X120管線鋼形變奧氏體連續冷卻轉變特性的研究

（長城汽車股份有限公司技術中心 河北省汽車安全一體化與智能控制重點實驗室 河北保定 071000）

摘 要：采用Gleeble3500熱力學模擬試驗機對X120管線鋼進行雙道次熱壓縮變形試驗，分析了其壓縮過程的應力-應變曲線，在850 ℃以

1 s-1的應變速率、變形量為30%進行變形時，可發生動態再結晶。該文著重探討了控軋控冷工藝參數對X120管線鋼顯微組織、力學性能的影響規律，在快冷的條件下可以得到目標組織-細小的板條組織（LB），試驗鋼的力學性能隨著冷卻速度的增加而呈現增大的趨勢。

關鍵詞：管線鋼 Gleeble3500 動態再結晶 板條組織 力學性能

中圖分類號：TG335 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）12（c）-000-02

近年來，隨著世界經濟的快速發展，對石油、天然氣的需求不斷增加。要求開發長距離輸送石油、天然氣的高強度等級管線鋼的經濟驅動力也在不斷增加，由此產生的第一個結果就是目前在國際標準中曾長期處于最高鋼級的X70已被X80取代。另一方面，X100以及在小范圍的X120正處于積極的開發階段[1-3]。一些發達國家已經在X120管線鋼研究過程中取得了一定的成果。

熱機械控制加工（Thermo Mechanical Controlling Processing，簡稱TMCP）國內也稱為控軋控冷，是一種廣泛應用于改善HSLA鋼組織性能的熱加工工藝，控制軋制和控制冷卻代表了高強度低合金鋼的發展方向[4]。近20年來，這項技術得到國際冶金界的極大重視，并在管線鋼的生產上取得了卓有成效的應用。管線鋼經控制軋制后再控制冷卻可以獲得組織和性能優良的線材，可以滿足工程上的要求。該文研究的目的是基于不改變現有管線鋼化學成分的情況下，為優化TMCP工藝，為得到滿足工程需要的優質管線鋼提供必要的數據和理論支持。

1 試驗材料和試驗方法

1.1 試驗材料

實驗用鋼為武鋼提供的X120管線鋼，其化學成分見表1。

1.2 試驗方法

將試樣（Φ10×85.5 mm）以10 ℃/s加熱到1200 ℃，保溫5 min后，以5 ℃/s冷卻到1100 ℃，保溫10 s后，以1 s-1的應變速率進行壓縮變形，變形量為35 %（第一階段變形工藝）；變形結束后，隨即以

5 ℃/s冷卻到850 ℃，保溫10 s后，以1 s-1的應變速率進行壓縮變形，變形量為30%（第二階段變形工藝）；軋后直接進行冷卻，控制冷卻速度式溫度降到200 ℃，冷卻速度分別為0.5、1、2.5、5、7.5、10、15、20、25、30（℃/s）。試樣經線切割、研磨和拋光后用4 %硝酸酒精侵蝕，采用ZEISS光學顯微鏡觀察并分析不同冷卻速度條件下的組織形貌，得到金相照片。用萊卡顯微硬度計測定不同冷卻速度下的試樣硬度，硬度是隨機在試樣上取五點，計算平均值得出的。其工藝曲線如圖1所示。

