無明顯影響，而對抗HIC性能具有一定影響。

帶狀組織 管線鋼 DWTT HIC

0 引言

一般來說，熱軋低碳鋼的帶狀組織是指沿鋼材軋制方向形成的，以先共析鐵素體為主的帶與以珠光體為主的帶彼此交替排列而成的組織形態，其形成原因，主要是鋼材熱軋后冷卻過程中發生相變時，鐵素體優先在由枝晶偏析和非金屬夾雜延伸而成的條帶中形成，導致鐵素體形成條帶，鐵素體條帶之間為珠光體帶，二者相間分布。帶狀組織的存在使鋼的組織不均勻，并對鋼的各向異性、沖擊韌性等有著重要影響，因此通常將帶狀組織列入檢驗規范，其評級辦法一般采用GB/T 13299。

對于X60－X70級別管線鋼而言，其組織類型通常為貧珠光體型(組織為PF+P+GB)，其帶狀組織主要是厚度1/2處的中心偏析造成的較嚴重的帶狀，這種帶狀往往呈不連續分布，形態復雜多樣，與鐵素體－珠光體帶有著明顯區別。行業內對高強度級別管線鋼帶狀組織評級通常是采用中石油企業標準，根據此評級辦法，貧珠光體型管線鋼有時出現3級甚至大于3級的帶狀組織。然而，對于這種中心偏析引起的帶狀組織，其級別對產品性能的影響程度，目前還少有研究。下面筆者就安鋼管線鋼工業生產過程中，不同級別的帶狀組織對制管前后力學性能、抗HIC性能等方面的影響進行分析闡述。

1 試驗方法

試驗材料為安鋼批量生產的X60級別管線鋼，鋼的化學成分見表1。

表1 化學成分 wt%

板卷采用TMCP工藝生產，制管工藝為螺旋埋弧焊。對管線鋼板卷和加工后的鋼管，均按照ASTM標準進行了各項力學性能檢驗，并按照中石油企業標準進行了帶狀組織的評級。

首先對不同級別的帶狀組織形貌進行了光學顯微鏡(OM)觀察，并對成分偏析情況通過SEM進行了能譜分析。為考察帶狀組織級別與材料力學性能指標的關系，選取一定批量的板卷工業生產檢測數據和鋼管工業生產檢測數據進行了對比統計分析。由于帶狀組織級別存在微觀的不均勻性，因此采用統計分析方法更加可靠。

此外，在板卷上各取帶狀組織為1級、2級和3.5級的三套試樣(編號分別為 A、B、C)，考查了各向異性、制管后包申格效應值、韌脆轉變曲線、落錘斷口及抗HIC性能等方面與帶狀組織級別的關系。

2 分析討論

2.1 帶狀組織形貌及形成原因

管線鋼的帶狀組織，一般是由于合金元素偏析引起［1－5］。根據試驗材料的化學成分，通過SEM在條帶和基體上對Mn元素進行能譜分析，結果如圖1所示，元素含量百分比見表2。

圖1 條帶和基體上Mn元素的能譜分析

表2 條帶與基體的能譜分析

由圖1、表2可以看出，材料中Mn元素明顯存在著中心偏析。帶狀組織的產生，在于連鑄坯在凝固過程中碳和其他元素一起發生枝晶偏析，使鋼中各區域存在化學成分的不均勻，從而各個區域的Ar3點溫度不同。當從奧氏體區冷卻發生相變時，鐵素體優先發生于臨界點較高的貧碳貧合金元素帶上，鐵素體的形成把碳進一步排斥到富碳、富合金帶中，最后轉變形成富碳的組織帶。因此帶狀組織與控軋控冷的條件有密切關系［3］。隨著終冷溫度、冷卻速度等參數的波動，帶狀組織的條數、寬度和分布集中度等隨之變化。根據對一定批量試驗材料的帶狀組織形貌進行觀察，帶狀組織主要出現在試樣厚度1/2處，在試樣表層和1/4處幾乎未出現帶狀組織。帶狀組織以珠光體帶為主，伴有少量M/A相。帶狀組織的連續性、密實程度、寬度和分布集中度呈現出復雜多樣的特點，其中3.5級帶狀組織相比于較輕微的帶狀組織，其特點主要在于條數較多且分布集中度較高。圖2所示帶狀組織級別為3.5級。

