D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2013.04.010 第35卷第4期 北京科技大学学报 Vol.35 No.4 2013年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2013 高钢级X100管线钢中的M-A岛 阮红志四，赵爱民，赵征志，齐亮 北京科技大学冶金工程研究院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:ruan-198343@163.com 摘要通过显微组织分析方法，研究了冷却开始温度及冷却速度对高钢级X100管线钢热模拟试样中M-A岛的体积 分数和尺寸的影响.结果表明降低冷却开始温度和提高冷却速度都可以细化组织，导致M-A岛的体积分数降低，使M-A 岛由尺寸较大的块状、条状转变成尺寸较小且弥散分布的块状、条状.利用透射电镜观察了热轧后以不同冷却速度冷却 所得试样组织中M-A岛的形貌.发现在低的冷却速度下，M-A岛由残余奥氏体、尺寸及取向均不同的马氏体板条组成. 在马氏体板条中存在孪晶，证明了碳的扩散，也说明M-A岛中M是孪晶马氏体.在高的冷却速度下，转变为针状、薄 膜状的MA岛弱化了铁素体板条的界面，降低了管线钢的韧性，因此只有控制冷速在一定范围内，才能获得尺寸细小、 弥散分布的MA岛 关键词管线钢：马氏体：奥氏体：微孪晶：冷却 分类号TG142.1 M-A islands in high grade X100 pipeline steel RUAN Hong-zhi,ZHAO Ai-min,ZHAO Zheng-zhi,QI Liang Research Institute of Metallurgical Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:ruan-198343@163.com ABSTRACT The effects of cooling temperature and cooling rate on the size and volume fraction of M-A islands in thermal simulation samples of high grade X100 pipeline steel were investigated by the microstructure analysis method. The results show that reducing the cooling temperature and increasing the cooling rate can refine the microstructure, decrease the volume fraction of M-A islands,and make the M-A islands from larger blocks and strips into smaller and dispersed ones.The morphology of M-A islands in X100 pipeline steel with different cooling rates after hot rolling was observed by transmission electron microscopy(TEM).It is found that the M-A islands consist of retained austenite and different sizes and orientations of martensite plates at low cooling rate.Microtwins in the martensite plates prove carbon diffusion and show that