加热温度对X80管线钢显微组织和低温韧性的影响.pdf

第卷第期上海金属，年月，作 者 简 介：袁 良 增，男，硕 士，主 要 从 事 先 进 钢 铁 材 料 开 发，：加 热 温 度 对管 线 钢 显 微 组 织 和 低 温 韧 性 的 影 响袁 良 增姜 金 星赵 丽 洋刘宇，张 仲 德王 青 峰（燕 山 大 学 亚 稳 材 料 制 备 技 术 与 科 学 国 家 重 点 实 验 室，河 北 秦 皇 岛；中 国 石 油 天 然 气 管 道 科 学 研 究 院 有 限 公 司，河 北 廊 坊；油 气 管 道 输 送 安 全 国 家 工 程 研 究 中 心，河 北 廊 坊）【摘 要】采 用热 模 拟 试 验 机 模 拟 了弯 管 用 管 线 钢 的 感 应 加 热 过 程，即以 的 速 率 将 尺 寸 为 和 的钢 试 样 加热 至、和 ，保 温 后 以 的 速 率 冷 却 至 室 温。随 后 检 测 试 样 的微 观 组 织 和 低 温 韧 性。结 果 表 明：当 加 热 温 度 从 升 高 到 时，钢 中 粒 状 贝 氏 体 增 多，多 边 形 铁 素 体 减 少，组 元 平 均 尺 寸 减 小，大 角 度 晶 界 比 例 增 多，低 温 韧 性 提 高；加热 的 钢 晶 粒 尺 寸 增 大，大 角 度 晶 界 减 少，低 温 韧 性 恶 化；加 热 的 钢 微 观 组 织 由 细 小 的 粒 状贝 氏 体 铁 素 体 和 组 元 组 成，低 温 冲 击 吸 收 能 量 高 达，因 此管 线 钢 的 感 应 加 热 弯制 过 程 的 加 热 温 度 宜 为。【关 键 词】管 线 钢，加 热 温 度，低 温 韧 性，组 元中 图 分 类 号：文 章 编 号：（），（，；，；，）【】，（），；（），；（），上海金属第卷 【】，管 道 运 输 是 最 安 全 高 效 的 油、气 输 送 方 式 之一。由 于 管 道 的 服 役 环 境 恶 劣 及 感 应 加 热 弯 制 后壁 厚 减 薄 等 原 因，要 求 弯 管 的 管 壁 更 厚。为确 保 高 压 下 管 线 安 全，对 管 线 的 壁 厚 和 强 度 提 出了 更 高 的 要 求。目 前，弯 管 采 用 中 频 感 应 加 热。由 于 感 应 加热 速 度 快、时 间 短，导 致 管 壁 的 温 度 不 均 匀，尤 其是 大 口 径 厚 壁 管，感 应 加 热 时 内 外 壁 温 差 更大。为 此，亟 须 研 究 加 热 温 度 对弯 管 微观 组 织 和 低 温 韧 性 的 影 响，为 实 际 弯 管 生 产 提 供理 论 指 导。试 验 材 料 与 方 法采 用 真 空 熔 炼 炉 冶 炼 并 热 轧 成 厚 的试 验 用钢 板，化 学 成 分 如 表所 示。制 备 尺寸 为 和 的 试 样，分 别 用 于 感 应 加 热 和 相 变 过 程 的 模拟。热 模 拟 试 验 均 在热 模 拟 试 验 机上 进 行，模 拟 的管 线 钢 管 弯 制 过 程 的 感 应 加热 工 艺 如 图所 示。将 模 拟 试 样 以 的 速率 从 室 温 分 别 加 热 至、和 保 温，然 后 以 的 速 率 冷 却 至 室 温。将 经 不 同 温 度 加 热 的 模 拟 试 样 机 加 工 成 的形 缺 口 夏 比 冲 击 试 验 试 样 并进 行 冲 击 试 验，试 验 温 度 为。