X80管线钢的组织与性能研究

第２９卷第２期２００８年２月

东北大学学报（自然科学版）ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ）

Ｖ０１．２９．Ｎｏ．２

Ｆｅｂ．２００８

Ｘ８０管线钢的组织与性能研究

衣海龙，杜林秀，王国栋，刘相华

（东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，辽宁沈阳１１０００４）

摘要：利用光学显微镜、扫描电镜、透射电子显微镜等对Ｘ８０级别管线钢的组织与性能进行了研究．

实验结果表明，通过控轧控冷工艺轧制的１６ｍｌＴｌ厚的Ｘ８０管线钢的屈服强度达到６７０ＭＰａ以上时，其屈强比低于Ｏ．８５，韧脆转变温度低于一６０℃，达到了很好的强韧性匹配．细化的针状铁素体有效地改善了实验钢的强度及韧性．Ｘ８０管线钢中存在两种典型的析出物，一种以Ｎｂ，Ｔｉ（ＣＮ）为主，尺寸较大（５０－２００ｒｌｎｌ）；另一种以ＮｂＣ为主，尺寸细小（小于３０ｍｎ）．这些纳米级析出物对钢的组织细化和强化起到了重要作用．关键词：Ｘ８０管线钢；控轧控冷；针状铁素体；韧脆转变温度；析出物中图分类号：ＴＧ１１５．２１＋３

文献标识码：Ａ

文章编号：１００５—３０２６（２００８）０２—０２１３—０４

Ｍｉｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

ａｎｄ

Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ

ＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＰｉｐｅｌｉｎｅＳｔｅｅｌＸ８０

Ｙ／Ｈａｉ－ｌｏｎｇ，ＤＵＬｉｎ．ｘｉｕ，彬Ａｆ、『ＧＧｕｏ－ｄｏｎｇ，ＬＩＵＸｉａｎｇ－ｈｕａ（ＴｈｅＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＲｏｉｌｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｎｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎ

Ｃｈｉｎａ．Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｎｔ：ＹＩＨａｌ—ｌｏｎｇ。Ｅ－ｍａｉｈｌｏｎｇｈａｉｙｉ一２００４＠ｔｏｌ＇１１．０３１＂／１）

Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ

１１０００４，

ＡＭｔｒａｃｔ：ＴｈｅｍｉｅｒｏｓｔｍｃｔｕｒｅａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｐｉｐｅｌｉｎｅｓｔｅｅｌＸ８０ｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｂｙｍｅａｎｓｏｆｏｐｔｉｃａｌｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，ｓｃａｎｎｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｅｌｅｃｔｒｏｎ

ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ．ｅｔｃ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ

ｗｉｔｈ１６ｒａｍｗａｌｌｔｈｉｃｋｎｅｓｓ

ｃａｎ

ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｙｉｅｌｄｓｔｒｅｎｇｔｈＯｆｐｉｐｅｌｉｎｅｓｔｅｅｌＸ８０

ｂｅｕｐｔｏｏｖｅｒ６７０ＭＰａｔｈｒｏｕｇｈｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｒｏｌｌｉｎｇ／ｃｏｏｌｉｎｇ，ａｎｄｔｈｅ

ｒａｔｉｏｏｆｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈｔｏｙｉｅｌｄｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｄｕｃｔｉｌｅ—ｂｒｉｔｔｌｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｒｅｌｏｗｅｒｔｈａｎ０．８５ａｎｄ一６０℃，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｔｈｕｓｐｒｏｖｉｄｉｎｇａｎｉｃｅｍａｔｃｈｂｅｔｗｅｅｎｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｔｏｕｇｈｎｅｓｓ．Ｆｉｎｅａｃｉｃｕｌａｒｆｅｒｒｉｔｅｈａｓｇｏｏｄｅｆｆｅｃｔｏｎｂｏｔｈｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｔｏｕｇｈｎｅｓｓｏｆｔｈｅｓｔｅｅｌ．Ｔｗｏｋｉｎｄｓｏｆｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅｓｗｅｒｅｏｂｓｅｒｖｅｄｉｎｔｈｅｓｔｅｅｌ，ｗｈｅｒｅｔｈｅｃｏａｒｓｅｏｎｅｓａｒｅｍａｉｎｌｙｔｈｅＮｂａｎｄＴｉ（ＣＮ）

