淬火温度对X80管线钢组织和力学性能的影响

来源:商丘职业技术学院作者:马永杰

研究了X80钢在不同淬火温度后的组织和力学性能的变化。结果表明,淬火温度为1000℃时,X80钢的奥氏体晶粒严重粗化,导致粗板条贝氏体铁素体的产生,致使X80钢的强度升高、韧性和硬度严重降低;当淬火温度为930℃,并辅以适当的回火处理,可以使X80钢获得以细小针状铁素体为主的组织,从而获得良好的硬度、强度、塑性和韧性的配合。

随着我国能源结构调整和环保需求,对天然气的需求不断增加,目前正以平均7%的增长速度增加,预计到2020年中国还将新建50000Km的天然气管线。长输管线建设正朝着大直径、大壁厚、高压输送方向发展,这就要求管线钢具有高强度和高韧性性能。目前,管线钢的研究多集中在对钢管的韧性、焊接性和抗腐蚀性上,且主要在对X60和X70管线钢组织和性能的改善方面,而对高级别管线钢(如X80和X100)的组织和性能的研究还略显不足。

对高级管线钢除了合理设计其化学成分之外,热处理工艺的优化也是获得良好的强韧性的必由之路。本文针对国产X80管线钢,通过选择合适的淬火温度,来研究X80管线钢的组织和良好的综合力学性能的配合,以此来指导生产。

1、试验材料及方法

试验用的钢坯是在真空感应炉中冶炼、真空浇注成100kg的钢锭。为了满足实验的要求,钢的化学成分设计为(质量分数,%):0.062C,0.18Si,1.81Mn,0.012P,0.001S,0.27Ni,0.06Nb,0.06Cr,0.036V,0.014Ti,0.15Cu。将钢锭加工成断面尺寸为100mm×100mm的热轧试样。将热轧试样加热到1200℃保温1h后,利用D450mm试验轧机,经两阶段控制轧制,第一阶段的轧制温度1050~1000℃,第二阶段轧制温度为900~800℃,轧制后快速冷却(冷速为20℃/s)后得到厚度为22mm的板坯。热处理试验在箱式电阻炉中进行,淬火介质为10%NaCl水溶液。

热处理后的试样分别进行硬度、拉伸、冲击试验及组织分析。拉伸试验取于板厚中部,为横向取样,加工成Φ12.7mm的标准试样。拉伸验按照GB/T228-2002《金属拉伸试验方法》,在MTS-880型万能试验机上进行。夏比冲击试验试验采用10mm×10mm×55mmV型缺口试样,试样位于板厚中部,沿横向取样,缺口沿板厚方向。冲击试验按照标准GB/T229-1994《金属夏比缺口冲击试验方法》,在JBC-500型冲击试验机上进行。

制作金相分析试样,金相试样的截取选择在热处理后钢板的横截面1/4宽度附近。金相试样的规格为20mm×20mm×50mm,经过粗磨、精磨、研磨、抛光后用浸蚀液(3%硝酸酒精溶液)腐蚀,然后放在MEF-4光学显微镜上观察试样的显微组织。

2、试验结果与分析

2.1、淬火温度对X80钢组织的影响

根据公式:AC3=910-320C-14Ni-12Cu-10Mn+5Cr+14Mo+18Si(式中元素符号均表示该元素的质量分数)来计算该钢种的奥氏体化温度为870℃。该材料所含合金元素中Mn是扩大γ相区元素,Mo和Cr是缩小γ相区元素,同时试验材料中还含有一定量的微合金元素Ti、Nb,能够抑制高温奥氏体化时的晶粒异常长大。若淬火温度过低时,还存在未溶解的碳化物,奥氏体组织不均匀,固溶的C和合金元素偏低,淬火后马氏体的强度会偏低;若淬火温度过高,奥氏体晶粒将粗大,强度也会偏低。所以选择淬火温度分别为900、930、950和1000℃进行研究。图1为试样在不同温度下淬火的金相组织。

试样钢在不同温度下淬火的金相组织

图1 试样钢在不同温度下淬火的金相组织

由图1可知,试样在900℃下淬火时,淬火后金相组织中的碳化物分布不均匀,金相组织主要以残余奥氏体、铁素体和粒状贝氏体为主,同时在组织中还夹杂有少量的马氏体组织。当淬火温度高于930℃时,试样中均获得了以板条马氏体为主,同时组织中还夹杂有少量的残余奥氏体、贝氏体和极少量的铁素体组织,随着淬火温度的升高,奥氏体晶粒越大,晶界越粗糙。

