加热温度对X80钢级热煨弯管组织性能的影响*

田晨超，许 飞，焦 磊，张 娟，张骁勇

（1.西北有色金属研究院，西安710016；

2.西安石油大学 材料科学与工程学院，西安710065）

大直径、高压输送长距离油气管道建设的经济性要求迫使管线钢的应用逐渐步入高钢级时代，未来X80及以上钢级管线钢在重大工程建设中的使用将占据主导地位。热煨弯管作为长距离油气管道建设的重要构件，结构特殊性及受力复杂性的存在要求其较直管应具备更佳的力学性能，才能确保管线的安全平稳运行［1］。同时，为确保热煨弯管与干线直管对接焊缝的焊接质量，国内外的选材均已采用TMCP钢制造的同钢级管线钢管。而当TMCP钢再次经受热加工时，其控轧控冷效应将会受到不同程度的影响，若煨制工艺控制不当，原有强度（特别是屈服强度）将损失较大［2-3］。通过对热煨弯管开裂失效分析的进一步研究表明，煨制过程中过高的奥氏体化加热温度，促使其外弧侧形成以粗大的粒状贝氏体+马氏体为主的组织分布，固有切应力下常成为管件失效的起始位置［4］。因此，研究和评估X80管线钢在弯管制作热过程中的特性具有重要的理论意义和工程应用价值。笔者主要研究了不同加热温度下X80钢级热煨弯管组织性能的变化规律，依此提出了优化的加热温度参数。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验材料为国内某科研机构设计的一种X80钢级热煨弯管用管线钢，钢板厚22.0mm。试验钢化学成分及常规力学性能见表1和表2。

表1 试验钢的化学成分%

表2 试验钢的常规力学性能

由表1可知，试验钢属于C-Mn-Mo系微合金Nb，V，Ti控轧控冷X80管线钢。成分设计上，适当地提高了对淬透性和理想临界直径Di产生较大影响的C元素及合金元素（如Mo和Ni等）含量，以确保试验钢经奥氏体化加热后的快速冷却，获得更多性能优良的贝氏体组织［5-6］。图1为X80钢级弯管材料的显微组织，由图1可见，试验钢的显微组织以呈块状分布的粒状贝氏体为主，辅之少量的多边形铁素体。

图1 X80钢级弯管材料的显微组织

1.2 试验方法

通过采用全板厚的弯管材料模拟了X80钢级弯管的制作热过程，进而研究弯管弯曲段在二次热加工过程中加热温度对其组织性能的影响。

全板厚试板的加热保温过程在DM-1350型盐浴炉中进行，回火保温过程在YFX12/16Q-YC高温箱式电阻炉中完成，具体热模拟试验参数见表3。全板厚试板热加工完毕后沿其横向（垂直于轧制方向）截取所需的力学性能测试及金相组织观察试样。拉伸试样原始尺寸为φ10 mm×65 mm，机加工后的标距尺寸为φ5mm×25mm，试验装置采用MTS-880型万能试验机，标准依据GB/T 228—2002；冲击试验采用夏比V形缺口试样，尺寸为10 mm×10mm×55mm，试验装置为JBC-500型电子测力冲击试验机，标准依据 GB/T 229—2007。

表3 试验钢的热模拟参数

二次热加工后试验钢经磨制和抛光，采用特定比例的饱和苦味酸、NaOH和CrO3浸蚀液显示原奥氏体晶界，依照ASTM晶粒度评定标准［7］，根据直线截距法的测试结果进行了奥氏体晶粒度评定试验，采用式（1）来计算奥氏体晶粒平均截距D，用式（2）计算晶粒度G。