其中真應力σ、真應變ε與載荷F、原始截面積、瞬時標距長度L1、原始標距L0有以下關系：

2 結果與討論

2.1 采用Origin軟件繪出應力-應變曲線，分析再結晶現象

圖2給出了試驗鋼雙道次壓縮應力-應變曲線，應變速率為1 s-1。奧氏體熱加工是加工硬化和高溫動態軟化同時進行的過程[5]。在熱變形過程中可以出現兩類軟化曲線。第一類，隨著變形的進行，流變應力不斷增大，當應力達到一定值后，σ-ε曲線出現平臺，沒有應力下降現象，一般稱該類曲線為動態回復型應力應變曲線，如本實驗中的第一次軋制過程；第二類，隨著變形的進行，材料的流變應力不斷增加，逐漸達到一個峰值，然后流變應力不斷下降至一穩定態值后保持不變，該類曲線通常為動態再結晶型應力-應變曲線，如本實驗中第二次軋制過程。從圖2可以看出，第二條曲線中流變應力隨變形量不斷增加，并在A點處出現一個峰值，隨后流變應力下降。由此可以知道，實驗鋼在850 ℃ 以1 s-1的應變速率、變形量為30%進行變形時，發生了動態再結晶現象。在熱軋過程中動態再結晶可以有效地細化粗大的鑄態組織[6]，從而改善管線鋼的力學性能。

變形溫度從1100 ℃變到850 ℃時，變形溫度的降低，變形抗力增大[7]。高溫奧氏體變形中，加工硬化和動態軟化兩種機制同時起作用[8]，在變形初期，加工硬化的作用占據主導地位，隨著變形溫度的增加，位錯密度不斷增加，使變形應力不斷上升。同時，由于變形在高溫下進行，位錯在變形過程中通過滑移和攀移的方式運動而產生動態回復，加工硬化效應逐漸減弱，應力-應變曲線的斜率減小。然后進入第二階段，隨著變形量的繼續增加，位錯密度不斷增加，內部儲存能也繼續增加，當變形量達到動態再結晶臨界變形程度時，將發生動態再結晶；隨后隨變形的繼續進行，變形金屬內部不斷發生動態再結晶，應力不斷下降[9]。

2.2 試驗鋼的顯微組織研究

圖3給出了在同一溫度下以相同的變形量和相同形變速率進行壓縮變形，不同冷速下的顯微組織的變化。金相照片為放大500倍后的照片。當冷卻速度為0.5 ℃/s時，組織中有大量的針狀組織（AF），少量的島狀組織（GB）和板條狀組織（LB）；當冷速為1 ℃/s時，針狀組織（AF）減少，島狀組織（GB）和板條狀組織（LB）增多，其中板條間距較大，可以近似看成是中溫轉變產物；當冷速繼續增大時，針狀組織（AF）繼續減少，冷速為10 ℃/s時，AF已經基本消失，這時還存在非常少量的島狀組織（GB），組織基本上是以板條狀組織（LB）為主；冷速繼續增大時，島狀組織（GB）也隨之減少，而且板條狀組織（LB）的板條間距變小，組織細化，當冷速為20 ℃/s及以上時，組織以板條狀組織（LB）為主。

2.3 試驗鋼顯微硬度的研究

圖4更直觀的顯示出試驗鋼的顯微硬度隨冷卻速度的變化。可以看出，當冷速小于20 ℃/s時，隨著冷速的增加，顯微硬度值不斷增加；冷速超過20 ℃/s時，顯微硬度值都維持在一個較高的水平上；與20 ℃/s的冷卻速度相比，繼續增大冷卻速度，此時硬度值稍有下降。這種變化可能與實驗過程中25 ℃/s和30 ℃/s冷卻時，后期的冷速沒有跟上有一定關系。

結合試驗鋼顯微組織隨冷卻速度變化的金相照片，可以分析出，在較大的冷卻速度下，可以得到細化的板條狀組織，該組織可以賦予試驗鋼較高的強度和良好的韌性，是X120管線鋼的目標組織。

3 結語

（1）通過對X120管線鋼的雙道次軋制的熱加工模擬，由其應力-應變曲線可知，實驗鋼在850 ℃以1 s-1的應變速率、變形量為30%進行變形時，可發生了動態再

結晶。

（2）冷卻速度的不同，試驗鋼的顯微組織發生較大的變化，當冷速大于等于20 ℃/s時，可以得到細小的板條組織（LB），該組織是試驗鋼的目標組織。

（3）隨著冷卻速度的增加，實驗鋼的顯微硬度值不斷增加；冷卻速度為20 ℃/s左右時，顯微硬度值較大。

參考文獻

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