!"#管线钢微观组织分析王春明$鞍钢集团公司%吴杏芳$北京科技大学%摘要!"#管线钢的微观组织表现为多种类型混合组织&主要有多边形铁素体’块状铁素体$准多边形铁素体%’针状铁素体’粒状贝氏体’珠光体和()*岛等+各类组织的比例随加工工艺不同变化较大+提高冷却速度和降低终冷温度可以增加针状铁素体的比例+冷却速度较低$,-).%时&组织中出现明显的珠光体+关键词!"#管线钢显微组织针状铁素体*/012.3.4/(3564.768578694:!"#;3<913/9=7991>?@A B C D@E F@A$*/.G0/H64/0/I=7991J648<K4L%>DM F@A N?@A$O93P3/Q=539/590/I R95G/414Q2S/3T96.372%U V W X Y?Z X R G9[3564.768578694:!"#<3<913/9.7991.G4\.[0/272<9.4:[3]7869.76857869&[03/12 3/518I3/Q<412Q4/:966379&[0..3T9:966379$.0[90.<412Q4/:966379%&05358106:966379&Q603/^03/379& <90613790/I()*3.10/I.975L L R G9607344:905G.76857869Q6907125G0/Q9.\37G I3::969/7<6459..3/Q L R G9 607344:05358106:966379[023/5690.9^2603.3/Q54413/Q.<99I0/I I95690.3/Q:3/0154413/Q79[<9607869L ;90613794^T348.1245586.3/7G9.768578698/I9614\9654413/Q.<99I$,-).%L_‘a>b Y c W!"#<3<913/9.7991[3564.7685786905358106:966379d前言管线钢是低合金高强度钢$e=f*%的典型代表&它集材料设计’微合金元素运用和控轧控冷工艺于一体&按组织状态可以分为以下三种类型g $d%铁素体h珠光体钢+基本成分是K’(/+这是,#世纪i#年代以前管线钢所具有的基本组织形态+ !j,级以下的管线钢基本是铁素体h珠光体钢k !j i’!i#一般是铁素体h少量珠光体钢+通过l^’m’R3等微合金元素的控制&已生产出!"#级的少珠光体钢+$,%针状铁素体和超低碳贝氏体钢+针状铁素体$*5358106n966379%钢通过微合金化和控制轧制&综合利用晶粒细化’微合金化元素的析出相与位错亚结构的强化效应&强度级别提高很多+ $o%低碳索氏体钢+从长远观点看&未来的管线钢将向着更高的强韧化方向发展+如果控制轧制技术满足不了这种要求&可以采用淬火p回火的热处理工艺&通过形成低碳索氏体组织来达到q d r+我国管线钢研究起步较晚&到,#世纪s#年代才相继开发出!i j以下级别的管线钢&均为铁素体h 珠光体型+近年来&我国高强度级别管线钢的研究发展迅速&特别是针状铁素体管线钢已能够批量生产+最近刚刚完工的t西气东输u工程&选用了!"#针状铁素体管线钢&促进了国内管线钢的发展+鞍钢在管线钢研究方面进步很快&已成功开发出!"#针状铁素体管线钢及以下各强度级别的管线钢&成为t西气东输u工程供货商之一+本文采用热模拟实验方法&对鞍钢!"#针状铁素体管线钢在不同工艺制度下的微观组织进行了研究&并对组织分类进行了探讨+,实验方法,L d实验材料王春明&高级工程师&d v s v年毕业于上海交通大学固体物理专业&现任鞍钢集团公司办公室主任$d d w#,d%+xy z x,##w年第j期鞍钢技术*l J*l JR{K e l|f|J}实验钢的化学成分如表!