martensite in the M-A islands is twinned martensite.At high cooling speed,the M-A islands, which change into the acicular and flaky,weaken the ferrite lath interface and reduce the toughness of the pipeline steel. So in order to obtain small size and dispersive M-A islands,the cooling speed must be controlled in a certain range. KEY WORDS pipeline steel;martensite;austenite;microtwins;cooling 石油和天然气是人类社会赖以生存的重要能的组织描述发生混淆.在管线钢中所谓的针状铁素 源，是经济社会赖以发展的物质基础.高速发展 体其实质就是粒状贝氏体、贝氏体铁素体或者是粒 的经济社会对能源的需求日益增加，促进了大口 状贝氏体与贝氏体铁素体的复相组织同.在高强 径、高压和长距离输送管线的发展四，同时西气东 X100管线钢的组织中，其主要组织为粒状贝氏体 输一线和二线工程也促进了国内高强高韧管线钢的 与贝氏体铁素体组织.粒状贝氏体和贝氏体铁素体 研究2-4 组织都是由铁素体板条和分布在板条间或板条界的 高强钢的强韧性与其微观组织密切相关.近年 马氏体/奥氏体(M-A)小岛组成.M-A岛的含量、形 来，随着针状铁素体概念的引入，曾一度使管线钢 状、尺寸和分布对钢的力学性能和冲击韧性有着重 收稿日期：2011-12-26
第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 口 高钢级 管线钢 中的 一 岛 阮 红 志 网赵 爱 民赵征 志 齐 亮 北京科技大学冶金工程研 究院 北京 困 通信作者 一 一 · 摘 要 通过显微组织分析方法 研究了冷却开始温度及冷却速度对高钢级 管线钢热模拟试样 中 一 岛的体积 分数和尺寸的影响 结果表 明降低冷却开始温度和提高冷却速度都可以细化组织导致 一 岛的体积分数降低 使 一 岛由尺寸较大的块状 、条状转变成尺寸较小且弥散分布的块状 、条状 利用透射 电镜观察了热轧后 以不同冷却速度冷却 所得试样组织 中 一 岛的形貌 发现在低 的冷却速度下 一 岛由残余奥 氏体 、尺寸及取 向均不 同的马 氏体板条组成 在马 氏体板条 中存在孪 晶证 明了碳 的扩散 也说 明 一 岛中 是孪 晶马 氏体 在高的冷却速度下 转变为针状 、薄 膜状的 一 岛弱化了铁素体板条的界面 降低 了管线钢的韧性 因此只有控制冷速在一定范围内才能获得尺寸细小、 弥散分布 的 一 岛 关键词 管线钢 马 氏体 奥 氏体 微孪 晶 冷却 分类号 一 尺以 万 价 。一人乞网 月通 乞一。乞。 月摊。乳 。一城乞 石乞即 困 一 ￡ 一 一 一 一 一 一 、 一 一 石 油和天 然气 是人类 社会赖 以生存 的重要 能 源 是经济社会赖 以发展 的物质基础 高速发展 的经济社会对 能源 的需求 日益增加 促进 了大 口 径 、高压和长距离输送管线的发展 同时西气东 输一线和二线工程也促进 了国内高强高韧管线钢的 研 究 “一 高强钢 的强韧性 与其微观组织密切 相关 近年 来 随着针状铁素体概念 的引入 曾一度使管线钢 收稿 日期 一 一 的组织描述发生混淆 在管线钢 中所谓 的针状铁素 体其实质就是粒状 贝氏体 、贝氏体铁素体或者是粒 状 贝 氏体与 贝 氏体铁 素体 的复相 组织 在 高强 管线钢韵 组织 中其主要组织 为粒状 贝氏体 与贝氏体铁素体组织 粒状 贝氏体和 贝氏体铁素体 组织都是 由铁素体板条和分布在板条间或板条界的 马氏体 奥氏体 一 小岛组成 一 岛的含量、形 状 、尺寸和分布对钢 的力学性 能和冲击韧性有着重 DOI :10．13374／j．issn1001－053x．2013．04．010
