控制热加工下管线钢中针状铁素体的形成

102控制热加工下管线钢中针状铁素体的形成*赵明纯，单以银，曲锦波，肖福仁，钟勇，杨柯（中国科学院金属研究所，沈阳110016）摘要通过对一种商业用管线钢连续冷却相变曲线（CCT）的测定和热模拟实验，研究了过冷奥氏体的相变规律。在此基础上，提出了能够获得以针状铁素体为主的混合组织的控制热加工工艺制度，并分析了针状铁素体的微观特征。结果表明：在实验条件下，增加冷却速度，可明显提高管线钢最终组织中针状铁素体的含量。关键词相变，控制热加工，管线钢，针状铁素体AcicularFerriteFormationInAPipelineSteelWithThermo-MechanicalControlProcessZHAOMingchun,SHANYiyin,QUJinbo,XIAOFuren,ZHONGYong,YANGKe（InstituteofMetalResearch,ChineseAcademyofSciences,Shenyang110016）Correspondent:ZhaoMingchun,Tel:[phone]-55614,Fax:[phone],E-mail:[e-mail]:Thetransformationofsuper-coolingausteniteinacommercialpipelinesteelwasinvestigatedbymeasuringthecontinuouscoolingtransformationdiagram(CCT)andthehotsimulationtest.Basedontheinvestigation,athermo-mechanicalcontrolprocess(TMCP)hasbeenproposed,whichcanobtainamixedmicrostructuremainlyconsistedofacicularferrite,andthedetailedfeaturesofacicularferritearealsoanalyzed.Resultsindicatethatincreaseofcoolingratecanincreasetheextentofacicularferriteinthefinalmicrostructureofthepipelinesteelunderthepresentexperimentalconditions.KEYWORDS:transformation,TMCP,pipelinesteel,acicularferrite对于输油气管线钢，获得优良的组织，以期尽可能地提高材料的综合性能，从而达到更高的使用寿命，是人们长期努力的方向。已有的管线钢研究结果表明，相对于传统的多边形铁素体－珠光体组织，以针状铁素体为主的混合组织具有优良的力学性能[1-2]和良好的抗H2S腐蚀性能[3]，有很好的应用前景。这种混合组织之所以具有这样优良的综合性能，在于其中的针状铁素体具有较小的等效晶粒尺寸和许多细小的弥散析出相及高密度位错，从而可强烈地阻碍裂纹萌生和扩展[4-6]。对以针状铁素体为主的混合组织在管线钢焊接过程中的产生及形成机理，人们已进行了很多研究工作[7-8]。近些年来，通过正确的成分设计与热加工工艺控制在管线钢的板材组织中获得这种组织也有相关报道[9]。但是，对已有的具有传统组织的管线钢，如何通过优化的热加工工艺在板材中获得这种组织，却还缺乏系统的研究报道。因此，为了扩大以针状铁素体为主的混合型显微组织的管线钢的工业生产和应用，本工作针对具有铁素体－珠光体组织的一种商业用X60管线钢，研究探讨了能够获得这种混合组织的热加工工艺控制规律。1031.实验材料与方法实验用钢为一种商业用X60管线钢，化学成分见表1。提供状态为250mm厚的连铸坯，本研究热轧实验用试样的尺寸为60×140×80mm。表1实验用钢的化学成分（质量分数，%）Table1Chemicalcompositionoftestedsteel(massfraction)CSiMnNbVTiAlSPN0.0760.2391.330.040.0410.0190.0310.00320.0140.0048研究过冷奥氏体的相转变规律在Formastor-F型热膨胀仪上进行。试样（直径为3mm，长为10mm）取自实验用钢的连铸坯，将其在1150℃保温10min，然后在系列冷却速度下进行测试。热模拟实验在Gleeble-1500型热模拟试验机上进行。试样(直径为8mm，长为20mm)取自实验用钢连铸坯的锻坯（30×30mm），所有试样均在1150℃加热3min，实验分别在管线钢的奥氏体的再结晶区、（再结晶区＋未再结晶区）和未再结晶区进行多道次变形。热轧实验在直径为370mm的二辊实验轧机上进行。板坯加热温度为1200℃，在不同温度下进行多道次控制轧制，轧后立即冷却。终冷后在500℃模拟卷取炉中保温1h，然后随炉模拟卷取。为了保证道次的变形量，控轧道次压下分配见表2，其中应变速率为实测值。表2热轧实验中的控轧道次压下分配Table2InterpassreductiondistributioninhotrollingexperimentsTechnologicalparameterHightemperatureregionLowtemperatureregionPass12345Thickness（mm）443222128Reduction（%）26.727.331.345.533.3Strain0.360.370.430.700.47StrainRate（s-1）2.563.033.866.296.68显微组织分析在光学显微镜，Camridge-S360型扫描电镜（SEM）和JEM2000FX-Ⅱ型透射电镜（TEM）上进行，参照Bramfitt和Speer提出的分类体系[10]对显微组织进行分类。2.