张伟卫，王海涛，张继明，李 鹤，吉玲康，熊庆人

(中国石油集团石油管工程技术研究院，西安710065)

X100管线钢加工过程中组织变化的热模拟研究

张伟卫，王海涛，张继明，李 鹤，吉玲康，熊庆人

(中国石油集团石油管工程技术研究院，西安710065)

通过热模拟试验对X100管线钢在热加工过程中终轧温度和弛豫温度对显微组织的影响进行了研究，对不同终轧温度和弛豫温度作用下的组织转变规律和组织特征进行了深入分析。结果表明，通过调整终轧温度和弛豫温度可控制X100管线钢中多边形铁素体的含量，从而影响X100管线钢的力学性能。本研究可为开发具有优良变形能力的X100管线钢提供重要理论支持。

热模拟；弛豫；X100管线钢；显微组织

0 前 言

为满足高压、大流量输气管线的需要，X100管线钢的研究和开发正受到关注和重视。自20世纪80年代开始[1]，有关X100管线钢的研究已历经近30年的发展，目前对X100管线钢的研究仅限于提高强度和韧性，但在地层断裂带等一些特殊地区还要求管线钢具有很好的抗大变形能力[2-4]。对大量的X70和X80大变形管线钢的研究证明，铁素体+贝氏体双相组织能够在强度与塑性的平衡基础上获得优异的综合性能结果[5]。其中贝氏体硬相为管线钢提供必要的强度，铁素体软相保证管线钢具有足够的塑性。其强度与韧性的平衡，一方面是通过软相与硬相的比例大小和形貌分布进行调整，另一方面主要是依靠细晶强化、位错强化和弥散强化等强化机制实现[6]。因此，优化TMCP工艺，以获得适当的铁素体+贝氏体双相组织中软硬相的比例，是研究开发X100抗大变形管线钢的关键。

1 试验材料与方法

试验用X100管线钢的化学成分见表1。管线钢的弛豫行为试验在Gleeble3500热模拟试验机上进行。从管线钢锻坯上取热模拟试样，试样尺寸φ8mm×10mm，试验方案见表2。以5℃/s将试样加热至1 200℃，保温1min，再以5℃/s的冷却速度冷却至1 050℃，然后以5s-1应变速率施加应变20％。变形完成后以5℃/s的冷却速度冷却至810℃，780℃和750℃，施以应变40％，应变速率5s-1，再以1℃/s的冷速分别冷至750℃，720℃，690℃，660℃，630℃和600℃，最后以20℃/s的冷速冷却至300℃，随后以1℃/s的冷速冷至室温。工艺路线如图1所示。

表1 试验用X100管线钢的化学成分 ％

表2 X100管线钢的热模拟方案

图1 X100管线钢的热模拟工艺路线

对热模拟试验后的样品采用光学金相和电子显微分析方法分析相变组织特征。光学金相试样经机械抛光后以3％硝酸酒精溶液进行腐蚀，在MEF4M金相显微镜及图像分析系统下观察。TEM试样在300 μm的试样上机械减薄至50 μm，然后在双喷电解装置上以10％高氯酸+90％醋酸溶液进行双喷，在JEM 200CX透射电子显微镜上观察。

2 试验结果与分析

图2、图3和图4分别给出了不同终轧温度和弛豫条件下的金相组织。表3给出了不同终轧温度和弛豫温度下管线钢的铁素体含量统计结果。图5给出了铁素体含量与弛豫温度关系曲线。可看出，在不同终轧温度下，试样均由PF(多边形铁素体)，QF(准多边形铁素体)和B(贝氏体)组成。

图2 810℃终轧时不同弛豫条件下的金相组织

图3 780℃终轧时不同弛豫条件下的金相组织

图4 750℃终轧时不同弛豫条件下的金相组织

表3 不同终轧温度和弛豫温度下管线钢的铁素体含量

图5 铁素体含量与弛豫温度关系曲线

PF晶粒首先在奥氏体晶界和奥氏体变形带形核，沿着原奥氏体晶界生长，并勾勒出原奥氏体晶界的轮廓。PF具有规则的晶粒外形，呈等轴或者规则的多边形，晶界清晰、光滑、平直，在光学显微镜和TEM下基体呈亮白色，晶界呈灰黑色，晶粒内有较小的位错密度，没有明显的亚结构，PF在TEM下的形貌如图6(a)所示。

随着弛豫终止温度的降低，PF组织含量逐渐增加，与此同时，QF和B相继形核并长大。QF越过原奥氏体晶界生长，使原奥氏体晶界被掩盖。QF呈现不规则外形，边界为锯齿状或波纹状，有时如无特征的碎片。在TEM下，这种QF有较高的位错密度(如图6(b)所示)，偶尔可发现QF间存在M/A岛状组织[7](如图6(c)所示)。B的基本组织特征为平行的板条，板条间界模糊，板条间为不同尺寸的条状M/A组元(如图6(d)所示)，板条内有高密度的位错[8-9]。

