周茂奇 郭世宝 张振申 管刘辉

(安阳钢铁集团有限责任公司)

贫珠光体型管线钢带状组织对性能影响研究

周茂奇 郭世宝 张振申 管刘辉

(安阳钢铁集团有限责任公司)

通过光学显微镜和扫描电子显微镜对贫珠光体型管线钢的带状组织形貌进行观察，发现带状组织主要出现在钢的厚度中心，以伴有少量M/A相的珠光体带为主。带状组织的形成与成分偏析和TMCP工艺有密切关系，受工艺波动带状组织呈现出不同级别。本文通过对管线钢卷板和钢管的工业生产数据的统计分析，以及不同带状组织级别样品的对比试验，发现带状组织级别与材料强度、冲击功、DWTT剪切面积等力学性能指标无明显相关性，对材料各向异性、制管的包申格效应和落锤断口无明显影响，而对抗HIC性能具有一定影响。

带状组织 管线钢 DWTT HIC

0 引言

一般来说，热轧低碳钢的带状组织是指沿钢材轧制方向形成的，以先共析铁素体为主的带与以珠光体为主的带彼此交替排列而成的组织形态，其形成原因，主要是钢材热轧后冷却过程中发生相变时，铁素体优先在由枝晶偏析和非金属夹杂延伸而成的条带中形成，导致铁素体形成条带，铁素体条带之间为珠光体带，二者相间分布。带状组织的存在使钢的组织不均匀，并对钢的各向异性、冲击韧性等有着重要影响，因此通常将带状组织列入检验规范，其评级办法一般采用GB/T 13299。

对于X60－X70级别管线钢而言，其组织类型通常为贫珠光体型(组织为PF+P+GB)，其带状组织主要是厚度1/2处的中心偏析造成的较严重的带状，这种带状往往呈不连续分布，形态复杂多样，与铁素体－珠光体带有着明显区别。行业内对高强度级别管线钢带状组织评级通常是采用中石油企业标准，根据此评级办法，贫珠光体型管线钢有时出现3级甚至大于3级的带状组织。然而，对于这种中心偏析引起的带状组织，其级别对产品性能的影响程度，目前还少有研究。下面笔者就安钢管线钢工业生产过程中，不同级别的带状组织对制管前后力学性能、抗HIC性能等方面的影响进行分析阐述。

1 试验方法

试验材料为安钢批量生产的X60级别管线钢，钢的化学成分见表1。

表1 化学成分 wt%

板卷采用TMCP工艺生产，制管工艺为螺旋埋弧焊。对管线钢板卷和加工后的钢管，均按照ASTM标准进行了各项力学性能检验，并按照中石油企业标准进行了带状组织的评级。

首先对不同级别的带状组织形貌进行了光学显微镜(OM)观察，并对成分偏析情况通过SEM进行了能谱分析。为考察带状组织级别与材料力学性能指标的关系，选取一定批量的板卷工业生产检测数据和钢管工业生产检测数据进行了对比统计分析。由于带状组织级别存在微观的不均匀性，因此采用统计分析方法更加可靠。

此外，在板卷上各取带状组织为1级、2级和3.5级的三套试样(编号分别为 A、B、C)，考查了各向异性、制管后包申格效应值、韧脆转变曲线、落锤断口及抗HIC性能等方面与带状组织级别的关系。

2 分析讨论

2.1 带状组织形貌及形成原因

管线钢的带状组织，一般是由于合金元素偏析引起［1－5］。根据试验材料的化学成分，通过SEM在条带和基体上对Mn元素进行能谱分析，结果如图1所示，元素含量百分比见表2。