第4期 阮红志等：高钢级X100管线钢中的M-A岛 475 要的影响.目前，管线钢中的组织己经研究较多，但 轧后采用一定的冷却速度使钢板冷却到350℃，保 对管线钢，尤其是高强X100管线钢中的M-A岛研 温1h,随炉冷却到室温.将轧制钢板用线切割切成 究较少.本文通过热模拟实验，研究了不同冷却速 0.3mm的薄片，用砂纸磨到50μm左右，‘然后在 度、不同冷却开始温度对MA岛的影响.在实验室 双喷电解装置上用5%高氯酸乙醇溶液进行双喷减 小轧机上采用控轧控冷技术(TMCP)制备出X100 薄，在JEM-2000FX透射电镜上进行观察 热轧板，采用透射电镜对X100管线钢热轧板进行 2实验结果 显微观察，细致分析MA岛的内部微观构成. 2.1扫描电镜观察 1实验材料及方法 图2为热模拟实验中，变形试样在不同的冷却 本实验采用25kg真空感应炉冶炼，真空浇注 开始温度下(600、550、500℃，分别以1和3℃· 成铸锭.铸锭化学成分（质量分数，%）为：0.055 s~1的冷速缓冷到室温得到的冷却试样的扫描电镜 C,0.24Si,1.93Mn,0.040.07Nb,0.016Ti,0.31 像.如图可以观察到，冷却后的试样组织为粒状贝 Mo,0.20.4Cr,0.20.4C1,0.300.55Ni,0.0015 氏体和少量的贝氏体铁素体组织，其中M-A岛在 B.铸锭锻成断面长宽为80mm×100mm的矩形坯 扫描电镜像中呈亮白色.当冷却初始温度为500℃ 料.采用钼丝线切割，从该坯料上截取直径4mm、 时，以1℃s1冷却得到的试样中，其M-A岛均匀 高度10mm的圆柱体热模拟试样，将热模拟试样 的分布在基体上，呈块状，少量呈条状，如图2(a) 置于Gleeble-3500试验机上采用图1所示工艺进行 所示：冷速提高到3℃s1,冷却得到的试样，组织 热模拟实验.试样以10℃s-1的升温速度加热至 中出现少量贝氏体铁素体，贝氏体铁素体中的MA 1200℃，保温5min后；以3℃s-1冷速冷却至 岛分布在板条间，为条状，呈有序排列，相对于图 1120℃，保温30s后压缩变形，应变为30%，变形速 2(a),M-A岛尺寸更加细小，分布更加弥散，如图 率为5s1;以5℃s-1的冷速冷却至850℃，保温2()所示.当冷却初始温度为550℃时，以1℃s-1 30s后再压缩变形，应变为40%，变形速率10s1；冷却后试样中MA岛尺寸变大，形状不规整度增 变形后以15℃s-1冷速分别冷却到600、550和500 加，条状M-A岛数量增加，如图2(b)所示；提高冷 ℃，然后改变冷却速率，分别以1和3℃s-1冷速 速到3℃s-1,组织中M-A岛相对细小，但少量M- 冷却到室温.将高温变形的试样制备成金相样，用 A呈三角状和条状，条状M-A岛的长度在23um, 4%硝酸酒精侵蚀，在ZEISS ULTRA55型扫描电镜 但宽度较窄，如图2(e)所示.当冷却初始温度为600 (SEM)下观察其组织 ℃，以1℃s-1冷却后试样中块状M-A岛数量减 少，大多呈条状，主要分布在不规则铁素体的边界 1200℃，300s 3℃8120℃.30s,30%,58-1 上，且不均匀分布，如图2(C)所示；冷速为3℃· $1,所得试样组织中弥散分布且细小的M-A岛数 5℃g1 850℃，305,40%，10s-1 量减少，取而代之的是不规则铁素体晶界分布的长 条状的M-A岛，如图2()所示 10℃s1 600℃13℃s 0℃13℃g1 图3为用Image Plus软件对图2进行处理统计 00元1.3℃g 后得到的不同冷却开始温度及冷速下热处理得到试 样中M-A岛的体积分数、长度和宽度.由图3可以 看出，不同冷却速度热处理后试样中M-A岛的体 时间/s 积分数、长度和宽度变化趋势相同.MA岛的体积 图1热模拟实验的示意图 分数及长度随冷却开始温度的升高而逐渐增加，而 Fig.1 Schematic diagram of the thermo-simulation test 宽度随冷却开始温度的升高先增加后降低.