圖2 3.5級帶狀組織

2.2 帶狀組織與材料拉伸性能及包申格效應

表3為板卷檢驗和鋼管檢驗時不同帶狀級別的力學性能統計平均值，表4為不同帶狀組織級別的三組試樣A、B、C在制管后因包申格效應引起的強度變化。可見，無論是管線鋼板卷檢驗結果，還是加工后的鋼管檢驗結果，不同帶狀組織級別的拉伸性能差異均在性能的正常波動范圍內。

表3 板卷檢驗和鋼管檢驗時不同帶狀組織級別的拉伸性能

表4 不同帶狀組織級別下包申格效應引起的強度變化

可以認為，帶狀組織級別與強度和伸長率等拉伸試驗性能指標，以及與制管后包申格效應引起的強度變化值，均無明顯相關性。

2.3 帶狀組織與材料沖擊性能、DWTT性能

表5為板卷檢驗時不同帶狀級別的沖擊性能統計平均值，表6為鋼管檢驗時不同帶狀級別的沖擊性能統計平均值，圖3為不同帶狀組織級別的三組試樣A、B、C，在各試驗溫度下的沖擊功曲線。表7為板卷檢驗和鋼管檢驗時不同帶狀級別的DWTT性能統計平均值。

表5 板卷檢驗時不同帶狀組織級別的沖擊性能

表6 鋼管檢測時不同帶狀組織級別的沖擊性能

圖3 不同帶狀組織級別各溫度下的沖擊功

表7 板卷檢測和鋼管檢測時不同帶狀組織級別的DWTT性能

可見，不同帶狀組織級別的沖擊性能和DWTT性能指標差異值均很小，較高的帶狀組織級別并沒有引起沖擊功和DWTT的顯著惡化。可以認為，帶狀組織級別與沖擊性能和DWTT性能無明顯相關性。

2.4 帶狀組織與各向異性

表8給出了不同帶狀組織級別的A、B、C三組試樣，分別在橫向、縱向和45°方向的性能，并采用縱向、45°方向性能與橫向性能的比值作為考察各向異性的指標。可見，材料的各向異性情況均呈現出相似規律，帶狀組織級別對材料各向異性無明顯影響。

表8 不同帶狀組織級別下不同方向的性能

2.5 帶狀組織與落錘斷口

有文獻［3］認為帶狀組織的邊界引起應力集中，容易使DWTT斷口出現分離裂紋，從而導致DWTT剪切面積偏低。圖4為A、B、C三組樣品在－15℃下的DWTT斷口照片，可見均未發生斷口分離裂紋。其原因可能與帶狀組織的形貌特征有關。貧珠光體型管線鋼的帶狀組織，相比于典型的鐵素體－珠光體帶，其珠光體含量較少，帶狀與基體的硬度差異相對較小，且帶狀連續性不強，以致未引起嚴重的應力集中，所以沒有出現分離裂紋。

2.6 帶狀組織與抗HIC性能

圖4 同帶狀組織級別的DWTT斷口

氫致裂紋HIC是指金屬材料在含H2S介質的作用下，由電化學腐蝕過程中析出的氫進入金屬材料內部產生階梯型裂紋，這些裂紋的生長發育最終導致金屬材料發生開裂。對HIC敏感的冶金缺陷處，容易捕獲擴散的氫原子并產生HIC裂紋。有文獻［1－2］指出，控制帶狀組織級別的要求，其主要目的正是出于對鋼材抗HIC性能的考慮。

對帶狀組織為1級、2級和3.5級的試樣各取2組(每組3個試樣)，分別采用NACE TM0284－2003 B溶液(人工海水H2S飽和溶液，pH=5)和NACE TM0284－2003 A溶液(NaCl+CH3COOH的H2S飽和溶液，pH=3)進行HIC試驗，結果見表9。

表9 帶狀組織級別與抗HIC性能的關系

圖5 帶狀組織3.5級試樣在A溶液中產生的氫致裂紋

在B溶液中，三組試樣均未出現氫致裂紋;在A溶液中，1級、2級帶狀組織試樣未出現氫致裂紋，而3.5級帶狀組織試樣出現了氫致裂紋，如圖5所示。氫致裂紋出現在試樣厚度1/2處，與帶狀組織出現的位置吻合，且氫致裂紋的擴展方向基本沿帶狀方向，沒有向兩側擴展。

