超高強(qiáng)度管線鋼組織性能控制與工藝研究.pdf

1、隨著管道工程的快速發(fā)展，高強(qiáng)、高韌、高塑性管線鋼的研究與開發(fā)日益受到重視。目前，X100和X120作為超高強(qiáng)度管線鋼由于具有高強(qiáng)韌性、抗氫致裂紋(HIC)性能、抗硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂(SSCC)性能以及抗應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)性能，可以保證管線安全、降低輸送成本等優(yōu)點(diǎn)，被預(yù)測(cè)為未來最有可能全面應(yīng)用的超高性能管線鋼。
　　目前通過調(diào)整控軋控冷工藝(TMCP)，利用低溫大壓下和微合金化途徑生產(chǎn)高鋼級(jí)管線鋼存在著設(shè)備要求苛刻、微合金化成本

2、過高、生產(chǎn)效率低下等問題。本文通過熱模擬技術(shù)、控軋控冷工藝手段、力學(xué)性能測(cè)試及顯微分析方法，對(duì)X100管線鋼成分設(shè)計(jì)、軋制、冷卻工藝及其組織性能進(jìn)行系統(tǒng)研究;同時(shí)，對(duì)X120管線鋼提出了“控軋+弛豫+快速冷卻”、“控軋+間歇式快速冷卻”以及熱處理工藝路線，對(duì)其強(qiáng)韌性和組織的變化規(guī)律進(jìn)行研究。論文主要工作及研究成果如下:
　　(1)在MMS-200熱模擬試驗(yàn)機(jī)上，研究了Mn-Nb-Mo-Ti系X100和Mn-Nb-Mo-B-Ti系X

3、120實(shí)驗(yàn)鋼高溫奧氏體熱變形行為及等溫過程中靜態(tài)再結(jié)晶，分別計(jì)算出實(shí)驗(yàn)鋼的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶激活能和靜態(tài)再結(jié)晶激活能，并確定了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶特征參數(shù)。分析研究結(jié)果表明，隨變形溫度的降低和應(yīng)變速率的提高，實(shí)驗(yàn)鋼動(dòng)態(tài)再結(jié)晶與靜態(tài)再結(jié)晶均難以發(fā)生;隨變形量的增加，形變存儲(chǔ)能增加，靜態(tài)再結(jié)晶速率加快。利用最小二乘法確定X120管線鋼的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)再結(jié)晶激活能均高于X100。含B的X120無論是峰值應(yīng)力、應(yīng)變還是臨界應(yīng)力、應(yīng)變也都比X100要高，對(duì)于沒有明顯峰

4、值點(diǎn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，也有可能發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，需通過應(yīng)變硬化率和應(yīng)力的關(guān)系來確定是否有極小值點(diǎn)，從而確定是否發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。
　　(2)通過對(duì)奧氏體連續(xù)冷卻相變行為的研究，測(cè)定了不同變形條件下X100和X120實(shí)驗(yàn)鋼的奧氏體連續(xù)冷卻相變動(dòng)力學(xué)曲線（CCT曲線）。結(jié)果表明，變形量的增加與變形溫度的降低均顯著加速了相變，使針狀鐵素體和粒狀貝氏體開始相變溫度顯著提高;合金元素B的添加，抑制先共析鐵素體和中溫轉(zhuǎn)變組織的形核，促進(jìn)下貝氏體相

5、變，擴(kuò)大下貝氏體相變區(qū)域，使CCT曲線變得更加扁平;B元素的添加還抑制下貝氏體板條束長大，起到細(xì)化晶粒的作用。
　　(3)通過軋制工藝熱模擬試驗(yàn)，研究加熱溫度、軋制和冷卻工藝參數(shù)對(duì)組織及細(xì)化作用的影響。分析結(jié)果表明，對(duì)奧氏體、M/A組元和析出相等顯微組織采用熱加工過程的全過程控制的方法，即精確控制加熱溫度、粗軋、精軋和冷卻速度等工藝參數(shù)，能獲得最佳的組織細(xì)化效果。
　　(4)在實(shí)驗(yàn)軋機(jī)上對(duì)Mn-Nb-Mo-Ti系及高Nb系X