不同冷 却开始温度下热处理得到试样中M-A岛的体积分 将钢坯放入箱式加热炉加热到1200℃，保温 数、长度和宽度均随冷却速度的提高而降低.由图 1h后，用350mm二辊轧机实现再结晶区和未再 3(a)可以看出，冷却开始温度相同，冷速为1℃· 结晶区两阶段轧制，轧成厚度为8mm的钢板.再 s~1下制得试样中MA岛的体积分数明显高于冷速 结晶区变形量≥50%，未再结晶区变形量≥65%， 为3℃s1所得试样.由图3(b)和(c)可以看出， 再结晶区开轧温度为1150℃，终轧温度为800℃. 当冷速为1℃s-1,初始冷却温度为500℃时，M-
第 期 阮红志等 高钢级 管线钢 中的 一 岛 · · 要 的影响 目前 管线钢 中的组织 己经研究较 多但 对管线钢 尤其是高强 管线钢中的 一 岛研 究较少 本文通过热模拟 实验 研究 了不 同冷却速 度 、不 同冷却开始温度对 一 岛的影响 在实验室 小轧机上采用控轧控冷技术 制备出 热轧板 采用透射 电镜对 管线钢热轧板进行 显微观察 细致分析 一 岛的内部微观构成 轧后采用一定的冷却速度使钢板冷却到 ℃保 温 随炉冷却 到室温 将轧制钢板用线切割切成 的薄片 用砂纸磨 到 协 左右 ’然后在 双喷 电解装置上用 高氯酸 乙醇溶液进行双喷减 薄在 一 透射 电镜上进行观察 实验材料及方法 本 实验采用 真空感应炉冶炼 真空浇注 成铸锭 铸锭化学成分 质量分数 为 、 、 、 、 铸锭锻成 断面长宽为 的矩形坯 料 采用铝丝线切割 从该坯料上截取直径 、 高度 的圆柱体热模拟试样 将热模拟试样 置于 一 试验机上采用 图 所示工艺进行 热模拟实验 试样 以 ℃ 一‘的升温速度加热至 ℃ 保温 后 以 ℃ ·一 冷速冷 却至 ℃保温 后压缩变形 应变为 变形速 率为 一 以 ℃ 一 的冷速冷却至 ℃保温 、后再压缩变形 应变为 变形速率 一 变 形后 以 ℃ ·一’冷速分别冷却到 、 和 ℃ 然后改变冷却速率 分别 以 和 ℃ 一 冷速 冷 却到室温 将高温变形 的试样制备成金相样 用 硝酸酒精侵蚀 在 型扫描 电镜 下观察其组织 ℃ 厂裂狱 ’’一’ 上、” ”一““狱》乐井蒸钦 ‘。℃一”’一’ 瑞龄 〕场 一‘ 一’‘二一’ 时间 图 热模拟实验 的示意 图 一 将钢坯放入箱式加热炉加热到 ℃保温 后 用 二辊轧机 实现 再结 晶区和未再 结 晶区两阶段轧制 轧成厚度为 的钢板 再 结 晶区变形量 未再 结 晶区变 形量 再结晶区开轧温度为 ℃ 终轧温度为 ’ 实验结果 扫描 电镜观察 图 为热模拟实验 中变形试样在不 同的冷却 开始温度下 、 、 ℃ 分别 以 和 ℃ · 犷 的冷速缓冷到室温得到的冷却试样 的扫描 电镜 像 如 图可 以观察到 冷却后 的试样组织为粒状 贝 氏体和少量 的贝氏体铁素体组织 其 中 一 岛在 扫描 电镜像 中呈亮 白色、当冷却初始温度为 ℃ 时 以 ℃ 一 冷却得到的试样 中其 一 岛均匀 的分布在基体上呈块状少量呈条状 如 图 所示 冷速提高到 ℃ 一 ‘冷却得到的试样 组织 中出现少量贝氏体铁素体贝氏体铁素体中的 一 岛分布在板条间为条状 呈有序排列 相对于图 一 岛尺寸更加细小 分布更加弥散 如 图 所示 当冷却初始温度为 ℃时以 ℃ 一‘ 冷却后试样 中 一 岛尺寸变大 形状不规整度增 加 条状 一 岛数量增加 如图 切 所示 提高冷 速到 ℃ 唱一‘组织中 一 岛相对细小但少量 呈三角状和条状 条状 一 岛的长度在 户 但宽度较窄如图 所示 当冷却初始温度为 ℃以 ℃ ·一冷却后试样 中块状 一 岛数量减 少大多呈条状 主要分布在不规则铁素体 的边界 上 且不均匀分布 如图 所示 冷速 为 ℃ · 一‘所得试样组织 中弥散分布且细小的 一 岛数 量减少取而代之的是不规则铁素体晶界分布的长 条状 的 