回火工艺对高强度管线钢组织性能的影响

鞍钢技术

总第TECHNOLOGY　　　　　　　　　　　　

355期　

研究与开发

回火工艺对高强度管线钢组织性能的影响

张帅,任毅,王爽,刘文月

(鞍钢股份有限公司技术中心,辽宁鞍山114009)

　　摘要:采用不同回火制度对高强度管线钢进行热处理试验,并利用金相显微镜、扫描电镜、透射电镜等显微仪器研究了回火工艺对试验钢组织性能的影响规律。结果表明,在试验工艺范围内,随着回火温度的升高和回火时间的延长,试验钢强度出现波动起伏现象,并主要受

M/A岛及碳化物分解、析出强化、位错密度降低等因素影响;回火后,延伸率大幅度提高,冲击

韧性没有下降;在580℃回火、保温40min工艺条件下,试验钢综合性能优良,达到X120级管线钢要求。

关键词:管线钢;回火工艺;热处理;析出强化

中图分类号:TG156　　文献标识码:A　　文章编号:1006-4613(2009)01-0018-04

EffectofTemperingProcessontheStructureProperty

ofHighStrengthPipelineSteel

ZhangShuai,RenYi,WangShuang,LiuWenyue

(TechnologyCenterofAngangSteelCo.,Ltd.,Anshan114009,Liaoning,China)

　　Abstract:Theheattreatmentexperimentforthehighstrengthpipelinesteeliscarriedoutusing

thedifferenttemperingschedule,andtheinfluenceregularityofthetemperingprocessonthestructurepropertyofthetrialsteelisinvestigatedbythemicroscopedevicessuchasmetallographicmicro2scope,scanningelectronmicroscope,TEM,etc.TheresultsindicatethatfluctuatingphenomenoninsteelstrengthismainlyundertheinfluenceoftheM/Aislandandcarbidedecomposition,precipitati2onstrengthening,andthedecreaseofthedislocationdensity,etc.intherangeoftheexperimentalprocesswiththeincreaseofthetemperatureandtheelongationofthetempertime.Theelongationin2creasessharplyandtheimpactductilitydoesn’tdropaftertempering.ThecomprehensivepropertiesofthetrialsteelareexcellentandcanmeettheneedsofX120gradepipelinesteelundertheconditionoftemperingatthetemperatureof580℃for40minutes’incubation.

Keywords:heattreatment;precipitationstrength;X120

　　随着工业的发展和生活方式的现代化,国际上对石油天然气的需求持续增长,石油天然气的供不应求使世界对管线用钢的需求量不断加大。

为了提高管道输送能力,节约建设成本,管线用钢逐渐向高强度、高韧性和良好的焊接性等方

　　张帅,2004年毕业于北京科技大学材料科学与工程专业,现在鞍钢股份有限公司技术中心钢铁产品研究所从事管线钢研究工作。

面发展

[1]

。目前,世界上已经研制成功的最高级

别管线用钢为X120级,最小屈服强度为827

MPa。应用X120级钢管可使长距离油气输送管道工程的总成本降低5%～15%。生产X120级管线钢其中一种可行性工艺为DQ(或TMCP)+回火,因此,研究回火工艺对X120高强度管线钢组织性能的影响具有重要意义。本文通过研究不同回火制度对X120管线钢的影响规律,为下一步实际生产提供依据。

—18—

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鞍钢技术

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355期

1　试验材料及回火方案

1.1　试验材料

试验钢采用包括Mn、Mo、Nb、Ti、Ni、B等多种合金元素的复合成分设计,具体成分见表1。

钢坯经过再结晶区和未再结晶区两阶段轧制后,快速冷却至Ms点附近,试验钢轧态性能见表2,试验钢最终厚度为15mm。1.2　试验方案

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表1　试验钢成分(质量分数)　　　　　　　　　　　　　　　　　%

C0.05

Si0.27

Mn1.68

P0.0058

S0.002

N0.005

O0.001

其它合金元素

Cu、Ni、Mo、Nb、Ti、B等

CeqPcm

0.460.21

表2　试验钢轧态性能

Rt0.5/MPa

Rm/MPa

A/%

Rt0.

5

造成屈强比升高;在试验的回火制度范围内,随着

　Akv,

-20℃

/Rm

/J

回火温度的升高和回火时间的延长,试验钢强度提高,如4、5方案试验钢580℃回火后强度分别比1、2方案试验钢500℃回火高;2、5试验钢40min回火后强度分别比同温度下回火20min的

#

##

#

##

845101060.84　249　238　215

　　采用5种方案对试验钢进行回火处理,回火方案见表3。研究不同回火温度和回火时间下试验钢组织性能的变化情况。

表3　回火试验方案

方案号

12345

1、4试验钢强度高。回火后试验钢的延伸率有很

##大提高,材料塑性得到改善,冲击韧性稳定,没有因回火热处理而降低。

表4　回火后试验钢性能

回火温度/℃

500500540580580

回火时间/min

2040302040

方案号

12345

Rt0.

5

/MPaRm/MPa

910945920925945

A/%Rt0.

