组织和织构对X80管线钢力学性能各向异性的影响_韩盈.pdf

试验与研究组织和织构对管线钢力学性能各向异性的影响韩盈余伟（北京科技大学工程技术研究院，北京 ；北京科技大学高效轧制国家工程研究中心，北京 ）摘要：检测了管线钢不同轧制方向的力学性能，并分析不同位置的显微组织形貌和织构信息，讨论了显微组织和织构对管线钢力学性能各向异性的影响。管线 钢板表面和中心面的织构有所不同，对力学性能各向异性影响较大的丨和丨织构占据主要地位：与乳制方向成方向的强度均高于和 的，与方向的冲击性能接近，且均大于方向的。关键词：管线钢；显微组织；织构；力学性能：开放科学（资源服务）标识码（）：，（，；，）：，（，？，：；管线钢的生产一般采用控轧控冷工艺！，），在合理的化学成分设计基础上，通过控制形变组织及轧后的冷却速度，使钢的晶粒得到显著细化、组织结构和机械性能得到优化，从而使钢材具有优良的综合性能。等通过调整 参数来改变钢的微观结构，得出针状铁素体是最耐开裂的微观结构等用特殊的工艺来提高管道钢的韩盈（），女，在读博士研究生，主要从事合金钢的组织性能研究通信作者：余伟（），男，博士，研究员，博士生导师。抗氢致开裂性能，得出通过优化加速冷却条件，降低中心偏析区的马氏体和贝氏体体积分数，可提髙管道钢的抗氢致开裂性能。织构是多晶体取向分布状态明显偏离 随机分布的取向分布结构，它会导致钢板力学性能的各向异性，从而影响钢板的使用性能。织构对于管线钢的力学性能有重要的影响作用，而控轧控冷条件下会形成织构。研究表明，管线钢中存在的织构，如 和，可以为管线钢提供额外的氢致开裂 能力。等？利 用特殊的工艺溶解夹杂物并消除偏析带，认为织构对钢的抗氢致开裂敏感性起着重 要作用，强的丨纤维织构可以增 加管线钢的氢致开裂阻 ，钢管 年月第卷第期试验与研究力，相比之下，丨 纤维织构使钢极易受到氢脆的影响。等？得到同样结论，并表明减少纤 维织构，就会减少该织构提供的穿晶和晶 间 的裂纹扩展路径的数量，从而降低氢致开裂发生的可能性。因此，人们非常关注控制各向异性以改进材料性能。本文通过显微组织观察、力学性能检测、冲击试验与射线衍射技 术 相结合，研究管线钢中微观组织和主要热轧织构组分的变化趋势与形 成特点，系统分析管线 钢的控轧控 冷工艺与显微组织、宏观织构、力学性能之间 的关系。试验材料及方法试验材料为低碳低 锰的管线钢板，其化学成分见表，原始板厚为。试验用管线钢采用控轧控冷工艺，加 热温度第一阶段开轧温度 为，终轧温度 为冗，中间板坯厚度；第二阶段开轧温度 为，终轧温度为？最终板坯厚度为；轧后加速冷却到左右，然后空冷至室温，总变形量为。根据该管线钢的过冷奥氏体连 续冷却 转 变曲线（曲线）可知，该钢加热到过程中会发生铁素体向奥氏体转变，在此温度 附近轧制 时奥氏体晶粒能够充分细化，达到 细晶强化的效果；而且、等微合金元素保持较高的固溶量，会在轧制过程中充分析出，析出颗粒呈细小弥散分布，达到固溶强化的效果。表低碳低锰试验用管线钢的化学成分（质量分数）在 热 轧后的管线 钢板上取样，金相试样经研磨、抛光后用的硝酸酒精溶液侵蚀，然后在扫描电镜上观察组织形 貌。在与轧制方向成、和方向上各取根试样，参照 金属材料 拉伸试验第部分：室温试验方法取￥棒状拉伸样在型材料试验机上进行拉伸试验；在与轧制方向成。、。和。方向上各取根，尺寸 为的夏比冲击试样，使用型缺口，深度，参照金属材料夏比摆锤冲击试验方法在型冲击试验机进行冲击试验。分别在 与轧制 面平行的钢板表面和中心面位置取试样，经研磨到目后，用型号为的射线衍射仪对钢板表面与中心面的织构信息进行采集，靶材使用靶，对、和不完整极图进行测定，并利用 软件根据级数展开算取向分布函数（，）图。