一 岛如图 所示 图 为用 软件对 图 进行处理统计 后得到的不同冷却开始温度及冷速下热处理得到试 样 中 一 岛的体积分数 、长度和宽度 由图 可以 看 出不同冷却速度热处理后试样 中 一 岛的体 积分数 、长度和宽度变化趋势相同 一 岛的体积 分数及长度随冷却开始温度 的升高而逐渐增加 而 宽度随冷却开始温度的升高先增加后降低 不 同冷 却开始温度下热处理得到试样 中 一 岛的体积分 数 、长度和宽度均随冷却速度 的提高而降低 由图 可 以看 出冷却开始温度相 同冷速为 ℃ · 一’下制得试样中 一 岛的体积分数明显高于冷速 为 ℃ 名一‘所得试样 由图 和 可 以看 出 当冷速为 ℃ ·、一‘初始冷却温度为 ℃时 超蟾护
.476 北京科技大学学报 第35卷 A的长度和宽度分别为0.63和0.29m.升高初始 体积分数、长度和宽度的变化随初始冷却温度变化 冷却温度到550℃，长度和宽度增加明显，分别为 趋势相同，降低冷却开始温度和提高冷却速度，都 0.94和0.40m.当初始冷却温度为600℃时，长 可以使MA岛的尺寸变的更细小，分布更均匀，且 度和宽度分别为0.95和0.37m,变化不是很明显 分布在晶界的条状MA岛数量减少. (图3(b)和3(c).提高冷速到3℃s-1时，M-A岛 Signal A=SE2 (e 子▣Mag=30KT150 kV Signal A=sE2Dc20Apr市 T42128 VD-10 5 mi Time 19:18:12 图2不同冷却初始温度及冷却速度冷却后试样的扫描电镜像.(a)500℃，1℃-1：(b)550℃，1℃s1:(c)600℃ 1℃8-1：(d500℃，3℃s-1:(e)550℃，3℃s-1:(0600℃，3℃s-1 Fig.2 SEM images of samples cooled at different cooling temperatures and cooling rates::(a)500℃，1℃s-l:(b)550℃， 1℃s-1:(c)600℃，1s-1；()500℃，3℃g-1:(e)550℃，3℃s-(f)600℃.3℃s-1
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第4期 阮红志等：高钢级X100管线钢中的M-A岛 477 1.2 1.0 解10 0.4 9 且0.8 是ao ur/ 7 。一冷速1℃s-1 ·一冷速1℃s1 一冷速1℃8 6 ·一冷速3℃8 0.4 +冷速3℃s 冷速3℃s 500 550 600 500 550 600 0.2 500 550 600 冷却初始温度/℃ 冷却初始温度/℃ 冷却初始温度/℃ 图3冷却初始温度及冷却速度对冷却后试样中M-A岛体积分数()、长度(b)和宽度(C)的影响 Fig.3 Effects of cooling temperature and cooling rate on the volume fraction(a),length(b)and width (c)of M-A islands in cooled samples 2.2透射电镜观察 后获得试样中M-A岛的透射电镜像.MA岛处于铁 2.2.1低冷速下M-A岛的结构 素体板条之间，这些伸长的铁素体板条宽度在0.9 图4为经再结晶轧制和未再结晶区轧制，慢冷 m左右，具有较高的位错密度，板条间为小角度晶 a (b) 200m 200m 200mm (e) MI 5 2 (202)· A 8 A:奥氏体 M:马氏体 111 012 200m 图4低冷速下获得的试样中MA岛的透射电镜像.()M-A的明场相；(b)图(a)中MA岛的暗场相：(C)另一个衍射斑下MA 岛的明场相：()图(c)的暗场像：(e)M-A岛的衍射斑：()MA岛内部结构的示意图 Fig.4 TEM images of M-A islands in samples cooled at slow cooling rate:(a)bright image of M-A islands;(b)dark image of (a);(c)bright image of M-A islands under another diffraction spot;(d)dark image of (c);(e)diffraction spot of M-A islands;(f) illustration of the structure of M-A islands
