含鐵素體/珠光體帶狀組織管線鋼熱變形行為研究*

劉玉江，王莎莎，賈 涵，靳云露，李靜宜

（天津商業大學機械工程學院，天津 300134）

高強度低合金管線鋼中添加的合金元素會引起成分微觀偏析，進而導致帶狀組織的出現［1-2］。作為一種常見缺陷組織，帶狀組織會嚴重影響鋼的力學性能。例如，帶狀組織會引起鋼的各向異性，降低鋼的強度等［3-4］。近年來，許多研究工作關注于帶狀組織的形態與鋼的力學行為之間的關系［5-7］，其引起的鋼的各向異性已經通過帶狀組織的微觀變形得到了很好的解釋。由于原油需要在高溫高壓下運輸，并且管道鋼的埋地環境復雜，管道鋼的熱變形是不可避免［8-9］。但是目前少有文獻關注帶狀組織對管線鋼熱變形的影響。熱膨脹系數（Coefficient of Thermal Expansion，CTE）是表征材料熱變形的重要參數，可以使用多種方法測量，例如膨脹計測試、應變儀、干涉測量方法，數字圖像相關（Digital Image Correlation，DIC）技術等［10-12］。膨脹計測試和應變儀方法無法測量全場變形，這很難解釋材料熱變形的各向異性。干涉測量法的試驗過程通常很復雜，并且測量精度與條紋密切相關。數字圖像相關技術具有許多優勢，如高靈敏度，試驗系統易搭建和多尺度測量［13-15］，近年來已逐漸成為測量材料的熱膨脹系數和熱變形的重要方法。然而，少有相關工作利用數字圖像相關技術研究高強管線鋼熱變形，更沒有相關文獻利用數字圖像相關技術的多尺度測量優勢測得微觀熱變形場來探究熱膨脹系數的各向異性。

本文利用數字圖像相關技術來探究含鐵素體/珠光體帶狀組織對管線鋼熱變形的影響。首先，搭建顯微鏡和冷熱臺相結合的微觀熱變形測試系統；然后利用低倍物鏡進行熱變形圖像采集，并利用數字圖像相關技術測得位移場，從而計算X80管線鋼在軋制方向和橫向上的熱膨脹系數；最后，采用高倍物鏡進行熱變形圖像采集，利用數字圖像相關技術分析試樣表面微觀變形場。

1 熱膨脹系數測量試驗

1.1 材料和試樣

試驗材料為X80管線鋼，其主要組織類型為針狀鐵素體。本文主要探討帶狀組織對高強度低合金管線鋼熱變形的影響，所以，通過進一步熱處理使X80鋼級管線鋼具有帶狀組織。熱處理方法為：將鋼在1 000℃下奧氏體化40 min，然后爐冷至室溫。通過線切割的方式從熱處理的管線鋼上切割3 mm×3 mm×0.8 mm的試樣；試樣使用金相砂紙打磨和機械拋光處理；然后用體積分數為4%的硝酸酒精溶液腐蝕試樣表面獲得帶狀組織，用光學顯微鏡觀察帶狀組織形貌。試樣的金相組織如圖1所示。顯然，熱處理后的鋼中發現淺色的鐵素體和深色的珠光體，兩者交替分布的帶狀組織十分明顯。數字圖像相關技術通常需要在試樣表面制備散斑，但是人工散斑會覆蓋帶狀組織，難以使帶狀組織形貌與變形對應起來。因此，此次工作將帶狀組織自然紋理作為散斑標記，并未噴涂人工散斑。

圖1 X80管線鋼試樣熱處理后的金相組織

1.2 試驗工作

搭建顯微鏡和冷熱臺相結合的微觀熱變形測試系統，試驗系統如圖2所示。利用英國林克曼科學儀器公司Linkam TST 350冷熱臺控制試驗溫度進行熱膨脹系數測量。將樣品放置在沒有任何約束的載物臺上，通過向載物臺內輸入氮氣控制樣品溫度，使樣品隨溫度變化發生自由變形。載物臺上方的顯微鏡可用于獲取帶狀組織圖像。考慮到輸油管道的工作條件，試驗溫度為0～100℃［2］，升溫速率為5℃/min。每升高5℃，溫度保持2 min，使樣品發生充分的熱變形。通過Olympus STM6光學顯微鏡在溫度保持下捕獲帶狀組織圖像，圖像尺寸為2 080×1 544像素。選擇4倍物鏡捕獲圖像來測量熱膨脹系數，選擇20倍物鏡捕獲圖像來觀察帶狀組織的微觀變形。

圖2 微觀熱變形測試試驗系統

試驗樣品是圖1所示的具有不同金相組織的兩個試樣。每個樣品的圖像使用Vic-2D軟件執行數字圖像相關技術程序。數字圖像相關技術程序的主要參數設置如下：以0℃圖像為參考圖像。所選子區尺寸為41×41像素；計算步長為2像素；應變計算窗口的大小為11×11像素。利用測得的應變計算熱膨脹系數。天然斑點圖案的質量可能會導致某些像素點的測量應變具有較大誤差。因此，計算熱膨脹系數并未使用感興趣區域（region of interest，ROI）中所測應變的平均值。而是使用軋制方向和橫向長度為871像素（1.50 mm）的436個虛擬引伸計的平均應變來計算不同方向的熱膨脹系數。通常，在此工作溫度范圍，鋼的熱膨脹系數隨溫度變化很小。可以通過以下形式的線性函數來擬合溫度和應變之間的關系：