对 不 同 温 度加 热 的 试 样 沿 焊 接 热 电 偶 所 在 截 面 切 开，制 备 金相 试 样，采 用（体 积 分 数，下 同）硝 酸 酒 精 溶 液腐 蚀；显 示 原 奥 氏 体 晶 界 的 试 样 采 用 过 饱 和 苦 味酸 水 溶 液 腐 蚀，采 用 截 线 法 测 定 原 奥 氏 体 晶粒 尺 寸；试 样 再 次 磨 抛 后 采 用溶 液（配 比为 的苦 味 酸 酒 精 溶 液 和偏 重 亚 硫 酸钠 水 溶 液）进 行 着 色 腐 蚀 ，检 测 组元，并 采 用 软 件 统 计 其 平 均 尺 寸；将 金 相 试 样 重 新 磨 抛 后 用硝 酸 酒 精 溶 液 腐 蚀至 表 面 暗 淡，采 用型 扫 描 电 子 显 微 镜 观察 微 观 组 织；在 热 模 拟 试 样 上 切 取 厚 的薄 片，打 磨 至 厚，再 剪 成 直 径 约 的 圆 片，采 用 双 喷 电 解 法 进 一 步 减 薄，然 后 用型 透 射 电 子 显 微 镜 观 察 其 微 观 结 构。表研 究 用管 线 钢 的 化 学 成 分 元 素 质 量 分 数 图模 拟 的 感 应 加 热 工 艺 试 验 结 果 与 分 析 力 学 性 能对 模 拟 感 应 加 热 后 的 试 样 进 行 夏 比冲 击 试 验，结 果 如 表所 示，冲 击 吸 收 能量 随 加 热 温 度 的 变 化 如 图所 示。加 热 温 度 从 提 高 到，钢 的 低 温 冲 击 吸 收 能 量 从 提 高 到；加 热 温 度 从 提 高 到 ，钢 的 低 温 冲 击 吸 收 能 量 从 降 低 到表加 热 温 度 对管 线 钢 冲 击吸 收 能 量 的 影 响 加 热 温 度 冲 击 吸 收 能 量（）平 均 值 第期袁 良 增 等：加 热 温 度 对管 线 钢 显 微 组 织 和 低 温 韧 性 的 影 响 图 管 线 钢 的 冲 击 吸 收 能 量随 加 热 温 度 的 变 化 。随 着 加 热 温 度 的 提 高，钢 的 冲 击 韧 性先 提 高 后 降 低，加 热 的 钢 低 温 冲 击 韧 性 最 佳。显 微 组 织图为 不 同 温 度 加 热 的钢 的 原 奥 氏 体 晶粒 和 拟 合 的 奥 氏 体 晶 粒。从 图可 见：加热 的 钢，由 于 温 度 较 低，且 升 温 时 间 较 短，其 晶 粒较 细 小；随 着 加 热 温 度 的 提 高，晶 粒 长 大；加 热 的 钢 晶 粒 长 大 明 显，组 织 粗 化。经 不 同 温 度 加 热 的钢 的 显 微 组 织 如 图所示。从 图可 见：在 加 热 的 钢，组 织 为 多边 形 铁 素 体（）和 粒 状 贝 氏 体（），随 着 加 热 温 度的 升 高，多 边 形 铁 素 体 减 少，粒 状 贝 氏 体 增 多；加 热 的 钢 粒 状 贝 氏 体 减 少，出 现 少 量 的 板 条 贝 氏体（）；随 着 温 度 进 一 步 升 高 到 ，钢 的 组 织主 要 为 板 条 贝 氏 体，含 有 少 量 粒 状 贝 氏 体。图在（，）、（，）和 （，）加 热 的钢 的 原 奥 氏 体 晶 粒（）和 拟 合 的 奥 氏 体 晶 粒（）（）（）（，），（，）（，）不 同 温 度 加 热 的钢 试 样 中 组 元 如图所 示。图 中 黑 色 或 灰 色 组 织 为 基 体，白 色 块状 组 织 为 组 元。加 热 温 度 从 升 高 到 时，组 元 尺 寸 减 小、数 量 增 多，形 状 逐渐 演 变 为 规 则 块 状、点 状 和 圆 形，长 条 状 等 不 规 则形 状 减 少，分 布 均 匀。