第 期 阮红志等 高钢级 管线钢中的 一 岛 · · 呈 曰卫 从了 土 冷速 ℃ 冷速 弓乍 冷速 ℃ 一 冷速 ‘ 冷速 铡妇 宝一﹃ 日一︸ 卜︵‘ 州当一 彩沐佘形长公峨层· 几 从 冷却初始温度 ℃ 〔〕 〕 马几 冷却初始温度 ‘犷 〔〕 冷却初始温度 下 图 冷却初始温度及冷却速度对冷却后试样中 一 岛体积分数 、长度 和宽度 的影响 、 雨 ‘ 川 〔〕川 川 〔 工 入汪一 工 透射 电镜观察 低冷速下 一 岛的结构 图 为经再结晶轧制和未再结晶区轧制 慢冷 后获得试样中 一 岛的透射 电镜像 一 岛处于铁 素体板条之间这些伸长 的铁素体板条 宽度在 左右 具有较高的位错密度 板条间为小角度 晶 图 低冷速下获得的试样中 一 岛的透射 电镜像 一 的明场相 图 中 一 岛的暗场相 。 另一个衍射斑下 一 岛的明场相 图 的暗场像 一 岛的衍射斑 一 岛内部结构的示意图 入丁 罗 入一 、 飞 、 入一 入一 。〔 一 讯 飞 一 飞 一 人 一
·478 北京科技大学学报 第35卷 界，板条界不清晰，部分板条界弯曲.图4(a)为L 冷后获得的M-A岛的透射电镜像.如图6()所示， A岛的明场相.从图中可以看出M-A岛呈块状，与 铁素体呈板条状平行排列，板条长且窄，板条界清 刀的形状相似，其破坏了板条的完整性.刀柄直接 贯穿了铁素体板条，刀头位置的铁素体板条变窄， 分成了两个长度约为0.4um的板条.小板条的生长 被前面粗大的板条阻挡，板条的长度只有1m左 右，另外从图中还可以明显看到MA岛内部亮暗 不均，表明MA岛内部由多个部分组成.图4(b) 为与图4(a)相对应的暗场像.M-A岛内部结构的 示意图如图4()所示.结合两图可知，图4b)中 较明亮的为马氏体板条，分别为M10、M1、M2和 M7,M1和M2之间有明显的界面，M10内部可以 隐约看到马氏体内的亚结构为微孪晶.图4(c)和图 4(d)为旋转试样方向，使M-A岛中另一个马氏体 中的晶面满足布拉格方程，得到的M-A岛中另一 组明暗场相.与图4(b)相比，M1变暗，M3、M11 100nm 和M8变亮.M-A岛内部同时出现多个小区域变 亮，主要是该区域上的马氏体的晶面满足布拉格方 图5规则I-A岛内部微孪晶 程.将图4(a)~(d)比较，得到图4(f)中M-A岛内部 Fig.5 Internal microtwins of structured M-A islands 结构示意图，可以看出M-A岛内部结构的复杂性 (a) 图4(e)为图4(c)中M-A岛的衍射斑点及其对衍射 斑的标定，图4(c)和图4(d)中的明暗场相即由其 中的马氏体的衍射斑得到6-7.衍射花样中有两套 衍射斑点，一套是奥氏体斑点，另一套是马氏体斑 点.通过图4(e)可以看出，不同奥氏体衍射斑之间 距离的关系为R1/R2=1,R1与R2之间中1夹角为 60°，晶带轴为[111.不同马氏体的衍射斑之间距离 的关系为：R4/R3=1.225,R3与R4之间Φ2夹角为 65.91°，晶带轴为[012.因此可以得知，M-A岛中 的马氏体由过冷奥氏体转变而来，满足一定的取向 关系，即[111A/012M. 图5为低冷速下获得试样中形状规则M-A岛 的透射电镜像.相对于图4，此图中的M-A岛结构 相对简单，可以清晰地看到MA岛内部存在微孪 晶.在轧后慢冷的过程中，碳扩散的相对较快，在局 部区域容易出现贫碳区和富碳区.