随着终轧温度的降低，奥氏体相变温度点降低，相变后PF和QF含量减少，B含量相对增加。弛豫至600℃时，810℃，780℃和750℃轧温度下管线钢的铁素体(包含PF和QF)体积分数分别为26.84％，22.22％和20.61％。

图6 热模拟过程中不同组织在TEM下的形貌

不同温度终轧时，弛豫至750℃时都可以观察到明显的铁素体形核。810℃终轧时，弛豫至720℃时可以观察到铁素体明显的长大；780℃终轧时，弛豫至690℃时可以观察到铁素体明显的长大；750℃终轧时，弛豫至660℃时才可以观察到铁素体明显的长大。在相同的弛豫终止温度时，随着终轧温度的降低，可以观察到铁素体逐渐细化，且QF在铁素体组织中的相对含量逐渐增加。

分析认为，由于在Ar3以上较高的温度终轧，试验钢变形后获得的组织缺陷及形变能累积作用小，发生铁素体相变的驱动力比较小，此时，铁素体主要在能量较高的原奥氏体晶界形核，在终轧后弛豫过程中生成先共析仿晶界型铁素体，随着弛豫终止温度的降低和时间的延长，铁素体晶粒逐渐长大。随着终轧温度的降低，将会使过冷度加大，铁素体的形核驱动力加大，形核率增加[10]，从而提供更多的相变形核位置，但此时铁素体相变时间较短，随着弛豫温度的降低，铁素体晶粒来不及长大，导致最终材料的铁素体含量降低且晶粒明显细化。

3 结 论

(1)弛豫过程中，PF晶粒首先在奥氏体晶界和奥氏体变形带形核，其沿着原奥氏体晶界生长，并勾勒出原奥氏体晶界的轮廓。随着弛豫终止温度的降低，PF和QF组织含量逐渐增加，晶粒逐渐长大。

(2)PF具有规则的晶粒外形，呈等轴或者规则的多边形，晶界清晰、光滑、平直，在光学显微镜和TEM下基体呈亮白色，晶界呈灰黑色，晶粒内有较小的位错密度，没有明显的亚结构。

(3)随着终轧温度降低，奥氏体相变温度点降低，相变后PF和QF含量减少，且晶粒逐渐细化，QF在铁素体组织中的相对含量逐渐增加。

(4)QF呈不规则的外形，边界为锯齿状或波纹状，QF内有较高的位错密度，偶尔可见QF间的M/A块状组织。

[1] WIDGERY D，BLACKMAN S.Pipelines for stranded gad reserves：cutting the cost[C]//Proceedings of the 22nd world gas conference.Tokyo:[s.n],2003:1-11.

[2] SHINOHARA Y，BESSONJ，MADI Y.Effect of prestrain on ductility in high strength line pipe steels[C]∥Proceedings of the nineteenth international offshore and polarengineeringconference.Osaka,Japan:[s.n.]，2009:146-153.

[3]吴海凤，郑磊.预应变量和时效温度对X80管线钢性能的影响[J].材料热处理技术,2009,38(10)：166-169.

[4]刘冰，刘学杰，张宏.基于应变的管道设计准则[J].天然气工业，2008,28(02)：1-3.

[5]李龙，丁桦，温景林，等.铁素体和贝氏体复相组织低碳钢的力学特性[J].材料研究学报,2007,21(05)：517-522.

[6]张红梅，孙彬斌，贾志伟，等.热轧双相钢显微组织和力学性能[J].材料热处理学报,2007,28(04):78-82.

[7]杨景红，刘清友，孙冬柏，等.轧制工艺对微合金管线钢组织及M/A岛的影响[J].北京科技大学学报，2009,31(02)：180-185.

[8]曾明,江海涛,胡水平,等.高钢级X100管线钢的组织与性能[J].材料科学与工程学报,2011,29(03)：386-391.

[9]段琳娜,刘清友,贾书君,等.X100级管线钢的组织和强韧性[J].材料研究学报,2012,26(04)：443-448.

[10]崔忠圻.金属学与热处理[M].北京：机械工业出版社，2003：38-46.

Thermal Simulation Research on Microstructure Transformation in the Manufacturing Process of X100 Pipeline Steel

ZHANG Weiwei，WANG Haitao，ZHANG Jiming，LI He，JI Lingkang，XIONG Qingren
(CNPC Tubular Goods Research Institute，Xi’an 710065，China)

This paper studied the effect of finish rolling temperature and relaxation temperature on the microstructure of X100 pipeline steel through thermal simulation test,and the microstructure transformation rule and its essential characteristics under the action of different finish rolling temperature and the relaxation temperature were analyzed.The results showed that by controlling the finish rolling temperature and relaxation temperature could control polygon ferrite content in X100 pipeline steel,thus affect the mechanical properties of the X100 pipeline steel.The research can provide important theoretical support on the research and development X100 pipeline steel with excellent deformation ability.

thermal simulation;relaxation;X100 pipeline steel;microstructure

TG113.12

A

1001-3938(2015)02-0011-05

张伟卫(1981—)，男，硕士，主要从事石油天然气输送管道与管线钢材料的应用研究工作。

2014-10-09

李红丽