式中T——溫度，℃；

A1，B1——橫向方向上通過最小二乘法擬合計算的系數；

A2，B2——軋制方向上通過最小二乘法擬合計算的系數；

通過推導公式（1），可以利用溫度函數計算熱膨脹系數，推導結果如下。

αx，αy分別為橫向和軋制方向的熱膨脹系數。

冷熱臺工作中的溫度分辨率為0.01℃，所施加溫度的精度和數字圖像相關技術的應變測量精度決定熱膨脹系數的精度。由于數字圖像相關技術已廣泛用于熱膨脹系數測量，因此數字圖像相關技術在這項工作中的可靠性不用重復驗證［16-18］。

1.3 結果與討論

首先討論測得的熱變形場分布。帶狀組織試樣的圖像和相對變形場如圖3所示。在參考圖像的中心選擇大小為871×871像素（1.50 mm×1.50 mm）的感興趣區域。圖3（b）所示的T=70℃圖像與T=0℃的圖像形成對比，分析帶狀組織熱變形場的分布。圖3（c）所示為去除剛體運動后測得的感興趣區域的合成位移場。帶狀組織的熱膨脹是明顯的，但所產生的位移場并不平滑，這表明熱膨脹是不均勻的。圖3（d）所示的εx場為橫向的應變，εx場分布呈帶狀結構。與試樣帶狀組織的分布形態類似。由于圖像中每個條帶的寬度較小，因此在該放大倍率下難以明確εx場的分布與帶狀組織之間的關系。圖3（e）所示的εy場為軋制方向的應變。雖然εy場的分布也呈不均勻狀態，但其與試樣的帶狀組織沒有明顯的關系。

圖3 4倍物鏡下帶狀組織的圖像及相對變形場

根據1.2節所述，在軋制方向和橫向的感興趣區域中都選擇了436個虛擬引伸計，其長度為871像素，間隔為1個像素。通過虛擬引伸計的平均應變來計算和和-T的線性擬合曲線如圖4所示，擬合方程為=39.51+12.42T，=1.66+11.86T。根據公式（1）~（2）計算得出：橫向熱膨脹系數為12.42×10-6/℃，軋制方向的熱膨脹系數為11.86×10-6/℃。兩者相比較橫向的熱膨脹系數略大于軋制方向的熱膨脹系數。這種現象可能是由于不同條帶之間的熱變形不一致引起的。操龍飛等［19］通過使用德國DIL402C熱膨脹儀測量低碳合金鋼不同溫度下橫向和軋制方向的熱膨脹系數，得出不同方向的熱膨脹系數各項同性。說明通過數字圖像相關技術方法測量低碳合金鋼的熱膨脹系數也是準確的，但是低碳合金鋼內部微觀組織形態受溫度變化影響，變形是不一致的。

圖4 -T和-T的線性擬合曲線

2 微觀變形測量試驗

用在1.2節所使用的同一試樣進行微觀變形測量試驗。試驗步驟除了將物鏡改為20倍之外，試驗過程與熱膨脹系數測量試驗相同。數字圖像相關技術的主要參數也和熱膨脹系數測量試驗相同。測量結果如圖5所示。

圖5 20倍物鏡下樣品的圖像和相對變形場

帶狀組織試樣的圖像和相對變形場如圖5所示。圖5（a）所示為基準圖像（T＝0℃）。在參考圖像的中心選擇大小為1 803×1 262像素（6.26 mm×4.38 mm）的感興趣區域。圖5（b）所示為T=70℃變形圖像，并與T=0℃的圖像形成對比，分析帶狀組織熱變形場的分布。圖5（c）所示為去除剛體運動后測得的感興趣區域的合成位移場。中心區域變形小，周圍區域熱變形較大。圖5（d）中εx的分布為樣品的帶狀組織的帶狀形態分布。在20倍倍率下，能明顯看清鐵素體帶和珠光體帶都發生了熱變形，珠光體帶存在應變集中，說明帶狀組織能夠影響微觀熱變形的分布。圖5（e）所示的鐵素體帶和珠光體帶也發生了明顯變形，但其與試樣的帶狀組織沒有明顯的關系。

3 結 語

在0~100℃利用低倍光學顯微鏡觀察X80鋼級管線鋼的帶狀組織，應用數字圖像相關技術計算軋制方向和橫向的熱膨脹系數，發現橫向的熱膨脹系數略大于軋制方向的熱膨脹系數。在高倍光學顯微鏡下觀察帶狀組織的微觀熱變形，發現鐵素體帶和珠光體帶都發生了熱變形，相比于鐵素體帶變形，珠光體帶變形明顯存在應變集中，說明帶狀組織能夠影響微觀熱變形的分布，但是對高強度低合金管線鋼的熱膨脹系數影響很小。