所示"采用!#$%转炉冶炼&经炉外精炼后&浇铸成’($))*!++$))连铸坯&再经热连轧机组轧成!,-.))*!++$))的卷板"从现场连铸坯上取样进行热模拟实验&试样尺寸为/#))*!.))"采用012342%’!型金相显微镜观察金相组织&采用567’$$$89型透射电子显微镜进行电镜观察"透射电镜所用的金属样品的制备过程如下:由电火花切割成厚度为$-’))的薄片&再经机械法减薄到+$;)后&用电解双喷法获得厚度小于!$$<)的薄区"所用的电解液为+=高氯酸乙酸溶液&抛光电压+$>&电流#$)?"表!实验钢化学成分@=元素A B C D<E B0F>G C A H0C D20?I E J)A1K 含量@=$L$..$L’$!L+.$L$!,$L$$!’$L$,M$L$’M$L$’!$L!#$L!N$L’’$L$$M.$L$+’$L!#$L,$注:O J)PA QR D<QA H QA S T@’$QD2@!+Q>@!$QB C@($Q0C@.$Q+U V W1K PA QD<@.QR A S QD2Q>T@+QR0C QA H T@!+"’L’控轧控冷工艺热模拟实验为模拟实际热连轧机组控轧控冷工艺过程&在X I11F I1!+$$热模拟实验机上进行热模拟实验&在高温区采用三次高温变形&模拟热连轧机组的粗轧和精轧过程"选取不同的冷却速度进行快冷&并在一定的温度停止快冷&随后以$L+Y@Z的冷却速度缓慢冷却至($$Y后空冷至室温"研究其组织变化情况"热模拟实验方案见表’"表’热模拟实验方案样品号加热温度@YR时间@)C<T形变温度@YR形变量@=T冷却过程第一次第二次第三次冷却速度@Y[Z\!停止温度@Y!!!+$R,T!!$$R,$T N$$R(+T#’$R($T’.$$’!!+$R,T!!$$R,$T N$$R(+T#’$R($T!+.$$ (!!+$R,T!!$$R,$T N$$R(+T#’$R($T($.$$ ,!!+$R,T!!$$R,$T N$$R(+T#’$R($T’++$ +!!+$R,T!!$$R,$T N$$R(+T#’$R($T!+++$ .!!+$R,T!!$$R,$T N$$R(+T#’$R($T($++$ M!!+$R,T!!$$R,$T N$$R(+T#’$R($T’+$$ #!!+$R,T!!$$R,$T N$$R(+T#’$R($T!++$$ N!!+$R,T!!$$R,$T N$$R(+T#’$R($T($+$$(实验结果(L!光学显微镜下的微观组织光学显微镜下9M$管线钢典型的微观组织如图!所示"表现为多种类型组织混合存在"主要有多边形铁素体]块状铁素体]针状铁素体]粒状贝氏体和珠光体"对光学显微镜下的微观组织定量分析表明&冷却速度为’Y@Z时&组织中约有.$=多边形铁素体]’.-!=粒状贝氏体]!(-N=珠光体及微量的其它组织V冷却速度为!+Y@Z时&组织中约有’$=不规则块状铁素体]+$=针状铁素体]’+=粒状贝氏体及微量的其它组织"(L’透射电子显微镜下的微观组织透射电子显微镜下9M$管线钢在不同工艺制度下的微观组织如图’所示"可见&在透射电子显微镜下可以更仔细地区分各种组织"主要有:等轴铁素体R多边形铁素体T]不规则块状铁素体R或称准多边形铁素体T]板条形铁素体R针状铁素体T] D@?岛以及不规则奥氏体中温转变产物R或称为退化珠光体T等"(L(工艺参数对微观组织的影响从图’可见&工艺参数对微观组织的影响较大"终冷温度为.$$Y]冷却速度为’Y@Z的试样中&较多的是多边形铁素体和少量的不规则块状铁素体&针状铁素体较少R图’^T"同时还可见若干尺寸较大的方形析出物R!