5

/RmAkv,

-20℃

/J

820850830850890

13.513.516.016.518.0

0.900.900.900.920.94

268255265216239

从试验钢上切取5块试样,试样尺寸为15mm×150mm×35mm,按设定的不同方案进行回

有研究表明,采用不同工艺对X120级管线钢进行回火的过程中会出现两个强度峰值。结合

本次试验强度曲线(见图1)分析,第一个峰值在2方案附近出现,主要是由于残余奥氏体分解成

#

[2]

火处理。回火后从每个试样上加工1个Φ12.7mm横向圆拉力试样和3个10mm×10mm×55mm的横向冲击试样,分别进行拉伸试验和-20

细小碳化物和析出强化共同作用,使强度逐渐升

℃夏比冲击检验。同时,截取金相试样,经磨制、抛光和4%硝酸酒精腐蚀后进行微观组织观察,并制作透射薄膜试样和复型试样,观察其位错及析出相情况。

2　试验结果及分析

2.1　回火后试验钢性能

表4为回火后试验钢的力学性能变化情况。从试验结果看,在不同试验条件下,屈服强度出现一定波动,抗拉强度与轧态相比有不同程度降低,

图1　试验钢回火后强度变化曲线

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《鞍钢技术》2009年第1期

张帅等:回火工艺对高强度管线钢组织性能的影响总第355期

高。随后,残余奥氏体分解完成,析出强化效果较弱,而位错密度降低较快,位错强化效果减弱,强度降低。随着回火温度升高和回火时间延长,析

#

出强化效果逐渐增强,强度逐渐升高,直至在5方案附近形成第二个强度峰。最后,析出终了,析出相长大,位错密度进一步下降,组织中板条结构削弱,强度降低。2.2　回火后试验钢组织变化

图2为试验钢轧态和回火工艺下微观组织形貌。从回火后组织分析,回火后原轧态组织中的大量M/A岛细化分解,板条贝氏体组织弱化,板条间的小角度晶界消失,晶粒间出现融合长大现象,随着回火强度的提高,板条弱化更为明显,原

奥氏体晶界逐渐变得模糊甚至消失,原扁长奥氏体晶粒分化为较小的晶区并出现索氏体化倾向,新形核的铁素体比例增多,这种组织转变是抗拉强度降低的重要原因。另一方面,如果回火程度较大,位错密度会显著降低,只有部分被析出相钉扎的稳定位错被保留下来,位错的回复和消失造成了强度的下降。然而,由于位错密度的降低及位错的稳定化,加上M/A岛的分解和新的软相的形成抵消了碳氮化物析出造成的韧性损失,材料的韧性和塑性得到改善,延伸率显著提高。其中,

#

5(580℃回火、保温40min)回火方案使材料得到了最优的强韧性匹配。图2　试验钢微观组织形貌

3　讨论

试验钢回火后强度的变化主要是析出强化

σP、位错强化σD、固溶强化σA等强化方式共同作用的结果。

析出强化σP=0.298(Gb)ln(l

2/3d)b

其中,d为析出质点直径;l为析出物间距;b为柏氏矢量;G为剪切模量。回火后试样的析出相情况见图3,回火后试样组织中较大的析出相尺寸为50～150nm,如图3(a),从其形貌和能谱判断,多数析出颗粒外围被Nb(CN)包裹;另外,组织中有大量5～10nm的细小析出相存在,如图3(b),对增强析出强化效果起到了重要作用。回火过程中,一方面析出相的大量析出使析出物密度升高,间距减小;另一方面,新形核析出的析出相尺寸主要集中在5～10nm,平均质点直径很

—20—

小。这两方面的共同作用使析出强化成为回火后试样强化的主要原因。

按位错密度与屈服应力的通用公式计算位错

1/2ρ强化:σD=BbG。其中,B为无量纲系数,数量

级为1;b为柏氏矢量;G为剪切模量;ρ为位错密度。试样轧态和回火后位错形貌见图4。回火过程中,试样组织内的位错将大量回复和消失,使位错密度大幅度下降。当位错密度降低到一定程度后,奥氏体向贝氏体和马氏体相变过程中产生的位错完全消失,组织中只有少量轧制过程中被析出物钉扎的位错保留下来,此后,进一步提高回火温度或延长回火时间位错密度变化不大。位错强化效果的减弱是造成回火后强度降低的重要原因。

固溶强化的强化效果与组织中固溶元素的浓度成正比。由于回火过程中析出相的不断增多,

　　　　　　　　　　　　2009年第1期ANGANG

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355期

合金元素的固溶比例显著降低,造成固溶强化效果减弱,试样强度降低,尤其是对回火后抗拉强度影响明显。

回火过程中,随着回火程度增大,析出相显著增多,析出强化作用不断增强。与之相对应的是由于析出相增加,合金元素的固溶比例不断减少,固溶强化减弱。另外,位错密度在回火时也会降低,且降到一定程度后趋于稳定。正是回火过程中几种强化作用的变化造成热处理后材料性能的波动。如果回火程度继续升高,轧态组织中亚结构消失,晶粒长大,材料强度将进一步下降。

(2)回火后组织中大量M/A岛分解,贝氏体

板条弱化,奥氏体晶界变得模糊,铁素体转变倾向增强,甚至出现回火索氏体。

(3)回火后析出强化、位错强化、固溶强化及组织转变等因素的变化造成材料强度起伏波动,在580℃回火保温40min的工艺条件下,材料具有良好的强韧性匹配,性能满足X120级管线钢要求。

参考文献

[1]　李鹤林.油气输送钢管的发展动向与展望[J].焊管,2004,

27(6):1-11.

[2]　王路兵,武会宾,任毅,等.X120级管线钢DQ-T工艺试验

4　结论

(1)材料回火后性能与轧态性能相比,屈服

研究[J].金属热处理,2007,32(10):44-47.

强度出现波动起伏现象,抗拉强度下降明显,材料

塑性显著改善,韧性没有下降。

(编辑　袁晓青)

收稿日期:2008-08-22

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