杨旭宁，康永林，于浩，龙明建，牛涛
(北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083)
摘要：利用Gleeble--1500热模拟机研究了变形量和冷却速度2个工艺参数对X70针状铁素体管线钢中M／A岛状组织的形貌、尺寸及分布的影响，结果表明，在保证再结晶区合适变形量基础上，提高未再结晶区的变形量，或在合理范围内提高冷却速度，都可以均匀、细化M／A岛组织。最后，结合现场实际，给出了获得理想M／A岛组织的变形量和冷却速度的范围。
关键词：X70管线钢；针状铁素体；M／A岛；变形量；冷却速度
中图分类号：TG335．55；TGll3 文献标识码：A 文章编号：1003-9996(2007)04-0007-04
Technology Control for the Structure of Martensite／Austenite Islands
of X70 Acicular Ferrite Pipeline Steel
YANG Xu-ning，KANG Yong-lin，YU Hao，LONG Ming-jian，NIU Tao
(University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China)
Abstract：The influence of deformation amount and cooling rate on the structure of Martensite／Austenite(M／A)islands of X70 acicular ferrite pipeline steels was investigated by Gleeble--1500 thermo—mechanical simulator．The morphology，size and distribution of M／A islands was observed．Experimental results show that structures of M／A islands are homogenized and refined under the conditions of appropriately increasing the de formation amount in non—recrystallization region on basis of rational deformation amount in recrystallization region and cooling rate after deformation，respectively．Finally，according to the situation of practical production，rational deformation amount and cooling rate were given to obtain ideal structure of M／A islands．
Key words：X70 pipeline steel；acicular ferrite；martensite／austenite islands；deformation amount；cooling rate
管线运输是长距离输送石油、天然气经济且合理的运输方式。随着对石油天然气需求量的不断增加，为提高输送效率，管道的输送压力和管径不断增大，因而对管线用钢的强度和韧性提出了更高要求[1,3]。
管线钢微观结构中M／A岛的含量、形状、尺寸及分布等对钢材力学性能及DWTT值有着重要影响。适当提高M／A岛的体积分数可以提高钢材的强度[4]。当其体积分数一定时，M／A岛尺寸越大，钢材强度越低。M／A岛的体积分数和大小一定时，有尖角的M／A岛则易产生应力集中而诱发裂纹，降低材料的强度和DWTT值。细小弥散分布的M／A岛状组织能阻碍位错运动和疲劳裂纹扩展，不易因应力集中而诱发裂纹，并使其长度小于裂纹失稳扩展的临界尺寸，可提高钢材的强度和DWTT值[5,6]。
在上述理论基础上，为使某钢厂用TMCP工艺生产X70针状铁素体管线钢的M／A岛的数量、形状、尺寸和分布控制在合理范围内，以提高钢材的强韧性，利用Gleeble-1500热模拟机、扫描电镜和透射电镜研究了变形量和冷却速度对M／A岛的影响，确定了变形量和冷却速度的合理。
选用某钢厂X70管线钢铸坯进行试验，其化学成分见表1。试样加工成哑铃状，其中间段尺寸为Φ6mm×15mm。
试验1是在总压下量和冷却速度一定的情况下，分析在再结晶区和未再结晶区不同的压下量对M／A岛的影响。将试样以10℃／s速度加热到1070℃，在Gleeble一1500热模拟机上进行第1道次压下；然后将试样以1℃／s速度冷却到
830℃，进行第2道次压下；压后以1℃／s速度冷却到770℃，再以15℃／s速度冷却到520℃，最后1200℃，保温5 min；再以1℃／s速度冷却至空冷至室温。各道次压下量见表2。