加 热 的 钢 中 组 元 尺 寸 最 小，分 布 最 不 均 匀。采 用 软 件 统 计 了和加 热 的钢 中 组 元 的 尺 寸 和 分 布，结 果如 图和 表所 示。图是 组 元 的 平 均 直径 及 其 长宽 比 的 散 点 分 布 图。直 径 一 定 时，组 元 的 长宽 比 越 大，长 度 和 宽 度 的 差 异 越大，形 状 越 不 规 则，主 要 呈 条 状。由 图可 知，随着 加 热 温 度 的 升 高，组 元 的 直 径 增 大，长宽 上海金属第卷图在（）、（）、（）和 （）加 热 的钢 的 显 微 组 织 （），（），（）（）图（）、（）和 （）加 热 的钢 中 着 色 腐 蚀 的 组 元 （），（）（）图（）和（）加 热 的钢 中 组 元 的 统 计 尺 寸 （）（）第期袁 良 增 等：加 热 温 度 对管 线 钢 显 微 组 织 和 低 温 韧 性 的 影 响 比 大 的 部 分 占 比 减 小。与 加 热 的 钢 相 比，加 热 的 钢 中 直 径 小 于 的 组 元 的长宽 比 更 大、数 量 更 多，大 多 为 条 状 等 不 规 则 形状。而 加 热 的 钢 中 组 元 主 要 分 布 在（直 径，长宽 比）的 区 域 内（图（），组 元 的 直 径 小、长 度 和 宽 度 差 小，多 为 圆 形。加 热 的 钢 中 组 元 的 面 积 比 为，大 于 加 热 的 钢 的，平 均 尺 寸 为，大 于 加 热 的 钢 的。表 和 加 热 的钢 中组 元 的 定 量 统 计 加 热 温 度 组 元 比 例 组 元 平 均 尺 寸 图为 在 不 同 温 度 加 热 的钢 的 电 子 背 散射 衍 射（，）反 极 图，图 中 粗 细 线 条 表 示 大、小 角 度 晶 界，不 同颜 色 表 示 不 同 取 向 差 角（），黑 色 粗 线 表 示大于的 大 角 度 晶 界，白 色 细 线 表 示为 的 小 角 度 晶 界。当 裂 纹 扩 展 遇 到 大 角 度 晶 界时，消 耗 的 能 量 增 多，有 利 于 改 善 韧 性。图表明，加 热 的钢 晶 粒 较 细 小。、和 加 热 的 钢 中 大 角 度 晶 界 比 例 分 别 为、和。随 着 加 热 温 度 的 升 高，大角 度 晶 界 比 例 减 小，因 此 加 热 的 钢 低 温冲 击 韧 性 最 差。图为 不 同 温 度 加 热 的钢 的等 效 晶 粒 尺 寸 随 晶 界 取 向 差 角 的 变 化。采 用测 定 的 等 效 晶 粒 尺 寸 的 含 义 是 某 取 向 差 角晶 界 围 成 的 区 域 等 效 面 积 圆 的 直 径。图表明，随 着 取 向 差 角 的 增 大，以 各 取 向 差 角 定 义 的 等效 晶 粒 尺 寸 增 大。随 着 加 热 温 度 的 提 高，同 一 取向 差 角 定 义 的 等 效 晶 粒 尺 寸 增 大。在、及 加 热 的钢 以 取 向 差 角大 于定义 的 铁 素 体 等 效 晶 粒 尺 寸 依 次 为、及 ，说 明 加 热 温 度 提 高，等 效 晶 粒 尺 寸 增大。高 于 加 热 的 钢 等 效 晶 粒 尺 寸 增 大，大角 度 晶 界 比 例 减 小。图在（）、（）和 （）加 热 的钢 的 电 子 背 散 射 衍 射 反 极 图 （），（）（）图为 不 同 温 度 加 热 的钢 的 透 射 电 子 显微 图。