6、100實(shí)驗(yàn)鋼進(jìn)行了控軋控冷實(shí)驗(yàn)，通過TMCP工藝與HTP工藝的鋼板的組織、性能比較。結(jié)果表明，與TMCP工藝相比，通過HTP工藝實(shí)驗(yàn)鋼組織基體內(nèi)部晶粒度小于TMCP工藝，強(qiáng)度、低溫沖擊韌性和延伸率方面都有不同程度的降低，但HTP工藝較顯著地改善其屈強(qiáng)比。其中，Mn-Nb-Mo-Ti系X100實(shí)驗(yàn)鋼最優(yōu)工藝參數(shù)為:精軋開軋溫度780℃～800℃，終軋溫度760℃～780℃，終冷溫度440℃～460℃，冷卻速度30℃/s左右。此工藝鋼板屈服

7、強(qiáng)度達(dá)到751MPa，抗拉強(qiáng)度為894MPa，延伸率為20.6％，-20℃夏比沖擊功達(dá)到247J，韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-62℃。根據(jù)熱變形工藝回歸公式推算，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為769MPa，907MPa，19.7％，與實(shí)際值相吻合。
　　(5)通過對(duì)X120超高強(qiáng)度管線鋼弛豫階段中溫轉(zhuǎn)變組織超細(xì)化原理分析，提出“控軋+弛豫+快速冷卻”新型工藝路線。通過調(diào)整水冷開冷溫度來控制軟相針狀鐵素體的數(shù)量，在弛豫過程中，晶內(nèi)通過變形位錯(cuò)

8、重新排列，形成了位錯(cuò)胞狀結(jié)構(gòu)和亞晶，并通過隨后的快速冷卻將弛豫過程形成的亞晶界快速形核，生成硬相組織（接近馬氏體組織的下貝氏體），這種針狀鐵素體+下貝氏體的復(fù)相組織不僅具有很高的強(qiáng)度，還具有良好的塑韌性，軟相組織的加入優(yōu)化屈強(qiáng)比和抗大變形性能。理想的工藝參數(shù)為:終軋溫度800℃左右，弛豫至650℃附近，冷卻速度稍高于50℃/s，終冷溫度400℃附近。
　　(6)采用“控軋+間歇式冷卻”工藝，研究了軋制、冷卻參數(shù)對(duì)X120超高強(qiáng)度管

9、線鋼組織性能的影響。通過降低終軋溫度，使在較低溫度下充分變形的奧氏體中產(chǎn)生高畸變積累，在高冷卻速度下，迅速在奧氏體向鐵素體相變的動(dòng)態(tài)相變區(qū)前終止冷卻，進(jìn)入到弛豫階段，得到針狀鐵素體或粒狀貝氏體等中溫轉(zhuǎn)變組織，并通過隨后的快速冷卻至Ms以下，得到低溫下貝氏體/馬氏體組織。最優(yōu)的工藝參數(shù)為:終軋溫度850℃左右，冷卻速度均為50℃/s以上冷卻至560℃弛豫區(qū)間，弛豫時(shí)間為10s。這種硬化奧氏體不僅提供了弛豫過程中軟相針狀鐵素體相變所需的能量

10、，而且在其基體中形成大量的形變帶，為最終相變組織提供足夠的形核位置，該工藝板材力學(xué)性能優(yōu)良。
　　(7)對(duì)比研究了不同在線熱處理工藝對(duì)X120級(jí)管線鋼組織性能的影響。結(jié)果表明，在450℃保溫40min的回火工藝下，采用直接淬火工藝實(shí)驗(yàn)鋼回火后組織中大角度晶界百分含量略大于兩段式淬火工藝。但采用兩段式淬火工藝實(shí)驗(yàn)鋼綜合力學(xué)性能均優(yōu)于直接淬火工藝，且在450℃～500℃回火后，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到X120管線鋼性能標(biāo)準(zhǔn)。從節(jié)能減排環(huán)保角度出