三種不同顯微組織的高鋼級管線鋼EBSD表征

覃波 吳安如 陳娟

摘 要：基于高鋼級管線鋼的成分體系，建立雙亞點陣模型：（Nbx，Ti1-x）（ CyN1-y ）-AlN復合析出的熱力學模型，計算出800℃～1450℃溫度區間內兩種不同Nb含量的管線鋼中碳氮化物復合析出數據，并于Jmatpro軟件計算結果進行比較，結果表明：Nb含量的增加，提高了Nb的全固溶溫度，擴大了高溫析出溫度區域；Ti元素1200℃～1450℃溫度區間內析出速度很快，1200℃時兩種成分鋼中Ti的析出量均大于50%；800℃平衡態時，析出物均以NbC為主；Nb對Ti元素的交互作用，間接影響到AlN的析出。熱力學計算結果與JMatpro軟件計算結果進行比較，試驗數據有著良好的一致性。

關鍵詞：鈮；管線鋼；碳氮化物；熱力學模型

現代管線鋼生產中，通過成分、組織和控軋控冷工藝優化來提高管線鋼的綜合力學性能。管線鋼的混合組織控制對其強韌性有著重要的影響。

多邊形鐵素體和塊狀鐵素體轉變溫度較高，可以提高鋼的塑性。貝氏體鐵素體和粒狀貝氏體，二者相變溫度區間基本相同，冷卻速度決定相變類型，同時還伴有一定體積分數的馬奧組元有著較高的強度。冷速越快，馬奧組元越細小。

貝氏體鐵素體TEM下觀察到許多高位錯密度板條結構，板條間為小角度晶界，板條在晶界處形核向晶內生長。EBSD 技術在材料微觀組織結構分析、晶粒尺寸、取向差分析、相鑒定與分布以及微織構中已得到廣泛應用。鋼材的強韌性和大角晶界的分布和密度（頻率）存在很密切的聯系。

1 實驗材料與方法

EBSD試樣制備過程如下：

1）用線切割方法切割試樣尺寸為10mm×10mm×4mm；2）用丙酮去除表面油污后，在水砂紙上進行由粗到細研磨，目的是去除試樣表面切割后產生的表面浮雕和切割痕。將細磨后的試樣電解拋光，去除表面的應力層。

對管線鋼而言，確定組織中的有效晶粒尺寸很重要，因為晶粒大小是決定著強度和韌性的首要因素。目前對金屬材料晶粒尺寸的表征依賴于金相組織的晶界，但受制樣手段及顯微鏡分辨率的限制，某些特殊的晶界，如小角度晶界很難用常規的腐蝕方法顯示出來，從而造成統計的晶粒尺寸與實際尺寸有一定的偏差，且效率極低，進而使通過光學顯微鏡和SEM測定貝氏體的晶粒尺寸比較困難。

貝氏體在光學顯微鏡下沒有襯度差，均成亮白色，雖然可以通過鐵素體內的M-A島的分布或板條束取向區分不同的晶粒，但是操作上很困難，且誤差也很大。

EBSD自動分析技術可以獲得樣品中不同晶粒之間的取向差，通過取向成像技術，重構出與取向有關的微觀組織結構，從而對晶粒尺寸進行快速定量表征。

M.Diaz-Fuentes等人利用EBSD研究了低碳鋼的韌性行為，發現脆性裂紋只有在晶界取向差最小為15°及以上時才發生較顯著的反射。由此可知，在高級別管線鋼中，只有那些晶界取向差大于15°的組織單元，即晶粒才是控制高鋼級管線鋼組織性能的有效晶粒。

表2中不同試樣的晶粒尺寸。冷速為20℃/s，卷取溫度為400℃的試樣的有效晶粒尺寸為4.04μm。降低卷取溫度到350℃，保持冷速不變，有效晶粒尺寸為2.77μm。降低卷取溫度，晶粒尺寸明顯變細，組織類型變化不大，這可以解釋材料屈服強度和抗拉強度增加的同時，延伸率和沖擊功同步增加。保持卷取溫度不變，冷速提高到25℃/s時，強度增加，但延伸率和沖擊功下降。

表2中給出的有效晶粒尺寸為2.70μm，可知提高冷速，組織中的晶粒尺寸雖說細化了，但變化不大。這時起決定作用的是組織類型的轉變，組織中的粒狀貝氏體幾乎被貝氏體鐵素體所取代，使強度急劇增加，韌性下降。在此工藝條件下獲得的力學性能都可以滿足X120管線鋼的要求。

綜上所述，提高冷速和降低卷取溫度，都可以使屈服強度和抗拉強度增加，但冷速對性能的影響較大。上述獲得的力學性能中的抗拉強度和屈服強度普遍偏高，延伸率相對較低，可以通過進一步降低冷速來獲得綜合力學性能良好的X100管線鋼。若想獲得滿足X120級別的管線鋼，其工藝參數可采取2a-3中的工藝參數，為進一步研究更高級別的管線鋼提供參考依據。

參考文獻：

[1] 胡美娟，李炎華，吉玲康，楊放，池強.X65MS酸性服役管線鋼焊接性研究[J].焊管，2014（11）.

作者簡介： 覃波，博士研究生在讀，研究方向：高強高導高彈性銅合金材料研究與開發、鎂合金、無損檢測。