ＮｂＣｌｅｓ８ｔｈａｎｔｈｅｎｆｌｎｏ－ｒａｎｇｉｎｇｆｒｏｍ５０ｒａｎｔｏ２００ｎｌＴｌ．ａｎｄｔｈｅｆｉｎｅｏｎｅｓａｒｅ

ｍａｉｎｌｙ

３０帆．Ｂｏｔｈ

ｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇａｎｄｇｒａｉｎｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｓｔｅｅｌ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｉｐｅｌｉｎｅｓｔｅｅｌＸ８０；ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｍｌｌｉｎｇ／ｃｏｏｌｉｎｇ；ａｃｉｃｕｌａｒｆｅｒｒｉｔｅ；ｄｕｃｔｉｌｅ—ｂｒｉｔｔｌｅ

ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅｓｐｌａｙ

ａｎ

ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅ

能源结构的调整和能源需求的增加促进了大口径、高压、长距离输送天然气管线的发展．为了降低管线建设和运营成本，提高管线安全性和可靠性，高压大口径管线用钢不仅要具有更高强度，还要具有更高韧性【ｌ＿２Ｊ．目前，发达国家已广泛使用Ｘ７０级别管线钢，ｘ８０级别管线钢也已开始试应用，并正在研制开发Ｘ１００／１２０级别的管线钢；国内也开始生产Ｘ７０级别管线钢，并加快了对Ｘ８０管线钢的研究［３－６Ｊ．从管线建设的发展趋势来看，Ｘ８０管线钢在工程上的应用将逐渐增加＿７－８Ｊ．因此，Ｘ８０级别的高强度管线钢具有重要的研究价值与应用前景．

收藕日期：２００７Ⅲ２—２６

本文主要结合国内某厂的设备情况，通过实验室的热轧实验，开发出厚度规格为１６ｍｍ的Ｘ８０级别管线钢，对其组织及力学性能进行了研究，并分析了析出物的形貌及成分，为制定现场的轧制生产工艺提供了重要依据．

１实验材料和方法

实验钢采用真空感应炉冶炼，并浇铸成１００ｋｇ钢锭，其化学成分如表１所示．热轧试样的断面尺寸为１００

ｌｎｌＴｌ×１００

ｍｍ．首先，将热轧试样加

热到１２００℃保温１ｈ后，利用似５０ｍｍ实验轧机，经两阶段控温轧制．第一阶段的轧制温度为

基金项目：国家高技术研究发展计划项目（２００３ＡＡ３３ＧＯｌＯ）；国家自然科学基金资助项目（５０２７１０１５）．

作者简介：衣海龙（１９７９一），男。辽宁阜新人，东北大学讲师，博士；杜林秀（１９６２一），男，辽宁本溪人，东北大学教授；王国栋（１９４２

一），男。辽宁大连人，东北大学教授．博士生导师，中国工程院院士；刘相华（１９５３一），男，黑龙江双鸭山人，东北大学教授，博士生导师．

万方数据

２１４

东北大学学报（自然科学版）

０００℃，第二阶段轧制温度为９００

表１

Ｔａｂｌｅ１

第２９卷

１０５０～ｌ

８００

℃；轧制后经加速冷却后得到１６ｒｔｌｉｎ厚的钢板．

Ｘ８０（ｍａｓｓｆｒａｃｔｉｏｎ）

Ｘ８０管线钢的化学成分（质量分数）

％

Ｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｐｉｐｅｌｉｎｅｓｔｅｅｌ

对钢板取样后在１００ｔ电液伺服万能实验机上进行拉伸性能实验．采用矩形试样，标距长度为

８０

１ＴＩＩＴＩ，标距内宽度为２０１Ｔ１１ＴＩ．从实验钢板上沿垂

直于轧制的方向上切取冲击试样，经机床加工成

１０１ＴｌｌＴＩ×１０１ＴＩＩＴＩ×５５

ｒｎｌ－ｎ的夏比Ｖ型缺口冲击试

样，在２０，一２０，一３０，一４０，一６０℃温度下，按照

ＧＢ

４１５９—８４和ＧＢ／Ｉ＂２２９－－１９９４的标准规定，

在ＪＢ２３００Ｂ机械式半自动冲击实验机上进行冲击试验．应用ＬＥＩＣＡ—ＤＭＩＲＭ多功能光学显微镜和ＪＳＭ一５５００ＬＶ扫描电镜观察显微组织，利用Ｈ一８００透射电镜观察试样组织及析出物．