试验2是在试验1的基础上，确定最佳压下量分配制度后，研究不同冷却速度对M／A岛的影响。将试样以10℃／s速度加热到1200℃，保温5 min；再以1℃／s速度冷却到1070℃，在Gleeble-1500热模拟机进行第1道次压下；然后将试样以1℃／s速度冷却至830℃，进行第2道次压下；压后以1℃／s速度冷却到770℃，然后分别以不同冷却速度冷至520℃，最后空冷到室温。各道次压下量及对应冷却速度见表3。将压后的各试样分别制成金相样和薄晶样，在CAM—BRIDGE S一360扫描电镜和JEMS2000透射电镜下观察M／A岛的数量、形状、尺寸和分布。
3．1试验1结果与分析
试验1中各试样的形貌如图1所示，呈亮白色的为M／A岛，大部分M／A岛分布在晶界上[7]，其中2#试样的M／A岛最均匀，尺寸也较细小，1#试样次之，3#试样最差，其M／A岛分布不均，尺寸较大，呈长条状。图2中箭头所示的黑色不规则块状组织即为M／A岛[8]，其中1#试样M／A岛线度约为2～3μm，呈三角状；2#试样M／A岛大小约为2～3μm，呈方形；3#试样M／A岛线度可超过4μm，呈长条状。根据以上观察结果可看出，2#试样中的M／A岛分布最均匀，尺寸也最理想，3#试样中M／A岛最不均匀，尺寸最大。
在固态相变动力学中，影响晶体固态相变的因素多且复杂，这里把固态相变驱动力简化成两部分：一是热力学上由于冷却速度引起的化学势而形成的相变驱动力；二是由晶体发生固态相变前储存在晶体中的形变能而形成的相变驱动力。
由于试验1各试样的总压下量和变形后的冷却速度均相同，而两个道次分配的压下量不同。因此，各试样由冷却速度引起的相变驱动力相同，而在第1道次(即再结晶区变形)变形时，残留在晶体中的形变能很小，可忽略，因此可以认为第2道次(即未再结晶区变形时)形变量的不同而引起残留在晶体中形变能的不同，最终导致3个试样的相变驱动力的不同。
由表2可见，由于1#、2#、3#试样在未再结晶区的变形量依次降低，其相变驱动力应依次降低，因形核密度不同而导致M／A岛的均匀性也应依次降低。而由图1、图2可见，2#试样中的．M／A岛最为均匀，尺寸也较小。实际上，这里还应考虑再结晶区变形对晶粒细化和均匀化的影响[9，10]。1#、2#、3#试样在再结晶区的变形量依次增加，可见l#试样的组织不均匀主要是由于结晶区变形量不够，晶粒没有充分细化和均匀化引起的，但相对于未再结晶区变形对M／A岛的影响较轻。
由以上分析可以看出，提高第l道次的变形量可以细化晶粒，均匀组织；提高第2道次变形量可以细化晶粒，均匀组织，并细化和均匀M／A岛。对于两阶段轧制来说，要得到均匀的组织和细小弥散、分布均匀的M／A岛，应在保证第1阶段适宜变形量的基础上，尽量提高第2阶段的变形量来细化组织和均匀M／A岛。从此次试验结果可看出，第1阶段的变形量须在33．3％以上，第2阶段的变形量须在50％以上，在满足这个条件的基础上，提高第2阶段的变形量，优化两阶段变形量的分配制度，可以得到比较理想的M／A岛的形状、大小和分布。
3．2试验2结果与分析
试验2中各试样的扫描电镜照片如图3所示，可看到4#试样中的M／A岛分布不均，2#和5#试样的分布比较均匀，但5#试样的M／A岛数量较少。在图4中，4#试样M／A岛线度可达4μm，呈长条状；2#试样所示M／A岛大小约为2～3μm，呈方形；5#试样M／A岛大小约为1～2m，接近球形。由于3个试样只是冷却速度不同，因而可见，冷却速度越高，M／A岛尺寸越小，形状越接近球形，数量也有所减少。
试验2中2#、4#、5#试样的总变形量和2个道次的压下量分配均相同，只有冷却速度不同。结合热力学和相变动力学，冷却速度越大，形核激活能越大，形核速率也越大，其相变后的晶粒越细小、均匀。因此冷却速度越大，M／A岛越细小，形状越接近球形。但冷却速度过大也有不利的一面，因为M／A岛中富含碳[1l]，冷却速度越大，温度降低越快；而温度越低，碳扩散越困难，不利于形成一定量的先共析铁素体，影响钢材的韧性。此次试验的冷却速度分别为10、15、20℃／s，根据试验研究和生产情况可知，冷却速度为10～20℃／s范围内的相变组织和材料性能能满足相关标准要求。
由以上分析可知，冷却速度小会造成组织不均，M／A岛尺寸大且分布不均；冷却速度越大，M／A岛越小，形状越接近球形且分布较均匀。因此在能形成针状铁素体适宜的冷却速度范围内提高其值可细化晶粒、均匀组织以及细化和均匀
M／A岛。此次试验结果得出，冷却速度在15～20℃／s范围内，M／A岛的形状接近球形，尺寸小于3μm，其在晶内和晶界分布都较均匀。
要得到形状、分布较好，对钢板力学性能有利的M／A岛组织，应从以下方面着手：
(1)提高第1道次的变形量以细化晶粒、均匀组织，提高第2道次变形量以细化晶粒、均匀组织及细化和均匀M／A岛。在实际两阶段控轧控冷工艺中，第1阶段的变形量须在33．3％以上，第2阶段的变形量须在50％以上，在满足该条件的基础上，提高第2阶段的变形量，优化两阶段变形量的分配制度，可以得到较理想的M／A岛形状、尺寸和分布状况。
(2)在满足要求的范围内提高冷却速度可以细化和均匀M／A岛。从研究结果和现场实际情况可得出，冷却速度在15～20℃／s范围内，其值越高，M／A岛尺寸越小且形状越近椭球形，其在晶内和晶界分布也更较均匀。
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参考文献
4 结论
3试验结果和分析
2．2冷却速度对M／A岛的影响(试验2)
2．1变形量对M／A岛的影响(试验1)
2试验材料和方法
1 前言
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