2.2、淬火温度对X80钢的力学性能的影响

在热处理后的试验钢中选取硬度测试点,在试样上设置8个点,各淬火温度下的硬度测试结果如表1所示。

表1 硬度(HV)与淬火温度的关系

硬度(HV)与淬火温度的关系

由表1可知,试验钢的淬火硬度在950℃是达到最高值,而淬火温度的升高或降低都将使硬度下降,并且当温度升高时淬火硬度下降更为明显。由此可知,X80钢在900℃淬火时,其晶粒尺寸较小,由于淬火温度偏低试验钢未能完全奥实体化,其内部碳化物分布不均匀,未能获得以马氏体为主的淬火组织。当试验钢在930℃淬火时获得了以马氏体为主的金相组织,并且该组织的晶粒相对细小,试验钢的硬度较高。研究证明,钢的硬度的高低一方面取决于试验钢晶粒度的大小,另一方面还与钢的化学成分有关,尤其是C及其合金元素在奥氏体中的溶入量。经验表明:试验钢中,在获得同种显微组织的前提下,晶粒越细小,变形抗力越大,钢的硬度值越大。

表2 淬火温度对X80钢力学性能的影响

淬火温度对X80钢力学性能的影响

另外,随着试验钢淬火温度的升高,钢中合金元素Cr、V、Nb等强碳化物元素的溶解度增加,奥氏体基体的合金元素也逐渐提高,试验钢淬火后马氏体中的C和合金元素的饱和度也增加,钢的硬度就会有所提高,淬火组织中残余奥氏体量也增加,又会使钢的硬度下降;另外,随着钢淬火温度的升高,钢中奥氏体晶粒的尺寸又有所增大,相变后的马氏体板条束的尺寸增大,又使钢的强度和硬度下降,所以钢在950℃时的淬火硬度最高。表2为不同淬火温度对X80钢力学性能的影响。

随着加热温度的升高,X80试验钢的强度升高,尤其是当淬火温度超过930℃时,其强度升高幅度更大。

当淬火温度由900℃增到950℃时,X80试验钢的塑性呈逐渐步下降趋势,当加热温度为1000℃时,试验钢的塑性较950℃加热温度略有回升。淬火温度为900℃和930℃时,X80试验钢具有良好的低温冲击韧性,但当温度超过930℃时,其低温韧性出现大幅度下降,淬火加热温度越高,韧性下降越严重。由此看出,X80试验用钢的淬火加热温度在900℃和930℃时,可以获得良好的强韧性配合。对不同淬火温度下的试样在-20℃冲击断口进行了扫描电镜分析,发现断口形貌存在较大的差异,四种淬火温度下冲击试样裂纹扩展区形貌见图2。

不同加热温度下X80钢-20℃冲击断口照片

图2 不同加热温度下X80钢-20℃冲击断口照片

淬火温度为950℃和1000℃时,裂纹扩展呈现出解离为主的形貌,如图2(c)、2(d),说明在承受动载时二者表现出较差的变形能力。淬火温度为900℃和930℃时,冲击断口扩展区形貌为韧窝,在大韧窝底部有颗粒状析出相的存在,如图2(a)、4(b),这种颗粒状的析出相就是韧窝产生的主要原因。

由图1可以看出,淬火温度为900℃、930℃时,X80钢组织有着细小的奥氏体晶粒,并且在奥氏体晶粒内形成混杂分布的组织。有效晶越细,管线钢的韧性就越高。所以,在900℃、930℃淬火温度下,形成的细小的有效的晶粒就是X80钢获得高韧性的主要原因。另外,由淬火温度比较低,有一定的未溶碳化物存在,限制了奥氏体晶粒的充分长大,使得奥氏体内部成分有一定的不均匀性。经过快速冷却,在奥氏体晶粒内部先后形成粒状贝氏体、贝氏体铁素体等的混合组织。文献[5]研究表明,钢中形成多相组织对获得高的强度和良好的塑性、韧性等综合力学性能较为有利。因此,X80钢淬火温度为900℃、930℃时,所获得的混合组织为其获得良好的回火组织准备了条件。

通过以上分析可知,对X80钢进行不同温度的10%NaCl水溶液淬火,再进行650℃的回火处理,其组织状态的变化导致其力学性能发生较大变化,说明通过合理选择淬火温度可以实现对钢组织和性能的有效控制。结果表明,通过900℃、930℃的淬火处理,同时辅以650℃的火处理,可以使X80钢获得以细小针状铁素体为主的组织,从而获得良好的强韧性配合。

综上所述,为900℃、930℃淬火温度时X80钢的力学性能比较接近,但二者还有一定的差别,如表2,900℃淬火时,塑韧性均优于930℃,而强度低于后者。由表1可知,X80钢在950℃时的硬度最大,930℃时次之,900℃时又次之,所以,对于X80钢在930℃是具有良好的综合力学性能配合。

3、结论

1)淬火温度为1000℃时,X80钢的奥氏体晶粒严重粗化,有粗板条贝氏体铁素体的出现,X80钢的强度升高、硬度和韧性严重降低。

2)淬火温度为930℃,同时辅以合适温度的回火处理,X80钢获得细小针状的铁素体为主的组织,获得良好的综合力学性能。