$$_’$$<)T"该类析出物为脱溶碳]氮化合物"图’F与图’J中等轴多边形铁素体较少或几乎未见&该类先形成的铁素体呈不规则形态&尺寸明显小于图’^试样中的铁素[‘‘[a鞍钢技术b’$$,年第+期图!光学显微镜下"#$管线钢的微观组织%&’冷却速度()*+,终冷温度--$).%/’冷却速度!-)*+,终冷温度--$)体0在冷却速度为!-)*+的试样中,针状铁素体比例增多,高密度位错存在于针状铁素体中%图(/’0冷却速度为1$)*+的试样中是以长度为!2 (34的针状铁素体为主的组织%图(5’0可见,热变形工艺相同,终冷温度为6$$)的上述三个试样随冷却速度的提高,组织中多边形铁素体减少,不规则块状铁素体和针状铁素体增加0终冷温度为--$),冷却速度分别为()*+7 !-)*+以及1$)*+试样的显微组织分别示于图(87图(97图(:0在冷却速度为()*+的试样中,等轴多边形铁素体尺寸不均匀,较大的直径约!$34,较小的约;340在铁素体中弥散分布细小的析出相,析出相尺寸为($<4左右,具有在位错处优先成核并与基体保持共格或半共格关系的特点%图(=’0在冷却速度为!-)*+和1$)*+的试样中,已出现不同程度的针状铁素体0后者试样中针状铁素体占主导,针状束的宽度明显小于前者0图(9中除了显示有宽度为!34以上的针状铁素体外,还有奥氏体中温分解的类珠光体产物,即在铁素体中的碳化物并不具有平行与平直的特点0该分解产物产生的原因不仅是由于低碳,同时也是由于控冷控轧的特点,也可称作退化型珠光体0图(透射电子显微镜下"#$管线钢的微观组织%&’冷却速度()*+,终冷温度6$$).%/’冷却速度!-)*+,终冷温度6$$).%5’冷却速度1$)*+,终冷温度6$$).%8’冷却速度()*+,终冷温度--$).%9’冷却速度!-)*+,终冷温度--$).%:’冷却速度1$)*+,终冷温度--$).%=’冷却速度()* +,终冷温度--$).%>’冷却速度()*+,终冷温度-$$).%?’冷却速度!-)*+,终冷温度-$$).%@’冷却速度1$)*+,终冷温度-$$)终冷温度为-$$),冷却速度分别为()*+7 !-)*+和1$)*+试样的显微组织分别示于图(>7ABCA王春明吴杏芳"#$管线钢微观组织分析图!"#图!$%冷却速度对显微组织的影响与前面两组规律完全一致%即随冷却速度的提高&多边形铁素体量减少&而针状铁素体量增加%这主要是由于热变形后加速冷却&使奥氏体向铁素体转变的温度降低&过冷度增加&从而增加了铁素体的形核率&细化铁素体组织%在抑制奥氏体向铁素体转变的过程中&增加了向贝氏体型相变的转变%从图!中还发现了呈现不规则形状的黑色块状组织&该类组织就是被称为’()岛的复相结构%’()岛的数量随冷却速度的提高而略有减少%*讨论*+,关于针状铁素体的概念如前所述&在光学显微镜下&针状铁素体管线钢的组织中含有多边形铁素体#块状铁素体#针状铁素体#粒状贝氏体和珠光体等几种组织%在透射电子显微镜下&组织中主要有典型的等轴铁素体#不规则块状铁素体-或称准多边形铁素体.#板条形针状铁素体#珠光体%文献中对管线钢中针状铁素体的定义一直不十分统一%/012345#67"89和/3:2437;5提出&’5<’0<=>针状铁素体钢的组织是以针状铁素体为基体&带有一定数量的岛状马氏体和渗碳体组织%还提出针状铁素体是连续冷却过程中形成的具有高的亚结构和位错密度的非等轴相&具有切变和扩散混合型相变机制&形成温度略高于贝氏体?!