回火热处理对X100管线钢组织和冲击断裂行为的影响

来源:莱芜钢铁集团有限公司技术中心作者:黄少文

通过SEM,TEM,EBSD和示波冲击实验研究了450℃回火对X100管线钢显微组织和冲击断裂过程的影响。结果表明:X100管线钢的组织为板条贝氏体(LB)、针状铁素体(AF)和粒状贝氏体(GB)和平行排列的细小片状马氏体/奥氏体(M/A)组元,原始奥氏体晶粒被晶内和晶界处的亚结构分割细化。回火后,平行排列的M/A组元消失,LB结构弱化,大角度晶界比例下降。实验温度降低,X100管线钢的冲击功(E)、裂纹形成能(E1)和韧性扩展能(E2)变化较小;回火后,E、E1、E2、脆性断裂扩展能(E3)降低,脆性断裂趋势增大,脆性断裂止裂性能变差。

随着世界石油天然气工业的发展,长距离输送管线正朝着大口径、大壁厚和高钢级方向发展,高强韧性、良好止裂性能及良好焊接性的低碳贝氏体管线钢成为发展趋势。油气输送管道的安全性和可靠性研究具有重要意义,冲击韧性一直都是高钢级管线钢的研究热点。示波冲击实验可以精确描述冲击断裂过程中各阶段的能量分布,反映材料的断裂特征及韧脆程度。组织类型、大角度晶界、晶界取向差、有效晶粒尺寸及M/A组元等微观组织结构对冲击裂纹形核和扩展具有重要影响。轧后热处理将会促使非平衡态组织以回复、再结晶方式向平衡组织演化,显著影响钢的显微组织和力学性能。

X100管线钢主要通过位错强化、析出强化和固溶强化等强化机制实现高强韧性。高冷却速度可以增加位错密度,增强位错强化作用,但很大程度上抑制了析出行为,弱化了析出强化效果。轧后回火热处理一方面使组织内部位错大量回复和消失,位错密度下降,促使贝氏体回复和多边形化,提高钢的塑性。另一方面,合金析出物在回火过程中析出,沉淀强化效应增强,提高钢的强度。GB/T212372007《石油天然气输送管用宽厚板》标准中钢板交货状态涉及了TMCP+回火工艺。目前,关于X100管线钢的组织和冲击韧性研究多以TMCP工艺为主,而TMCP和TMCP+回火态X100管线钢组织和冲击断裂行为研究的报道相对较少。

当回火温度较高时,轧态组织粗化,不利于强度的提升,并恶化止裂性能。为消除轧制过程中大冷速和低终冷温度引起的内应力,改善轧态钢板板形,降低屈强比,提高塑性,进行中低温度回火热处理。本文通过-60~20℃示波冲击实验,结合扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和电子背散射技术(EBSD),研究了450℃回火对X100管线钢显微组织和冲击断裂行为的影响,为高强韧性X100管线钢工业生产提供技术参考。

1、实验材料及方法

实验材料的制备经过铁水脱硫处理、120吨转炉冶炼、LF钢包炉精炼、RH真空脱气处理等工业生产过程,连铸成250mm厚度连铸坯。板坯加热后经过四辊可逆轧机和MULPIC加速冷却系统的4300mm宽厚生产线上轧制,获得TMCP状态的20mm厚度X100管线钢板。其化学成分(质量分数,%)为:C≤0.10,Si≤0.40,Mn≤2.0,S≤0.005,P≤0.010,Cu0.20~0.40,Cr0.20~0.40,Mo0.20~0.40,Ni0.20~0.40,Nb+V+Ti≤0.15,裂纹敏感性指数Pcm0.19%。实验钢再结晶开轧/终轧温度为1160/1120℃,未再结晶开轧/终轧温度为940/860℃,开冷/终冷温度为780/400℃,冷速为25℃/s。回火温度为450℃,保温时间为10min。为方便叙述,将TMCP实验钢定义为No.1实验钢,TMCP+回火实验钢定义为No.2实验钢。

按照GB/T228-2002《金属拉伸试验方法》标准,采用A50条形拉伸试样进行横向拉伸实验。根据GB/T19748-2005《钢材夏比V型缺口摆锤冲击实验仪器化试验方法》标准,通过ZBC275-D示波冲击试验机,进行横向-60~20℃V型缺口示波冲击实验,试样尺寸为10mm×10mm×55mm。沿着实验钢纵向切取取样,试样研磨、抛光后经4%硝酸酒精腐蚀后通过PhilipsXL30型扫描电镜进行显微组织观察和冲击断口形貌观察。试样抛光并经10%高氯酸酒精溶液进行电解抛光后,进行EBSD精细结构分析。通过H-800型透射电镜观察双喷薄膜试样的精细结构。

2、实验结果与分析

2.1、力学性能

两实验钢的力学性能如表1所示。可以看到,热轧钢板回火后,屈服强度由785MPa下降到731MPa,抗拉强度由845MPa大幅提高至931MPa,屈强比由0.93下降到0.79,断后伸长率提高到34.0%,满足美国石油协会颁布的《管线钢规范》(API5L),实验钢的强塑性得到改善。

表1 两实验钢的力学性能

两实验钢的力学性能

图1为两实验钢-60~20℃冲击功。由图可知,No.1实验钢-60~20℃冲击在200J以上。No.2实验钢随着温度降低冲击功逐渐降低,并且稳定性变差。

两实验钢-60~20℃冲击功

图1 两实验钢-60~20℃冲击功

结论

1)TMCP态X100管线钢回火后,屈服强度由785MPa下降到731MPa,抗拉强度由845MPa大幅提高至931MPa,屈强比由0.93下降到0.79,断后伸长率提高到34.0%,强塑性得到改善;

2)回火对冲击断裂行为影响较大。实验温度降低,TMCP钢的冲击裂纹形成能(E1)和韧性扩展能(E2)变化较小,(Pm-Pf)值变化不大,仅在-60℃时,脆性扩展能(E3)和止裂纹能(E4)有所降低。回火后钢的冲击功稳定性变差,韧性扩展能(E)、脆性裂纹扩展能(E3)、(Pm-Pf)值和(Pa/Pm)值逐渐降低,脆性断裂趋势增大,止裂性能变差;

3)回火后,最大冲击载荷(Pm)和裂纹形成(E1)有所降低。冲击实验温度降低,Pm逐渐增加,E1变化不大;

4)TMCP钢的组织为LB、AF和GB,原始奥氏体晶粒被2°~15°的小角度晶界分割细化,细小片状M/A组元平行排列。回火后,AF晶粒粗化,LB结构弱化,平行排列的M/A组元消失,原始奥氏体晶界和大角度晶界处的亚结构减少,LB回复并出现多边形化效应,大角度晶界比例由42.1%下降32.7%。