可 见 多 边 形 铁 素 体 呈 块 状 且 内 部 位 错 密 度较 低，粒 状 贝 氏 体 为 不 同 位 向 的 板 条 状 结 构，两 者界 面 有 块 状、圆 形 或 针 状 黑 色 组 元。加 热 的 钢 组 织 为 多 边 形 铁 素 体 和 粒 状 贝 氏 体，前者 位 错 密 度 低，亚 结 构 少，后 者 尺 寸 小。随 着 加 热温 度 的 升 高，粒 状 贝 氏 体 增 多。加 热 的 钢中 板 条 贝 氏 体 增 多。图为 不 同 温 度 加 热 的钢 试 样 的 膨 胀量 随 温 度 的 变 化。图表 明，随 着 加 热 温 度 的 升高，钢 中 奥 氏 体 向 铁 素 体 转 变 的 温 度降低。加 热 的 钢温 度 较 高，约 为，过冷 度 较 大，形 成 较 多 的 多 边 形 铁 素 体；随 着 加 热 温度 提 高 到，温 度 降 低，过 冷 度 增 大，多 边形 铁 素 体 减 少，粒 状 贝 氏 体 增 多；加 热 的钢温 度 降 低 至，过 冷 度 显 著 增 大，组 织中 粒 状 贝 氏 体 减 少，板 条 贝 氏 体 增 多。此 外，由 于加 热 温 度 高，奥 氏 体 晶 粒 长 大 的 热 力 学 驱 动 力 增 上海金属第卷图在、和 加 热 的钢 等 效 晶 粒 尺 寸 随 晶 界 取 向 差 角 的 变 化 ，大，奥 氏 体 晶 粒 明 显 粗 化（图（），最 终 的 组 织粗 化（图），大 角 度 晶 界 比 例 减 小（图），钢 的 冲击 韧 性 降 低。加 热 的 钢 中 溶 解 的 合 金 元 素 少 且 不均 匀，不 利 于 低 温 韧 性，且 组 织 中 组 元的 形 状 为 大 块 状、条 状，细 长 的 不 规 则 组 元硬 而 脆，承 受 冲 击 载 荷 时 易 产 生 应 力 集 中 而 开裂。加 热 温 度 升 高 到 时，奥 氏 体 中 溶 解的 合 金 元 素 增 多 且 均 匀，稳 定 性 也 提 高；此 外，温 度 降 低，过 冷 度 增 大，易 发 生 中 温 转 变 获 得以 贝 氏 体 为 主 的 组 织，在 该 温 度 加 热 的 钢 中组 元 尺 寸 减 小，具 有 抑 制 裂 纹 扩 展 的 作用。另 一 方 面，在 该 温 度 加 热 的 钢 中 大 角度 晶 界 比 例 增 大，阻 碍 裂 纹 扩 展 的 作 用 增 大，两者 的 共 同 作 用 使 钢 的 低 温 韧 性 提 高。高 于 加 热 的 钢，晶 粒 长 大 的 热 力 学 驱 动 力 更 大，奥氏 体 晶 粒 明 显 粗 化（图），室 温 组 织 也 粗 大（图），粗 化 的 板 条 贝 氏 体 铁 素 体 及 不 同 取 向 的 板条 清 晰 可 见（图）。上 述 组 织 变 化 使 在 该 温 度加 热 的钢 的 低 温 韧 性 显 著 恶 化。因此，弯 管 用 管 线 钢 的 感 应 加 热 温 度 为 可 获 得 良 好 的 低 温 韧 性。图在（）、（）和 （）加 热 的钢 的 透 射 电 子 显 微 图 （），（）（）结 论（）加 热 温 度 从 提 高 到，管线 钢 的温 度 降 低，粒 状 贝 氏 体 增 多，多 边 形 铁素 体 减 少，组 元 比 例 从 减 小 到，平 均 尺 寸 从 减 小 到 ；加 热 温 度进 一 步 提 高 到 ，粒 状 贝 氏 体 减 少，板 条 贝氏 体 增 多，晶 粒 显 著 粗 化，大 角 度 晶 界 比 例 从 降 低 至。