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高强度管线钢夏比冲击韧性的研究 0 冲击韧性是影响管线钢性能的主要因素 管道运输是一条长距离输送石油、天然气的最经济、合理的运输方式。为了提高输送效益,降低能耗,减少投资,管线用钢材向高强度、高韧性和优良焊接性能的高钢级管线钢发展已成为必然趋势。冲击韧性是管线钢重要的性能之一,也是管道设计所必须考虑的最重要的因素。长期以来,有关冲击韧性控制因素的研究一直成为高钢级管线用钢的研究热点。笔者基于实验室三种不同微观组织类型的热轧管线钢板,分析了微观组织对夏比冲击韧性等性能的影响,并探讨了高强度管线钢板冲击韧性的控制因素。 1 试验材料和方法 1.1 物理分化 试验用钢的主要化学成分如表1所示。 1.2 均热和控轧工艺 实验用钢采用25 kg真空感应炉熔炼,铁模浇注后,开模取出钢锭,并将钢锭锻造成坯,开锻温度为1 080～1 120 ℃,锻坯尺寸为80 mm×90 mm×110 mm。将锻坯送入均热炉内,均热工艺为1 200 ℃×30 min。均热后在350四辊/二辊热轧实验机上采用两阶段控轧工艺轧制8～9道次,通过不同控轧控冷工艺制度获得具有不同微观组织类型的高强度管线钢热轧钢板,具体工艺参数如表2所示。 在热轧钢板的中心部位横向截取拉伸和夏比冲击试样,分别在WAW-Y型电液伺服拉伸试验机和JB-30B型冲击试验机上按照ASTM A370和ASTM E23标准进行拉伸和夏比冲击试验。在EVO-50型扫描电镜上进行夏比冲击断口观察和分析,在NUPHOT-32型光学显微镜和H-800型透射电镜上进行晶粒度、夹杂物和析出物分析。 2 试验结果与分析 2.1 微观组织类型 1#～3#试样的显微组织如图1所示。分析可知,1#试样的微观组织类型为针状铁素体+大量MA岛,并含有较多的粒状贝氏体,记为AF+M/A;2#试样的微观组织类型为针状铁素体+少量M/A岛,记为AF;3#试样的微观组织类型为多边形铁素体+少量珠光体,记为FP。 晶粒度、拉伸和夏比冲击测试结果见表3。由试验结果可知:3#试样属于铁素体+少量珠光体型组织,晶粒度为9级,与1#和2#试样相比,屈服强度和夏比冲击功明显偏低。对于1#和2#试样,同属于针状铁素体型微观组织,晶粒度均为11级,因此两者都具有较高的强度和冲击韧性。但1#试样,相对2#试样具有较多粗大的M/A岛和粒状贝氏体,根据文献报道,其是引起冲击韧性偏低的原因之一。 2.2 断口断口分析 图2(a)、图2(b)和图2(c)分别为-20 ℃下1#、2#和3#试样的冲击断口形貌图。由图可见,温度为-20 ℃时,1#和2#冲击试样均为韧性断口,韧窝的底部均能看见细小的球形第二相粒子。不同之处是,1#试样断口韧窝的边缘可以看见解理面,说明有脆性断裂存在,2#试样断口韧窝大小均匀,呈现明显的延性断裂。对于3#试样在-20 ℃下,冲击断口以准解理形态为主,撕裂脊较多并有少量的韧窝,说明其冲击韧性较1#和2#试样差。温度为-60 ℃时,2#试样冲击断口呈现为解理形态和准解理形态,脆性断裂特征变得明显,如图2(d)所示。AF型组织之所以具有高的止裂能力是由其微观组织决定的。由图1(b)分析可知,AF组织是由较细的铁素体晶粒和细小弥散分布的M/A岛组成,其大大提高了管线钢的冲击韧性。此外,裂纹在受到彼此咬合、互相交错分布的针状铁素体的阻碍也不易扩展。 2.3 缺陷物的种类 夹杂物是孔穴生成的最有利位置,冲击时周围会发生应力集中,并且条状夹杂物会对基体起到割裂作用,而且使得裂纹在钢中形成的机会增多。对1#～3#试样进行夹杂物分析,发现1#和2#试样的夹杂物均为0.5级,而3#试样的夹杂物为1.5级,因此,3#试样的夏比冲击功与1#和2#试样相比较,明显偏低。对1#～3#试样的夹杂物进行能谱分析,发现夹杂物主要有两类,一类属于硅酸盐类夹杂,另一类属于硫化物夹杂。典型硅酸盐类和硫化物夹杂的能谱分析结果如图3所示。 2.4 第二相粒子及体体能谱分析 在透射电镜下对1#～3#试样析出物的形貌、分布进行分析,发现析出物大部分为椭圆形或圆形,棱角不分明,也有少数以方形存在,析出物较均匀地分布于晶粒内部,如图4所示。对于1#和2#试样,第二相粒子在整个基体内呈细小弥散分布,尺寸约为5～20 nm,能够起到有效的强化作用并改善钢的冲击韧性。对3#试样进行观察,发现基体中分布着颗粒尺寸较大、数量较少的第二相粒子,经能谱分析,析出物以(Nb,Ti)(C,N)、Nb(C,N)为主,尺寸一般在20～40 nm之间。稀疏粗大的第二相粒子,会导致钢板强韧性的下降,这也是3#试样比1#、2#试样冲击韧性低的原因之一。 2.5 高钢级管线钢组织 通过上述冲击韧性控制因素的分析,提出提高管线钢板冲击韧性的几个措施如下: (1)管线钢的微观组织结构对其冲击韧性起着重要的作用