当冷却温度低于 相变温度时，贫碳区发生相转变，使富碳区的碳含 量进一步增加，富碳的奥氏体降低了相转变温度， 使过冷奥氏体稳定.在相变温度低于马氏体相变开 500 nm 500 ni 始温度后，部分过冷奥氏体转变成马氏体).马氏 体形核较快，使M-A岛中的马氏体取向并不相同 图6高冷速下获得的试样中MA岛的透射电镜像.()M-A (如图4所示).图5中马氏体中的微孪晶也进一步 的明场相：(b)图(a)中IA岛的暗场相：(c)另一个衍射斑下 证明MA岛中形成的马氏体为高碳马氏体，这也 M-A岛的明场相；(d)图(c)的暗场像 相应地证明碳的扩散 Fig.6 TEM images of M-A islands in samples cooled at rapid cooling rate:(a)bright image of M-A islands;(b)dark image 2.2.2高冷速下M-A岛的结构 of(a);(c)bright image of M-A islands under another diffraction 图6为经再结晶区轧制和未再结晶区轧制，快spot:(d)dark image of(c)
北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 界 板条界不清晰部分板条界弯 曲 图 为 岛的明场相 从图中可以看出 一 岛呈块状 与 刀的形状相似 其破坏 了板条的完整性 刀柄直接 贯穿 了铁素体板条 刀头位置的铁素体板条变窄 分成 了两个长度约为 四 的板条 小板条的生长 被前面粗大的板条阻挡 板条的长度只有 左 右 另外从图中还可 以明显看到 一 岛内部亮暗 不均 表 明 一 岛内部 由多个部分组成 图 为与 图 幼 相对应 的暗场像 一 岛内部结构的 示意 图如 图 所示 结合两 图可知 图 中 较 明亮 的为马 氏体板条 分别为 入 、八 、入 和 和 之 间有 明显的界面 内部可 以 隐约看到马 氏体内的亚结构为微孪 晶 图 和图 为旋转试样 方向使 入一 岛中另一个 马氏体 中的晶面满足布拉格方程 得到的 一 岛中另一 组 明暗场相 与 图 相 比人 变暗 人 、 和 人招 变亮 一 岛内部 同时 出现 多个 小区域变 亮 主要是该区域上的马 氏体的晶面满足布拉格方 程 将图 司 比较 得到图 中 一 岛内部 结构示意图 可 以看出 一 岛内部结构的复杂性 图 为图 中 一 岛的衍射斑点及其对衍射 斑的标定图 和 图 中的明暗场相即由其 中的马氏体的衍射斑得到 一 衍射花样 中有两套 衍射斑点一套是奥 氏体斑点 另一套是马氏体斑 点 通过 图 可 以看 出不同奥 氏体衍射斑之间 距离的关系为 〕与 之间 必 夹角为 。晶带轴为 【 不同马氏体的衍射斑之间距离 的关系为 与 之间 少 夹角为 。晶带轴为 因此可以得知 一 岛中 的马氏体 由过冷奥 氏体转变而来 满足一定的取 向 关系即 一 一 、工 图 为低冷速下获得试样中形状规则 一 岛 的透射 电镜像 相对于 图 此 图中的 一 岛结构 相对简单 可 以清 晰地看到 一 岛内部存在微孪 晶 在轧后慢冷的过程 中碳扩散的相对较快 在局 部区域容易出现贫碳区和富碳 区 当冷却温度低于 相变温度时 贫碳 区发生相转变使富碳区的碳含 量进一步增加 富碳 的奥 氏体 降低 了相转变温度 使过冷奥 氏体稳定 在相变温度低于马 氏体相变开 始温度 后 部分过冷 奥 氏体转变成 马 氏体 冈 马 氏 体形核较快 使 一 岛中的马 氏体取 向并不相 同 如图 所示 图 中马氏体中的微孪晶也进一步 证 明 一 岛中形成 的马 氏体为高碳 马 氏体 这也 相应地证明碳的扩散 高冷速下 一 岛的结构 图 为经再结晶区轧制和未再结晶区轧制 快 冷后获得的 一 岛的透射 电镜像 如图 所示 铁素体呈板条状平行排列板条长 且窄板条界清 图 规则 一 岛 内部微孪晶 一 了一 王一 ‘ 一〔 一飞·〔人 一 矛一〔 图 高冷速下获得 的试样 中 一 岛的透射 电镜 像 一人 的明场相 图 司 中 一 岛的暗场相 另一个衍射斑 卜 一 岛的 明场相二 图 的暗场 像 入 之飞 〔、 一 人 一 奋飞一 一 矛飞 一〕 〔叹 、 矛 一 、、。 飞〕 、 、。、。。入一 、飞】《、 牛、、矛 、 、、、·〔人一 、、 、〔‘ 。 仟 、川 、 吕。、