２实验结果

２．１实验钢的性能

表２，表３分别为轧制得到的Ｘ８０管线钢的力学性能及系列冲击性能．由表２可知，经实验室两阶段控温轧制得到的Ｘ８０管线钢具有良好的力学性能，Ｒ。ｏ．５为６７８－６８８ＭＰａ，尺。为８０２

９０３

ＳＰａ．当实验钢的Ｒｔｏ５达到６００

ＳＰａ以上

时，其具有较高的抗拉强度、良好的断后伸长率及良好的综合力学性能．管线钢的屈强比（屈服强度与抗拉强度之比）是钢管抵抗破裂的重要参数，它体现了材料从屈ＪＩ展．Ｎ最后断裂过程中的变形能力．根据世界上各石油公司天然气钢管的技术条件，对屈强比的限定值多数在０．８５以下，实验用１６１Ｔ１１ＴＩ厚的Ｘ８０管线钢达到此规范要求．由表３可知，在一６０～２０℃温度范围内，虽然Ｘ８０

表２

Ｘ８０管线钢的力学性能

Ｔａｂｌｅ

２

Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆ

ｐｉｐｅｌｉｎｅ

ｓｔｅｅｌＸ８０

表３

Ｘ８０管线钢冲击实验结果

Ｔａｂｌｅ

３

ＩｍｐａｃｔｔｅｓｔｄａｔａｏｆｐｉｐｅｌｉｎｅｓｔｅｅｌＸ８０

万方数据

管线钢板冲击吸收功随温度的变化有所波动，但是变化幅度相对较小，都在３００Ｊ以上；由此可知，其韧脆转变温度低于一６０℃，实验钢具有良好的低温韧性指标．２．２显微组织分析

图１为ｘ８０管线钢的金相组织照片．由图１可知，Ｘ８０管线钢的金相组织由多边形铁素体和贝氏体组成，由ＳＥＭ观察可知，铁素体形状都被显著地拉长成为细条状，形状不规则，呈针状铁素体形貌；同时，未发现典型的贝氏体的板条结构，如图２所示．

图１

Ｘ８０管线钢的组织

Ｆｉｇ．１

Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆ

ｐｉｐｅｌｉｎｅｓｔｅｅｌＸ８０

图２

Ｘ８０管线钢的ＳＥＭ组织形貌

Ｆｉｇ．２

ＳＥＭｉｍａｇｅｏｆｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆ

ｐｉｐｅｌｉｎｅｓｔｅｅｌ

Ｘ８０

应用透射电镜进一步观察实验钢的组织，其结果如图３所示．由图中可以看出，其组织呈现明显的针状铁素体形貌，组织中针片结构较为发达．这是由于实验钢中含有的合金元素钼能够使铁素体析出线明显右移，从而抑制先共析铁素体的形成，但对贝氏体转变的推迟较小，所以，过冷奥氏

体直接向贝氏体转变．同时，由于钼的存在，碳在

第２期衣海龙等：Ｘ８０管线钢的组织与性能研究

２１５

奥氏体中的扩散激活能增加，从而使碳的扩散系和长大的同时，促进了高密度位错亚结构的针状数降低；因此，钼在强烈抑制先共析铁素体的析出

铁素体的形成［９｜．

图３

Ｘ８０管线钢的ＴＥＭ组织形貌

Ｆｉｇ．３

ＴＥＭｉｍａｇｅｓｏｆｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆｐｉｐｅｌｉｎｅｓｔｅｅｌＸ８０

（ａ）一多边形铁素体＋针状铁素体；（ｂ）一针状铁素体．

由表２和表３可知，组织的细化在提高实验速度可以减小岛状物的相对数量及尺寸，有利于钢强度的同时，也有效地改善了实验钢的韧性．由改善实验钢的韧性．透射电镜观察可知，实验钢中Ｍ／Ａ岛的数量较２．３析出物的分析