@%!A世纪B A年代初期&日本学者提出针状铁素体是指光学显微镜下观察到的各种不规则形状铁素体的混合组织&标以C D E F%国内对此也存在不同认识%有学者认为可将连续冷却过程中形成的准多边形铁素体#无原奥氏体晶界的贝氏体铁素体#粒状铁素体及’()组元归类到工程用针状铁素体组织的范畴%还有学者认为&应将管线钢的微观组织简化为铁素体和贝氏体两大类&而不一一区分各种铁素体&将板条形针状铁素体归为贝氏体&不规则块状铁素体归为铁素体&以方便工程分析应用?G@%这些观点在某些方面都有一定的道理&有待在实践中逐步统一%从我们的研究实验情况看&笔者认为工程用针状铁素体组织的界定除了/012345等人提出的特点外&还应突出两大特征&即在光学显微镜下的针状形态和在电子显微镜下的非等轴相%本研究在光学显微镜下观察到的针状铁素体即指这种针状形态非等轴相&这样对工程应用中的组织分析更为有利%本研究中典型的针状铁素体在电子显微镜下的形态呈条状&其内部存在亚结构及高密度的位错%*+!针状铁素体管线钢的最佳组织针状铁素体管线钢被称为第二代管线钢&比第一代的铁素体<珠光体管线钢具有多方面的优势%它的应力<应变曲线与传统的铁素体<珠光体管线钢曲线相比有很大区别&其特征是具有连续屈服现象%这一特性使其具有高的形变强化能力&从而可补偿和抵消因包申格效应所引起的强度损失%具有这一优良特性的原因&被归结于针状铁素体中存在高密度的可移动的位错&从而易于实现多滑移%此外&在焊接性能#耐腐蚀性能#低温韧性等方面&针状铁素体钢管线钢都显示出优良的性能%针状铁素体钢管线钢所具备的这些优良性能与其微观组织状况是密切相关的&或者说是由材料的热变形工艺和冷却制度所决定的%从管线钢的强化分析可知&其强化机制仍符合H;11<I4J9公式&即KL M NL A OL M9OL P9OL29OL89OL Q式中K LA RR铁素体基体强度SL M9RR固溶强化SL P9RR沉淀强化SL29RR位错强化SL89RR织构强化SL Q RR细晶强化%从中可见影响其屈服强度的主要因素有K细晶强化#位错强化#固溶强化和析出强化%针状铁素体管线钢以针状铁素体组织为特点&是当今高强韧性管线钢的理想组织之一%针状铁素体钢的优点是K靠氮化钛析出物和控制轧制来细化奥氏体晶粒&限制了魏氏组织和粗晶贝氏体的形成&使钢的韧性极高?*@%其中细晶强化项可表示为LQ NT: UV W,(!%对针状铁素体而言&它的典型微观形态是板条状的%强化项式中的晶粒直径V可用针状铁素体板条束尺寸表示%分析本实验数据&针状铁素体束尺寸V在X Y7左右-图,>.&比例系数T:取,X Z,[,\Z,=77W G(!之间?X@&估算L Q在!,G Z X*[ !X X Z B]’I;范围内%可见&针状铁素体组织的强化作用十分突出%因此对选择工艺参数而言&以追求针状铁素体比例最高和尺寸更细化为方向%从本文实验结果可知&实验钢最终形成的组织为多相U^_U‘鞍钢技术a!A A*年第X期混合组织!提高冷却速度和降低终冷温度有助于针状铁素体比例的提高"但事物不是绝对的!有文献认为!管线钢的针状铁素体比例不是越高越好!针状铁素体含量过高!将导致其冲击韧性下降"具有#$%针状铁素体组织的基体强韧性最好&’("从我们的实验看!很难达到这么高的比例"在工艺制度设计方面还有潜力可挖"$结论)*+,-.管线钢的微观组织表现为多种类型混合组织!主要有多边形铁素体/块状铁素体/针状铁素体/粒状贝氏体和珠光体"电子显微镜下还可以更仔细区分各种组织!并观察到012岛/退化珠光体等")3+各种类型组织的比例随热变形工艺的不同而变化"针状铁素体的比例随热变形后的冷却速度的提高和终冷温度的降低而提高"在实际工作中!应以追求针状铁素体比例最高和尺寸更细化为方向"参考文献*高惠临4管线钢组织性能焊接行为4西安5陕西科学技术出版社!