式中：L—截距法所采用的直线长度；

M—显微镜放大倍数；

N—直线所截晶粒数目。

金相组织观察包括Axiovert 405M光学显微分析及JEM 200CX的透射电子显微分析。

2 试验结果

2.1 加热温度对奥氏体晶粒尺寸的影响

加热温度对X80热煨弯管奥氏体晶粒尺寸的影响如图2所示。由图2可知，随着加热温度的升高，奥氏体晶粒尺寸呈增大趋势。加热温度为 850～950℃时，晶粒平均截距小于 5.4μm，晶粒度在11.0级以上，可为其获得细小的淬火组织奠定基础。同时，由于试验钢进行了较好的微合金化设计［3］，其中未溶元素Nb，V，Ti等的碳氮化合物可通过质点钉扎晶界的机制而显著阻止奥氏体晶粒的长大，即使奥氏体化温度为1 050℃，其晶粒平均截距仍不大于8μm。加热温度升至1 150℃时，由于试验钢中微合金元素碳氮化合物的溶解，致使其对奥氏体晶粒粗化过程的抑制作用减弱或消失，引起奥氏体晶粒的急剧长大，晶粒平均截距可达19.0μm，晶粒度小于10级。

图2 加热温度对X80热煨弯管奥氏体晶粒尺寸的影响

2.2 加热温度对力学性能的影响

加热温度对X80热煨弯管强度、塑性及韧性的影响如图3所示。不同加热温度下，试验钢的强度水平均高于母材控轧钢的原始水平，且随着加热温度的升高其屈服强度和抗拉强度均呈单调增加的趋势。从试验结果还可看出，二次热加工工艺的实施对X80热煨弯管屈服强度的影响大于对抗拉强度的影响，导致屈强比均高于母材，大都保持在0.93左右，表明试验钢的极限塑性变形能力及形变强化能力显著降低［8］。就对塑性指标的影响而言，断后伸长率整体呈下降趋势，且仅在850℃加热温度下的塑性水平高于母材。

不同加热温度下X80热煨弯管-20℃冲击断口形貌如图4所示。由图4可以看出，随着加热温度的不断升高，韧性指标冲击功与塑性剪切面积均呈单调减小的趋势。当加热温度为850～950℃时，接近母材的韧性水平。其断裂机制均为空洞聚集型的延性断裂，断口形貌表现为韧窝状，且附近存在数目众多的小塑坑（图4（a）和图4（b））。该断裂形式与材料中的颗粒析出相及基体组织的良好塑性间存在很大关系，通常在大的韧窝底部存在颗粒状的第二析出相，该相与基体间存在的减聚力是造成空洞形成的主要原因之一。加热温度为1 050℃时，X80热煨弯管的韧性降低，其断口形貌以韧窝为主，且韧窝的大小相对较小且浅，小的韧窝附近存在少量的解理小刻面（图4（c））；加热温度为1 150℃时，试验钢的韧性严重降低，远低于母材的韧性水平，其断裂机制以解理为主，呈解理小刻面，并有很少量较小的韧窝存在，断裂面起伏较小，对裂纹的扩展阻力较差（图4（d））。

通过综合分析X80热煨弯管在不同加热温度下所得的强韧性试验数据，并考虑到热煨弯管的加工成型性，可以看出，950℃的奥氏体化温度可使X80热煨弯管获得最佳的强韧性配合。

图4 不同加热温度下X80热煨弯管-20℃冲击断口形貌

3 结果分析

不同加热温度下X80热煨弯管的光学显微组织如图5所示。由图5可以看出，不同加热温度下，X80热煨弯管的显微组织存在明显差异。当加热温度为850℃时，显微组织组成为粒状贝氏体（GB）+贝氏体铁素体（BF），辅之少量的准多边形铁素体（QF）及多边形铁素体（PF）。该显微组织的构成与其较低的加热温度有关，由于在850℃仍处于Ac1～Ac3两相区加热范围，期间存在有未发生转变而保留下来的铁素体。同时，组织形态中所呈现的非等轴状奥氏体晶粒［9］，归因于较低的加热温度未能发生完全重结晶而部分保留原控轧钢组织的非等轴状态（图5（a））。由于铁素体作为一种塑性相的引入，一定程度上改善了试验钢的塑性指标，但不利于强度水平的提高。GB及BF作为一类非平衡组织，是通过扩散及切变机制从原奥氏体晶界向晶内生长。在较高的冷却速度下，GB也可在奥氏体晶内形核长大，从而促进BF板条尺寸的细化及多位向分布。同时，850℃加热温度下原奥氏体晶粒尺寸最小，可为该类非平衡组织的形成提供更多的形核位置，从而达到细化组织的目的。GB及BF有效晶粒的减小及所呈现的复相混杂分布组织单元利于其韧性的提高。950℃加热温度下，其主体组织仍为GB+BF，辅之少量的QF（图5（b））。相比于850℃，显微组织的主要差异在于PF的消失及晶粒尺寸分布均匀性的改善，从而引起力学性能的波动。软相组织PF的消失可提高其强度水平，但对塑性指标的改善不利。