少，且尺寸较小．虽然Ｍ／Ａ岛为脆性组成物，对由表２，图２和图３可知，实验钢经控制轧制管线钢的韧性可能有不利影响，但均匀细小的和控制冷却后得到了细小的针状铁素体组织，获Ｍ／Ａ岛有利于改善钢板的韧性．在实验钢中形成得了钢板的细晶强化效果，提高了钢板的强度．对的Ｍ／Ａ岛主要是由于钢的成分和工艺的影响．于针状铁素体型的微合金钢来说，除了固溶强化首先，从化学成分上来说，实验钢的含碳量直接影和细晶强化，还有不可忽视的析出强化．为了进一响到岛状物的相对数量，由于本文所用的实验钢步分析析出物的成分及形貌，对实验钢进行了透射观察及成分测定．图４为利用透射电镜观察到织的形成．其次，在热轧过程中，采用较大的冷却

的典型的析出物的形貌及对应的成分分析．由图

图４Ｘ８０管线钢的ＴＥＭ析出物及对应成分

Ｆｉｇ．４

ＴＥＭｉｍａｇｅｓｏｆｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅｓａｎｄｔｈｅｉｒｃｅｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓｉｎｐｉｐｅｌｉｎｅｓｔｅｅｌＸ８０

（ａ）一尺寸较大的析出物；（ｂ）一尺寸较小的析出物；（ｃ）一对应的成分分析．

万方数据

碳含量相对较低，因此，一定程度上减少了岛状组

２１６

东北大学学报（自然科学版）

第２９卷

４可知，Ｘ８０管线钢中的析出物主要为微合金元素的碳氮化物．在组织中能观察到不同尺寸的碳氮化物，它们主要是在不同阶段不同温度下析出的，在钢中主要有以下两方面作用．

１）相对较大的碳氮化物尺寸一般在５０－－２００ｎｌＴｌ范围内，它们一般是在冷却过程的较高温度下析出的，其主要作用是钉扎晶界，阻止奥氏体晶粒长大．图４的成分分析表明，这种尺寸较大的碳氮化物主要为Ｎｂ，Ｔｉ（ＣＮ）．在多种碳氮化物中，ＴｉＮ的作用最显著，这是由于ＴｉＮ在奥氏体中的溶解度最低，热力学稳定性较高，最不容易粗化［１０｜．

２）相对较小的碳氮化物尺寸一般在３０ｎｍ以下，这种碳氮化物主要是在奥氏体向铁素体转变过程中或冷却到单相的铁素体相区时形成的．过饱和的固溶微合金元素在脱溶过程中析出了这种碳氮化物，尽管它们的体积分数很小，却能起到有效的强化作用．图４中析出物的形貌和成分分析表明，这种尺寸细小的碳氮化物主要为ＮｂＣ，尺寸大多在１０ｎｉｎ以下，由于实验钢中含有微合金元素钒，因此在成分测定中也检测到钒的碳氮化物．

图５为Ｘ８０管线钢中析出物的分布示意图．由图可知，尺寸细小的析出物的数量较多，它们对提高实验钢的强度起到了重要作用．在现场的生产过程中，综合利用微合金元素的作用，合理控制其析出相的析出过程是管线钢开发的关键．前面对析出物的分析表明，在析出总量相同的条件下，析出物的尺寸越细小，分布越分散，对强度的贡献越大，同时对韧性的损害越小．

蛔籁靛罂

析出物尺寸／珊

图５

Ｘ８０管线钢析出物分布示意图

Ｆｉｇ．５

ＢｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅｓｉｎｐｉｐｅｌｉｎｅｓｔｅｅｌＸ８０

３结论

１）采用控轧控冷工艺轧制１６ＥＬＴｎ厚的Ｘ８０管线钢，其中细化的针状铁素体及细小弥散的析出物有效改善了实验钢的强度及韧性．Ｘ８０管线

万方数据

钢的屈服强度达到６７０ＭＰａ以上，其屈强比低于０．８５，韧脆转变温度低于一６０℃，达到了很好的强韧性匹配．

２）Ｘ８０管线钢中大致存在两种典型的析出物．一种以Ｎｂ，Ｔｉ（ＣＮ）为主，尺寸较大（５０～２００ｒｉｍ）；另一种为以ＮｂＣ为主，尺寸细小（小于３０ｎｍ）．尺寸细小弥散的析出物有效提高了实验钢的强度，并在一定程度上改善了韧性．参考文献：

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/8ld4.html