（）随 着 加 热 温 度 从 升 高 到，钢的 低 温 冲 击 吸 收 能 量 从 增 加 到，组 元 尺 寸 减 小、比 例 降 低，大 角 度 晶 界 比 例 增 加 是低 温 韧 性 提 高 的 主 要 原 因；加 热 温 度 进 一 步 提 高到 ，钢 的 冲 击 吸 收 能 量 降 低 到，奥氏 体 晶 粒 尺 寸 增 大，大 角 度 晶 界 比 例 降 低，导 致 低温 冲 击 韧 性 恶 化。（）弯 管 用 管 线 钢 的 最 佳 感 应 加 热 温 度为，在 该 温 度 加 热 的钢 的 组 织 由 细 小的 粒 状 贝 氏 体 铁 素 体 和 组 元 组 成，低 温 冲 击吸 收 能 量 最 高，达。第期袁 良 增 等：加 热 温 度 对管 线 钢 显 微 组 织 和 低 温 韧 性 的 影 响 图 钢 试 样 的 膨 胀 量 随 加 热温 度 的 变 化 参 考 文 献姜 昌 亮中 俄 东 线 天 然 气 管 道 工 程 管 理 与 技 术 创 新 油气 储 运，（）：张 斌，钱 成 文，王 玉 梅，等国 内 外 高 钢 级 管 线 钢 的 发 展 及应 用 石 油 工 程 建 设，（）：徐 景 涛 管 线 钢 在 长 输 管 道 中 的 应 用 及 展 望 中 国冶 金，（）：李 烨 铮 感 应 加 热 弯 管 制 造 工 艺 技 术 研 究 天 津：天 津 大 学，巩 忠 旺，赵 志 伟，陈 跃 华，等中 俄 东 线 工 程 用 钢 级 感 应 加 热 弯 管 研 发 钢 管，（）：，：蒋 昌 林，林 涛，诸 建 阳，等加 热 温 度 对钢 级 弯 管 用 管线 钢 板 冲 击 韧 性 的 影 响 宽 厚 板，（）：，：张 小 立，庄 传 晶，吉 玲 康，等高 钢 级 管 线 钢 的 有 效 晶 粒 尺寸 机 械 工 程 材 料，（）：史 根 豪增 氮 与 等 温 转 变 对 低 碳钢 复 相 组 织 和 力学 性 能 的 影 响 研 究 秦 皇 岛：燕 山 大 学，乔 桂 英，王 旭，付 彦 宏，等加 热 温 度 和 冷 却 速 度 对级弯 管 用 钢 组 织 与 性 能 的 影 响 焊 管，（）：董 露，郝 世 英，张 骁 勇，等加 热 温 度 对热 煨 弯 管 钢组 织 和 性 能 的 影 响 材 料 热 处 理 学 报，（）：章 传 国，郑 磊轧 后 加 热 温 度 对 高 管 线 钢 板 组 织 性能 的 影 响 钢 铁，（）：刘 迎 来，池 强，王 鹏加 热 温 度 对弯 管 钢 组 织 与 性 能的 影 响 金 属 热 处 理，（）：田 晨 超，许 飞，焦 磊，等加 热 温 度 对钢 级 热 煨 弯 管 组织 性 能 的 影 响 焊 管，（）：修 回 日 期：櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪（上 接 第页），（）：尹 朝 朝，张 莉 芹，胡 峰，等马 氏 体 亚 结 构 对超 厚 板 表层 强 韧 性 能 的 影 响 钢 铁，（）：，（）：刘 云 旭金 属 热 处 理 原 理 北 京：机 械 工 业 出 版 社，（），（）：胡 赓 祥，蔡繤，戎 咏 华材 料 科 学 与 工 程 基 础 上 海：上海 交 通 大 学 出 版 社，胡 磊，张 莉 芹，胡 峰，等多 尺 度 截 面 组 织 对 调 质 海 工 钢 强 韧性 的 影 响 钢 铁，（）：修 回 日 期：