图1 条带和基体上Mn元素的能谱分析

表2 条带与基体的能谱分析

由图1、表2可以看出，材料中Mn元素明显存在着中心偏析。带状组织的产生，在于连铸坯在凝固过程中碳和其他元素一起发生枝晶偏析，使钢中各区域存在化学成分的不均匀，从而各个区域的Ar3点温度不同。当从奥氏体区冷却发生相变时，铁素体优先发生于临界点较高的贫碳贫合金元素带上，铁素体的形成把碳进一步排斥到富碳、富合金带中，最后转变形成富碳的组织带。因此带状组织与控轧控冷的条件有密切关系［3］。随着终冷温度、冷却速度等参数的波动，带状组织的条数、宽度和分布集中度等随之变化。根据对一定批量试验材料的带状组织形貌进行观察，带状组织主要出现在试样厚度1/2处，在试样表层和1/4处几乎未出现带状组织。带状组织以珠光体带为主，伴有少量M/A相。带状组织的连续性、密实程度、宽度和分布集中度呈现出复杂多样的特点，其中3.5级带状组织相比于较轻微的带状组织，其特点主要在于条数较多且分布集中度较高。图2所示带状组织级别为3.5级。

图2 3.5级带状组织

2.2 带状组织与材料拉伸性能及包申格效应

表3为板卷检验和钢管检验时不同带状级别的力学性能统计平均值，表4为不同带状组织级别的三组试样A、B、C在制管后因包申格效应引起的强度变化。可见，无论是管线钢板卷检验结果，还是加工后的钢管检验结果，不同带状组织级别的拉伸性能差异均在性能的正常波动范围内。

表3 板卷检验和钢管检验时不同带状组织级别的拉伸性能

表4 不同带状组织级别下包申格效应引起的强度变化

可以认为，带状组织级别与强度和伸长率等拉伸试验性能指标，以及与制管后包申格效应引起的强度变化值，均无明显相关性。

2.3 带状组织与材料冲击性能、DWTT性能

表5为板卷检验时不同带状级别的冲击性能统计平均值，表6为钢管检验时不同带状级别的冲击性能统计平均值，图3为不同带状组织级别的三组试样A、B、C，在各试验温度下的冲击功曲线。表7为板卷检验和钢管检验时不同带状级别的DWTT性能统计平均值。

表5 板卷检验时不同带状组织级别的冲击性能

表6 钢管检测时不同带状组织级别的冲击性能

图3 不同带状组织级别各温度下的冲击功

表7 板卷检测和钢管检测时不同带状组织级别的DWTT性能

可见，不同带状组织级别的冲击性能和DWTT性能指标差异值均很小，较高的带状组织级别并没有引起冲击功和DWTT的显著恶化。可以认为，带状组织级别与冲击性能和DWTT性能无明显相关性。

2.4 带状组织与各向异性

表8给出了不同带状组织级别的A、B、C三组试样，分别在横向、纵向和45°方向的性能，并采用纵向、45°方向性能与横向性能的比值作为考察各向异性的指标。可见，材料的各向异性情况均呈现出相似规律，带状组织级别对材料各向异性无明显影响。

表8 不同带状组织级别下不同方向的性能

2.5 带状组织与落锤断口

有文献［3］认为带状组织的边界引起应力集中，容易使DWTT断口出现分离裂纹，从而导致DWTT剪切面积偏低。图4为A、B、C三组样品在－15℃下的DWTT断口照片，可见均未发生断口分离裂纹。其原因可能与带状组织的形貌特征有关。贫珠光体型管线钢的带状组织，相比于典型的铁素体－珠光体带，其珠光体含量较少，带状与基体的硬度差异相对较小，且带状连续性不强，以致未引起严重的应力集中，所以没有出现分离裂纹。

2.6 带状组织与抗HIC性能

图4 同带状组织级别的DWTT断口

氢致裂纹HIC是指金属材料在含H2S介质的作用下，由电化学腐蚀过程中析出的氢进入金属材料内部产生阶梯型裂纹，这些裂纹的生长发育最终导致金属材料发生开裂。对HIC敏感的冶金缺陷处，容易捕获扩散的氢原子并产生HIC裂纹。有文献［1－2］指出，控制带状组织级别的要求，其主要目的正是出于对钢材抗HIC性能的考虑。

对带状组织为1级、2级和3.5级的试样各取2组(每组3个试样)，分别采用NACE TM0284－2003 B溶液(人工海水H2S饱和溶液，pH=5)和NACE TM0284－2003 A溶液(NaCl+CH3COOH的H2S饱和溶液，pH=3)进行HIC试验，结果见表9。