实验结果及分析2.1过冷奥氏体的相变规律图1示出了实验用钢从奥氏体区以四种不同速度冷却时获得的金相显微组织。图2示出了用热膨胀仪测得的该钢种在1150℃奥氏体化后连续冷却转变曲线（CCT），图中有四条曲线与过冷奥氏体的相变组织一一对应，在图中PF代表多边形铁素体，P代表珠光体，B代表贝氏体（包括B2C经典的上贝氏体，B3M－A粒状贝氏体，AF针状铁素体，B3P退化珠光体，对这几种组织类型，本文在参照Bramfitt和Speer提出的分类体系进行组织分类时，对其形成区域不特别单独区分）。104图1过冷奥氏体在不同冷却速度下的金相显微组织（a）50℃/s，B2C（上贝氏体）(b)10℃/s，AF＋B3M－A（c）1℃/s，PF＋B3P(d)0.1℃/s，PF＋P由图1可见，当以50℃/s速度连续冷却时，转变的组织主要为B2C，原奥氏体（γ）晶界清晰可见，在B2C中的铁素体条束间分布着粒状和薄膜状的第二相组织（见图1a）。随着冷却速度降低到10℃/s时，首先在冷却中的较高温度区间内在原γ晶界处形成AF，所获得的微观组织具有较明显的针状铁素体特征，相对于B2C，该组织一个明显的特征是铁素体条束相互之间的位向关系不定，呈混乱分布状态；在形成AF的过程中，相变组织中也得到B3M－A，相对B2C，B3M－A中的铁素体条束相对变粗，第二相非常弥散地分布于其中；此时最终组织为AF＋B3M－A（见图1b）。当冷却速度降低到1℃/s时，PF在高温阶段首先形核长大，随着冷却过程的进行，残余γ转变成B3P,最终组织为PF＋B3P（见图1c）。当冷却速度降低到只有0.1℃/s时，PF在高温阶段首先形核长大，随着冷却过程的进行，残余γ转变成珠光体P，最终组织为PF＋P（见图1d）。图2实验用钢的连续冷却相变曲线105由图2可知，对本实验用钢，在非恒温的过冷奥氏体相变中获得针状铁素体可以在一个较大的冷却速度范围内实现。然而，结合对图1金相组织的分析，获得较大数量的针状铁素体的冷却速度却在10℃/s左右的冷却范围内（其中粒状贝氏体与针状铁素体具有很多相似的特征及性能，在广义上通常并不严格区分，本实验在进行组织分类时，将其都归作针状铁素体范畴）。在冷却速度低于0.4℃/s时，主要促进了多边形铁素体和珠光体的形成；在冷却速度为0.4℃/s附近以上时，可以避免珠光体的形成；而在冷却速度大于4℃/s时，则多边形铁素体的形成也受到抑制。通过对过冷奥氏体相变规律的分析可见，对于本实验用钢，在过冷奥氏体的连续冷却相变中，在冷却速度为10℃/s左右的冷却范围内，能够获得以针状铁素体为主的混合型显微组织。2.2热模拟实验根据形变诱发相变的理论，对同一种材料，与静态相变过程相比，动态相变曲线将向左上角移动，两者相变曲线形状可能有所不同，但其相变产物有一个大致对应关系。参照Manohar和Chandra[11]对过冷奥氏体在静态相变和动态相变过程中相变规律的研究结果，形变诱发相变可使相变区域左移10℃/s以上，即对同一种材料，动态相变比静态相变的冷却速度提高10℃/s以上时，所得到的相变产物大致对应。因此由上述过冷奥氏体相变规律，对本实验用钢，若要获得以针状铁素体为主的混合组织，在过冷奥氏体连续冷却相变为10℃/s左右的冷却速度范围基础上，动态相变在冷却速度范围为（10～30℃/s）就可望实现。将其应用到热模拟实验中，所有试样在奥氏体热变形后采取喷雾或吹风进行冷却，以保证冷却速度在这个冷却范围内。图3试样的热模拟显微组织(a)B2C＋少量P，1150℃（80%），25℃/s(b)B2C＋少量PF，850℃（70%），25℃/s(c)AF+PF，1150℃（40%）—850℃（50%），25℃/s(d)AF+少量PF，1150℃（20%）—950℃（25%）—900℃（33%），25℃/s106图3示出了奥氏体热变形后的金相显微组织，其中多边形铁素体包括多边形或准多边形铁素体和超细铁素体，针状铁素体为形态独特的不规则铁素体，其条束相互之间的位向关系不定，呈混乱分布状态，晶粒大小不等，在金相照片上并不一定显示针形状，明显有别于焊接组织中针状铁素体的形态特征。在γ再结晶区内变形时，组织中的晶粒较粗大，得到的是（B2C＋P）组织（见图3a）。在γ未再结晶区变形时，晶粒细化效果不明显，得到的是（B2C＋PF＋P）组织（见图3b）。当在（γ再结晶区＋γ未再结晶区）变形时，得到的是（AF＋PF）组织；采用多道次变形，组织细化，针状铁素体含量增多（见图3c和3d）。结合对过冷奥氏体相变规律和热模拟实验的研究结果分析，对实验用钢，采用在奥氏体“再结晶区＋未再结晶区”温度区间内多道次控制变形，选择适度冷速冷却，可得到细小的“针状铁素体+多边形铁素体”混合组织。以上实验结果对于优化热加工工艺具有重要的指导意义。2.3控轧控冷实验根据连续冷却相变及热模拟实验的研究结果，确定了在实验轧机上进行两阶段（奥氏体再结晶区＋奥氏体未再结晶区）多道次控轧和适度冷却速度（10～30℃/s）控冷的控轧控冷工艺制度，其工艺参数实测结果见表3。表3热轧实验的实测工艺参数Table3MeasuredprocessingparametersofhotrollingexperimentsNo.ofSampleStartrollingtemp.,℃Finalrollingtemp.,℃Coolingrate,℃/sFinalcoolingtemp.,℃1111790117517211439013051531121851305104109580314515图4示出了控轧控冷后部分试样的SEM显微组织。从图中可看到，多边形铁素体呈多边形状或板条状分布，晶界清晰，晶粒与晶粒之间有“完整”的连续的晶界（见图4a）；针状铁素体呈不规则非多边形状，晶界模糊，没有“完整”的连续的晶界，粒度参差不一，从晶粒中隐约可观察到由浮凸和析出相所勾勒出的亚晶条纹（见图4b）。随着冷却速度加大，组织更为细化，且AF增多，PF减少。在冷却速度较低的试样