管線鋼微觀組織特性與強韌性關系綜述

賈玉萍

（山東萊克工程設計有限公司，山東 東營 257001）

一、引言

管線鋼應用于各種不同的氣候環境，因此要具有抵抗各種惡劣服役條件的能力，如高強度、高韌性、低的韌脆轉變溫度等。一般而言，金屬材料的性能是由內部的微觀組織特征決定的，而管線鋼之所以具備高強韌性能，與其良好的微觀組織特征密切相關。本文從晶粒尺寸、組織類型、非金屬夾雜物、帶狀組織方面分析微觀組織對強韌性的影響。

二、晶粒尺寸

晶粒尺寸是影響管線鋼強韌性能的重要因素。細小的晶粒可以提高材料的強度和改善材料的韌性。管線鋼屈服強度與晶粒大小的關系符合Hall-Petch關系式[1]：

σy =σi+kd - 1/ 2

其中，σi 和k是兩個和材料有關的常數，d為平均晶粒尺寸。

一般來說，晶粒細化對屈服強度影響要大一些。因此，隨著管線鋼強度的提高，所需晶粒尺寸越細小，而屈服強度相對于抗拉強度提高更快，導致屈強比升高，即高鋼級管線鋼屈強比指標相對于低鋼級管線鋼來說更難控制。基于此，管線鋼標準中對于高級別管線鋼放寬了對屈強比的要求。從B級到X80級別，API 5L及GB/T 9711中對于屈強比的要求均為從0.88提升至0.93。用于描述晶粒尺寸大小的參數為晶粒度。晶粒度值越大，表示晶粒越細小。晶粒度可以作為一個衡量管線鋼綜合力學性能的重要指標。

傳統的晶粒度測試方法是使用化學試劑腐蝕出晶界來區分不同的組織，并通過與標準評級圖對比來評定晶粒度級別。根據ASTM E112晶粒度評級方法，隨著晶粒度級別提高，晶粒尺寸減小。當晶粒度10級以上時，實際晶粒尺寸差別較小，如圖1所示，此時已難以精確確定晶粒度級別。

圖1 管線鋼晶粒尺寸與晶粒度對應圖

除此之外，使用傳統方法對晶粒度進行測量，經常會有某些組織難以顯示出來，特別是管線鋼，其組織十分復雜。Smith Y E等認為，X80中的針狀鐵素體，通常顯示為獨特的不規則形狀，晶粒大小不等，相互之間的位相關系不定，呈混雜分布狀態，這就使得通過傳統方法評定出的晶粒度往往不準確，并不能很好地反映材料的性能。

三、組織類型

不同鋼級的管線鋼其組織類型不同。鐵素體加珠光體型管線鋼強度級別較低，且由于大量珠光體的存在，鐵素體加珠光體型管線鋼韌性較差，一般為X60及以下鋼級，為管線鋼最初發展時的組織形態，現代管線鋼已經很少有此種組織類型。

貧珠光體型管線鋼是鐵素體加珠光體型管線鋼的升級。通過降低管線鋼中的碳含量，大大減少組織中珠光體的比例，通過控制軋制（TM）工藝保障鋼的強度。此種組織管線鋼在保證較高強度的同時保證了良好的韌性。一般X70及以下鋼級可為此種組織，材料最終狀態為熱軋狀態。

與鐵素體-珠光體型/貧珠光體型管線鋼相比，針狀鐵素體型管線鋼具有更加優良的強韌性能。目前對于一般天然氣長輸管線線路用管，X70、X80鋼級要求為針狀鐵素體型管線鋼。組織類型除影響管線鋼的強度與韌性外，對管線鋼抗變形能力（主要通過屈強比指標體現）也有很大影響。硬相與軟相的復合組織管線鋼具有較強的變形能力（較低的屈強比）。硬相貝氏體或馬氏體（M-A）的存在會使鋼的加工硬化能力增加，能夠承受較大的變形。兩相組織的比例、分布及顯微組織形態的優化是決定材料綜合力學性能的關鍵。硬相為管線鋼提供必要的強度，軟相保證足夠的塑性。

四、非金屬夾雜物

鋼中不具有金屬性質的氧化物、硫化物、硅酸鹽、氧化物等均稱為非金屬夾雜物。鋼中非金屬夾雜物可分為A類（硫化物類）、B類（氧化鋁類）、C類（硅酸鹽類）、D類（球狀氧化物類）。高鋼級管線鋼中最大尺寸夾雜物的評估有助于預測鋼的力學性能和根據夾雜物的尺寸估量使用過程中的潛在危險。

非金屬夾雜物作為管線鋼缺陷的一種，一般以獨立相存在于管線鋼中。非金屬夾雜物一般對屈服強度和抗拉強度影響不大，但因其破壞了鋼基體的連續性，增加了鋼組織的不均勻性，因而對管線鋼的韌性不利，會加速裂紋的擴展。條帶狀塑性夾雜物和點鏈狀脆性夾雜物還會引起材料力學性能的方向性，使材料的橫向塑性低于縱向的。

為減少鋼中非金屬夾雜物對材料韌性的影響，可要求管線鋼生產過程中進行鈣處理，使夾雜物球化。但是若在鈣處理的過程中加鈣量不當，可導致出現大型CaO夾雜物或MnS夾雜物，導致材料韌性惡化，所以一般需要控制Ca/S，有效減輕大型夾雜物和硫化物對材料韌性的影響。

五、帶狀組織

高級別管線鋼中存在形式多樣的帶狀組織，包括珠光體帶、M/A帶、貝氏體/馬氏體帶、針狀鐵素體帶等。帶狀組織的級別是以M/A或珠光體組織條帶條數，同時根據其在視域內的貫穿程度、連續性以及與夾雜物的相關性評定的。

帶狀組織容易使材料變形時產生各向異性，且管線鋼中的帶狀組織強度、硬度一般往往高于基體，當材料發生變形時，帶狀組織和基體由于變形不同步，其相交界面容易產生裂紋，影響材料韌性。

此外，帶狀組織中往往伴生著非金屬夾雜物，夾雜物與基體結合界面是材料止裂部位最弱的位置，當受到外力載荷之后，產生應力集中，沿厚度方向離面應力超過材料薄弱界面的強度時，分離裂紋將會在試樣厚度中心附近帶狀組織薄弱界面處首先產生，導致DWTT低溫止裂性能變差。目前對于X70、X80，一般要求帶狀組織應不大于3級。