随着加热温度上升至1 050℃时，其组织组成为GB+BF，并可见原奥氏体晶界，部分奥氏体晶粒已发生明显粗化，且组织中存在粗大的BF板条束（图5（c））。该类非平衡转变产物的形成与原奥氏体晶粒的形态分布有关，由于1 050℃加热温度下存在部分未溶碳氮化合物对奥氏体晶界的钉扎作用，引起奥氏体晶粒尺寸及淬火组织的不均匀。同时，部分稳定性提高的奥氏体晶粒在快速冷却下可导致粗大的BF板条束的形成。该加热温度下试验钢强度的提高可归因于显微组织中扩散型相变产物的消失及非平衡转变产物组织结构的变化，而韧性的降低主要由粗化的BF所引起。1 150℃加热温度下，主体组织由低温转变产物BF构成，且勾勒出的原奥氏体晶界清晰可见（图5（d））。试验钢成分设计中对阻止奥氏体晶粒长大起作用的微合金元素Nb含量最高，由于1 150℃加热温度下Nb（C，N）已大部分固溶到奥氏体中，导致晶粒尺寸的增加及稳定性的提高，在随后的快速冷却相变中形成分割奥氏体晶粒的粗大BF板条束，致使有效晶粒尺寸明显增加。研究表明，该类组织形态的存在可有效提高试验钢的强度水平，并导致低温韧性的恶化。

图5 不同加热温度下X80热煨弯管的光学显微组织

不同加热温度下X80热煨弯管组织组成的TEM形态如图6所示。由图6可以看出，处于两相区850℃加热温度时，组织形态分布中出现部分PF。该类组织作为典型的扩散型相变产物，常呈等轴状或多边形分布，晶界光滑平直，晶内存在低的位错密度（图6（a））。所具有的无序界面形态特征及低密度位错的结构特征不利于材料强韧性的提高［10］。

图6 不同加热温度下X80热煨弯管的TEM形态

950～1 050℃加热温度下其组织中含大量GB及BF。该类组织通常以奥氏体晶界为形核位置 （快冷下，GB也可在晶内形核），并以伸长的板条束形态向晶内生长。试验钢950℃热煨下所形成的GB组织的透射电子显微结构如图6（b）所示，呈小角度晶界的若干铁素体板条构成相互交错的板条束，板条间可见条状的M/A组元，其内存在由缠结位错构成的胞状亚结构。该类组织所呈现的细小有效晶粒尺寸及多位向分布的形态特征可赋予材料良好的强韧性配合［11-12］。

1 150℃加热温度下，X80热煨弯管的主体组织以BF为主，呈现出横贯奥氏体晶界的板条结构，且不同位向的板条束形成对奥氏体的有效分割。相比于较低加热温度下形成的GB板条结构，其板条边界更为平直清晰，板条尺寸相对较大，其间分布有呈针状或薄膜状的M/A组元，并可见铁素体板条内存在由切变过程形成的高密度位错构成的亚结构（图6（c））。该组织所具有的粗大板条结构不利于低温韧性的提高。

4 结 论

（1）随着加热温度的升高，X80热煨弯管强度升高，塑韧性降低；

（2）950℃加热温度下，X80热煨弯管获得以GB及BF为主，并辅之少量软相组织的形态分布。所呈现的细小的有效晶粒尺寸及多相分布的混杂组织单元利于优良强韧性的获得；

（3）加热温度高于1 050℃时，组织形态中呈现出的横贯奥氏体晶界的粗大BF板条结构致使韧性的严重恶化。处于 Ac1～Ac3两相区加热，PF的存在导致强度水平的降低。

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