试验结果与分析显微组织观察管线钢板表面和中心面的组织形貌如图所示。由图可以看出，表面和中心面组织都为针状铁素体和多边形铁素体，表面的 晶粒尺寸略小于中心面，多边形铁素体在两位置处均占据主导。（）表面（）中心面图管线钢板的组织形貌宏观织构分析管线 钢的表面和中心面的 图如图所示。可以看出，控轧控冷管线 钢的表面和中心面的织 构 有明显的区别。对图计算得出，管 线 钢的表面织 构种类较为分散，主要有：、，其中晶向织 构 强烈；中心面的织构主要为近、和近丨。晶向在管线钢表面和中心面均明显。为了更直观地对比重要 织构的演变规律，对管线钢表面和中心面在取向空间内特定取向线上的密度变化情况进行分析，如图所示。管线钢的表面与中心面的织构以及极密度有一些差别，中心面的织构极密度普遍小于表面，尤其是对钢板的力韩盈等：组织和织构对管线钢力学性能各向异性的影响钢管年月第卷第期试验与研究 沪（。）（）。，少 （。）（），乳 制 表 面轧 制中心面图管线钢 板在特定取向线上的密度变化情况力学性能图给出了管 线钢在与轧制方向成、和的力学性能结果，性能指标均 满足学性能有不良影响的丨 织 构和丨 织构。丨 织 构在中心面上的强 度大于表面。另外，织构在表面上的极密度 大于中心面，此类型织构对强度和韧性有利。管线钢管规范对级别的要求。从图（）中看出，管线钢材的力学性能存在明显的各向异性；与轧制方向成的强 度性能均高于。和。，屈服强 度差值分别为、；。方向的强度和。方向相近，但是方向的延伸率是个轧制方向中最高的从图（）可以看出，与轧制方向成、的冲击功 非常接近，但当轧制角度增大到后，冲击功显著下降，这也表明冲击性能在轧制方向上存在各向异性。强度代表的是材料在拉力作用下表现出来的抗拉极限性能，冲击功是材料在冲击载荷作用下 瞬间吸收塑性变形功和断裂功的能力，结合强度、韧性和冲击性能来看，在与轧制方向成方向，管线钢的性能最优。讨论统计发现，管线钢表面的铁素体的平均晶粒尺寸 为，中心面的为。表面组织晶粒较细小，多边形铁素体少；中心面晶粒较表面粗大，多边形铁素体较表面略多；且两位置组织中针状铁素体晶粒仍然有明显的方向性。第一阶段的轧制在奥氏体区，大的压下量使得奥氏体晶粒充分细化；第二阶段的轧制在两相区进行，奥氏体晶粒被拉长，位错密度 随着轧制压下量的増大而变多，有效细化了晶粒，且第二阶段的轧制温度还可促进（）表而？以二（，（）中心而？：？：图管线钢板的表面和中心面的 示 意 ，试验与研究图管线钢材与轧制方向成不同 角度的力学性能银、钛的碳氮化物在奥氏体内的析出，阻止奥氏体晶粒的长大，从而细化相变后的 晶粒。在快速冷却的过程中，奥氏体会转变为多边形铁素体，在较低的温度下，这种转变会更困难，直到残余奥氏体转变为针状铁素体。低的终冷温度能够限制多边形铁素体的形成，中心面由于轧制过程中“返红”的原因，温度会高于表面，所以 中心面的多边形铁素体含量会高 于表面。由图和表可知，此种工艺下，组织细小均匀，得到良好的强度与钿性。管线钢在轧制过程中会在热加工作用下产生择优取向。若在奥氏体区轧制，会产生再结晶织构和形变织构，这种织构在随后的仏相变过程中会遗传给铁素体；若在两相区和铁素体区轧制，得到的形变织构强度较强，且轧制温度越低织构越强。文献，的研究结果表明，管线钢在生产加工变形过程以及相变过程中会形成、与等热轧织构，而这几种织构对管线钢力学各向异性影响较 大。分析图可知，该管线钢控轧控冷后钢板的主要织 构存在的 晶面有、，晶向则以 方向为主。虽然 有对管线钢各向异性有利的织构丨的存在，但仅存在于表面，如图（）所示，但是极密度和含量相比于其他几种不利织 构（、）而言，含量甚微，表现为图和表中力学性能各向异性的结果。