表9 带状组织级别与抗HIC性能的关系

图5 带状组织3.5级试样在A溶液中产生的氢致裂纹

在B溶液中，三组试样均未出现氢致裂纹;在A溶液中，1级、2级带状组织试样未出现氢致裂纹，而3.5级带状组织试样出现了氢致裂纹，如图5所示。氢致裂纹出现在试样厚度1/2处，与带状组织出现的位置吻合，且氢致裂纹的扩展方向基本沿带状方向，没有向两侧扩展。

根据API 5L，当裂纹敏感率CLR≤15%，CTR≤5%，CSR≤2%，抗HIC性能符合标准规定的要求。由表8结果可见，3.5级带状组织的试样通过了A溶液的抗HIC试验。

试样基体组织没有出现氢致裂纹，以及氢致裂纹仅沿带状方向扩展，没有向两侧扩展，此现象表明，基体组织具有较好的抗HIC性能。带状组织是此组织类型钢中氢致裂纹产生并扩展的重要因素。

目前氢致裂纹产生的机理还存在争议，有文献［7－8］认为，对于少珠光体显微组织，HIC 的裂纹源位置是M/A相聚集处或簇状夹杂物处，裂纹以准解理的方式扩展。单独的M/A相由于晶粒尺寸太小而不能作为单独的裂纹形核位置，当M/A群岛形成的裂纹尺寸达到准解理裂纹扩展的临界值时，裂纹才得以扩展。所以基体组织中虽然也存在M/A相，但尺寸太小不会成为裂纹形核位置。带状组织中M/A相含量较高且分布不均匀，容易出现较大尺寸的M/A群岛，为氢致裂纹的形成与扩展提供了有利条件，而M/A群岛的分布状况会对裂纹的扩展产生影响，裂纹沿着连接硬M/A相的铁素体晶粒扩展，因此氢致裂纹与带状组织方向一致。

抗HIC性能的影响因素很多，一般来说，采用TMCP工艺生产的贫珠光体型管线钢，具有S含量、夹杂物等控制水平较好、晶粒细小均匀等有利因素，基体组织不容易出现氢致裂纹，而带状组织以伴有少量M/A相的珠光体带为主，板条贝氏体、马氏体等相含量非常小，因此1级、2级带状组织产生氢致裂纹的概率很小，3.5级带状组织虽产生氢致裂纹，但裂纹敏感率指标仍能够符合标准要求。

3 结论

1)对于采用TMCP工艺生产的贫珠光体型管线钢，其带状组织因成分偏析所致，主要出现在厚度中心，以珠光体带为主，伴有少量M/A相，并受TMCP工艺参数波动的影响，带状组织呈现出不同形貌和不同级别。

2)带状组织与管线钢卷板及钢管的强度、延伸率、冲击功、DWTT剪切面积等性能指标无明显相关性，对钢的各向异性、制管的包申格效应无明显影响。

3)带状组织并不显著导致DWTT断口出现分离裂纹，这与贫珠光体型管线钢带状组织的形貌特征有关。

4)带状组织对材料抗HIC性能具有一定影响，但由于基体组织具有 较好的抗HIC性能，以及带状组织中除珠光体外其他硬相含量较小等原因，裂纹敏感率指标能够符合标准要求。

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STUDY ON EFFECT OF BAND MICROSTRUCTURES OF DEFICIENT PEARLITE PIPELINE STEEL ON PROPERTY

Zhou Maoqi Guo Shibao Zhang Zhenshen Guan Liuhui

(Anyang Iron and Steel Group Co.，Ltd)

The band microstructures of deficient pearlite pipeline steel were studied by SEM and TEM，and it was found that the band microstructures mainly appeared in the thickness center of steel，and contained pearlite bands with small amount of M/A.The formation of band structures was closely related to the composition segregation and TMCP process，and band microstructure by process fluctuations showed different levels.Combining to industry production and contrast test between different levels，it was also found that the band of different levels had little influence on the anisotropy，bauschinger effect，DWTT facture surface and mechanical property such as strength，Akv and DWTT SA% ，but had influence on HIC properties.

band microstructure pipeline steelDWTT HIC

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联系人:周茂奇，工程师，工学硕士，河南.安阳(455004)，安阳钢铁集团有限责任公司技术中心;

2011—4—19