*66$!7#8993:;<=>?@2A!0B C?<B D CEF42D B D G<H>I?>>B J?K L F2L J??<M N;>F B@?A B O?0;<P Q=?@G R S:;@J H B@B@TL J??<M N;>U H M H@=V B<W@=G M J>P2O SO<B D H J B;@!H L J H J?S;N S J C?S2>J S X?Y B?Z4W@5:<B R H[0;<P Q=?@G R :;R O H@P!*6-’!*97冯耀荣!柴慧芬!郭生武等4低碳超低碳微合金化管线钢显微组织的研究进展4材料导报!3..3!’!68*39徐勇!凌平!邓澄等4管线钢品种开发与生产技术4钢铁钒钛!*663!9!$$8’9$康永林!于浩!王克鲁等4:L A低碳钢薄板组织演变及强化机理研究4钢铁!3..7!*!3.83’’\4\H@H@]H4^:;@J>;<<?=X;<<B@T;N L J??<2@=L J>B O^4W@J?>@H J B;@H< 0?J H<M X?Y B?Z M!*6#*!_;49!*#$833.)编辑袁晓青+收稿日期‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘53..9a.-a7.)上接第3.页+线钢热轧卷板先后中标国内近*.条重点管线工程!尤其是独家中标全长约*’..]R的中国西南成品油管线工程"3..383..9年!鞍钢热轧带钢厂批量生产出)$b’8*3b$+R R c)6..8*9#.+R R cd高韧性管线钢,’.)F9*$/F9*$0e+热轧卷板约*’万J"根据各管线工程项目部的安排!鞍钢,’.)F9*$/ F9*$0e+管线钢热轧卷板发往中油和中石化有关骨干制管厂!制成)f9$-8f#*7+R Rc)$b’8 *3b$+R R c g规格的螺旋缝埋弧焊钢管!且,’. )F9*$/F9*$0e+管线钢钢管实物质量达到了h U e1\6-**b*a*666i/h U e1\6-**b3a*666i和h相应管道工程螺旋缝埋弧焊钢管技术规格书i的要求!并已成功应用于上述管道工程"$结语鞍钢j九五k和j十五k期间大规模技术改造的成功!大幅度提高了鞍钢冶炼a炉外精炼a连铸a轧钢综合技术水平和装备水平!产品的竞争力明显提高"3..3年!鞍钢高钢级管线钢热轧卷板开发取得了突破性进展!目前已逐渐形成,938,-.系列管线钢产品!先后批量生产,’.8,-.管线钢热轧卷板约7.万J!其实物质量达到国际同类产品的先进水平"鞍钢,’.热轧卷板采用:S0@S_Q S l系少珠光体钢设计!工艺采用纯净钢冶炼连铸技术和热机械轧制技术"其产品具有高强度/高韧性!尤其是具有良好的低温韧性和焊接性能!实物质量满足石油天然气输送管道用钢的使用要求!已成功应用于国内近*.条管线工程"参考文献*高惠临!董玉华等4管线钢的发展趋势与展望4焊管!*666!l33 )7+3F B GU G;m G H@!nH@TI G@R B@T!nH@To G Q B@40;>>B M B;@n e4A H M J H@=I G J G>?p?Y?<;O R?@J;N K L F2L J??<M4K L F2L J??<M q3...&:(4 e?B r B@T50?J H<<G>T B D H<W@=G M J>PA>?M M!3...!**8*672@J C;@PE4p?H>=;4铌在钢中物理冶金基本原理4铌s科学与技术!北京5冶金工业出版社!3..7!3-*87*7)编辑袁晓青+收稿日期53..9a.$a39stus王春明吴杏芳,-.管线钢微观组织分析。