钢板表面织构与中心面织构有所不同，钢板表面的织构取向比较紊乱，这主要是因为在控冷过程中，钢板表面的冷却速度要比 中心面髙，轧制温度比表面中心面低，由此可以推断较低的终冷温度和较高的冷却速度使得织构减弱，主要织构晶面由扩散为、和丨，而织构晶向由单一的 扩散为、角度（）（）强 度 和延伸 率抗 拉强度。屈服强度 延 伸 率角度（）（）冲击功 冲 击 功、和等。这说明热轧 钢板快速冷却有利于减弱丨相变织构，并扩散为其他织构组分在钢的控轧控 冷中，为了改 善组织和力学性能，往往采取两相区或铁素体区轧制，它们都涉及铁素体变形从而产生较强的铁素体轧制织构，即不完整取向线（）和完整取向线（，包括有诸多文献对轧制过程中晶粒取向的演变途径进行了深人细致的理论和试验研究，表明轧制时晶粒取向演变主要有如下两种途径：，丨）；，叫？叫 。可以看出，最稳定织构取向是丨丨，当铁素体轧制之前的初始织构处在上述两条路径上，均会出现沿、路径向稳定取向 丨转动的趋势。而在本研究中也发现，在中心面处存在的稳定织构，如图（）所示。然而，在实 际轧制过程中，这种取向的演变是有条件的，往往不能彻底演变为最稳定取向。所以，钢在铁素体轧制后通常会出现较强的中间状态织构取向，比如、和丨等。综合考 虑其对热轧 钢 板塑性 应变比、屈服强度和軔性的影响，热轧织构从最理想到最不理想的排列顺序为：、。在本研究中，管线钢经控轧控冷后，显微组织相差并不大，力学各向异性有影响 的主要是织构。表面和中心面存在对力学性能各向异性影响较大的、织构，对应到 力学 性 能上表现为：与轧制方向成的强度性能均高于。和。，。和。、。和。之间的屈服强度差值分别为、；冲击性能 表现为与轧制方向成、的冲击功接近，但 方向的冲击功显著下降。这证实了此类织构对钢板的各向异性有不良影响。结论（）管线钢的表面和中心面的组织均为针状铁素体和多边形铁素体，表面组织平均晶粒尺寸为，中心面的平均晶粒尺寸为。韩盈等：组织和织构对管线钢力学性能各向异性的影响钢管年月第 卷第期？：發？销试验与研究（）管线钢板存在明显的各向异性。在与轧制方向成、和方向上的强度 有所不同，方向上的屈服强度明显高于其他两个方向；与乳制方向呈。、。的 冲击功接近，且均大于。（）织 构是影响管线钢力学性能各向异性的主要因素。表面和中心面的织 构 有所不同，表面织构种类较为分散，主要织 构为丨、；中心面的织 构主要为近、和近。对力学性能各向异性影响较大织构是和，影响较小的织 构是而丨 和占据主要地位，造成力学性能各向异性。参考文献王国栋控轧控冷技术的发展及在钢管轧制中应用的设想钢管，（）：彭 龙洲，陈利明，杜新立，等简析控轧控冷技术在无缝钢管生产中的应用钢管，（）：刘宇，张立忠，高维新管线 钢的历史沿革及未来展望油气储运，（）：莫根源，尤凤志，严斌钛氮比对高强度 管线钢管低温冲击軔性的影响钢管，（）：钱 海帆工艺生产 管线 钢的微观组织及强化机理钢铁研究学报，（）：李龙，唐正友，丁桦，等低碳锰钢强韧化机制的研究金属热处理，（）：，（）：，？，：宗毳，毛卫民，朱国辉晶体学织构 与晶粒形状对管线钢屈服强度各向异性的影响金属热处理，（）：，（）：陈文，刘清 友，孙新军，等降低管线 钢拉伸强度 各向异性的热乳工艺钢铁研究学报，（）：，？，（）：，？，（）：，？，（）：，？，：，：张鹏程，王路兵，唐荻，等热装温度对管线钢组织及析出行为的影响金属热处理，（）：王海 燕，毛卫民，谭啸，等不同终冷温度下管线 钢热乳板的组织与织构演变金属热处理，（）：，：？，（）：，？，（）：，（）：，？，（），（收稿日期：；修定日期：），