根據API 5L，當裂紋敏感率CLR≤15%，CTR≤5%，CSR≤2%，抗HIC性能符合標準規定的要求。由表8結果可見，3.5級帶狀組織的試樣通過了A溶液的抗HIC試驗。

試樣基體組織沒有出現氫致裂紋，以及氫致裂紋僅沿帶狀方向擴展，沒有向兩側擴展，此現象表明，基體組織具有較好的抗HIC性能。帶狀組織是此組織類型鋼中氫致裂紋產生并擴展的重要因素。

目前氫致裂紋產生的機理還存在爭議，有文獻［7－8］認為，對于少珠光體顯微組織，HIC 的裂紋源位置是M/A相聚集處或簇狀夾雜物處，裂紋以準解理的方式擴展。單獨的M/A相由于晶粒尺寸太小而不能作為單獨的裂紋形核位置，當M/A群島形成的裂紋尺寸達到準解理裂紋擴展的臨界值時，裂紋才得以擴展。所以基體組織中雖然也存在M/A相，但尺寸太小不會成為裂紋形核位置。帶狀組織中M/A相含量較高且分布不均勻，容易出現較大尺寸的M/A群島，為氫致裂紋的形成與擴展提供了有利條件，而M/A群島的分布狀況會對裂紋的擴展產生影響，裂紋沿著連接硬M/A相的鐵素體晶粒擴展，因此氫致裂紋與帶狀組織方向一致。

抗HIC性能的影響因素很多，一般來說，采用TMCP工藝生產的貧珠光體型管線鋼，具有S含量、夾雜物等控制水平較好、晶粒細小均勻等有利因素，基體組織不容易出現氫致裂紋，而帶狀組織以伴有少量M/A相的珠光體帶為主，板條貝氏體、馬氏體等相含量非常小，因此1級、2級帶狀組織產生氫致裂紋的概率很小，3.5級帶狀組織雖產生氫致裂紋，但裂紋敏感率指標仍能夠符合標準要求。

3 結論

1)對于采用TMCP工藝生產的貧珠光體型管線鋼，其帶狀組織因成分偏析所致，主要出現在厚度中心，以珠光體帶為主，伴有少量M/A相，并受TMCP工藝參數波動的影響，帶狀組織呈現出不同形貌和不同級別。

2)帶狀組織與管線鋼卷板及鋼管的強度、延伸率、沖擊功、DWTT剪切面積等性能指標無明顯相關性，對鋼的各向異性、制管的包申格效應無明顯影響。

3)帶狀組織并不顯著導致DWTT斷口出現分離裂紋，這與貧珠光體型管線鋼帶狀組織的形貌特征有關。

4)帶狀組織對材料抗HIC性能具有一定影響，但由于基體組織具有 較好的抗HIC性能，以及帶狀組織中除珠光體外其他硬相含量較小等原因，裂紋敏感率指標能夠符合標準要求。

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STUDY ON EFFECT OF BAND MICROSTRUCTURES OF DEFICIENT PEARLITE PIPELINE STEEL ON PROPERTY

Zhou Maoqi Guo Shibao Zhang Zhenshen Guan Liuhui

(Anyang Iron and Steel Group Co.，Ltd)

The band microstructures of deficient pearlite pipeline steel were studied by SEM and TEM，and it was found that the band microstructures mainly appeared in the thickness center of steel，and contained pearlite bands with small amount of M/A.The formation of band structures was closely related to the composition segregation and TMCP process，and band microstructure by process fluctuations showed different levels.Combining to industry production and contrast test between different levels，it was also found that the band of different levels had little influence on the anisotropy，bauschinger effect，DWTT facture surface and mechanical property such as strength，Akv and DWTT SA% ，but had influence on HIC properties.

band microstructure pipeline steelDWTT HIC

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聯系人:周茂奇，工程師，工學碩士，河南.安陽(455004)，安陽鋼鐵集團有限責任公司技術中心;

2011—4—19