第4期 阮红志等：高钢级X100管线钢中的M-A岛 ·479· 晰，板条的宽度为0.20.4m,板条的长度远大于 成，这就形成所谓的M-A岛.M-A岛中的马氏体由 宽度，板条间为小角度晶界.图6(b)为与图6(a) 于含碳量较高，转变成的马氏体为李晶马氏体1. 相对应的暗场像，M-A岛处于板条之间，呈针状或 提高冷速，过冷奥氏体的过冷度增加，碳来不 薄膜状分布.图6(c)和图6(d)为旋转试样方向，使 及实现长程扩散，只能在小的区域富集，使M-A岛 试样中其他的某些马氏体满足布拉格方程，得到的 由尺寸较大的块状、条状变成尺寸较小，均匀分布 M-A岛另一组明暗场相.从图6(d)中可以看出，M 的块状、条状：进一步增加冷速，会转变成针状和薄 A岛的衬度与基体相近，但出现了另外两条呈针状 膜状.针状和薄膜状的M-A岛弱化了板条的界面， 的MA岛.相对于前者，长度缩短.由此可知，板 降低了界面结合能，极易产生裂纹，从而降低管线 条间分布着取向不同的M-A岛. 钢的韧性，这就需要冷却速度不要过大， 通过对比高低冷速下获得试样中M-A岛的透 4结论 射电镜像可知，提高冷速，试样中条状和块状的M A岛消失，取而代之的是针状和薄膜状的MA岛 (1)MA岛分布在铁素体板条间和不规则铁素 这主要由于快冷过程中，碳来不及长程扩散，只能 体的边界上，降低冷却开始温度，MA岛的体积分 实现短程扩散.当冷却到马氏体相变开始温度以下， 数降低，尺寸减小，分布更加均匀. 这些富碳的过冷奥氏体就转变成M-A岛.由于这些 (2)在冷却的过程中，富碳的过冷奥氏体部分 M-A岛宽度偏窄，不容易观察到其内部细微结构， 转变成不同取向的马氏体，这些马氏体的亚结构为 但应该也为马氏体和过冷奥氏体组成，二者之间的 微孪晶，所以M-A岛由残留的过冷奥氏体和孪晶 比例应该与成分和工艺有关 马氏体组成 (3)提高冷却速度，M-A岛由尺寸较大的块状、 3讨论 条状变成尺寸较小且均匀分布的块状、条状；进一 管线钢中MA岛是贝氏体钢中的一个重要的 步提高冷却速速，转变成针状和薄膜状，弱化了板 结构特征，微观结构中M-A岛的含量、尺寸及分布 条界面，降低了管线钢的韧性.所以只有控制冷速 对管线钢的性能有重要的影响9.管线钢中强度的 在一定范围内，才能获得尺寸细小，弥散分布的M 提高是位错强化、细晶强化、沉淀强化及铌钛的碳 A岛 氮化物的析出强化等综合作用的结果.对于X70钢 级以上的管线钢，组织中出现M-A岛，其强化机制 参考文献 还应存在MA岛的强化机制.有研究表明10：适当 提高材料中M-A岛的体积分数及减小M-A岛的尺 [1]Tong K,Zhuang C J,Liu Q,et al.Microstructure charac- 寸，管线钢的强度将提高：降低材料中MA岛的 teristics of M/A islands in high grade pipeline steel and its 体积分数及减小M-A岛的尺寸，管线钢的韧性将 effect on mechanical properties.Mater Mech Eng,2011, 提高.细小分布的M-A岛能阻止裂纹的扩展，使材 35(2):4 (全珂，庄传晶，刘强，等.高钢级管线钢中M/A岛的微观 料不易因应力集中而诱发微裂纹，从而提高材料韧 特征及其对力学性能的影响.机械工程材料，2011,35(2)： 性.在实验中，降低冷却开始温度及提高冷却速度， 4) 可以降低M-A岛的体积分数，使强化效果减弱，但 [2 Wang XX.Development progress of pipeline steel with 使MA岛的尺寸更加细小，分布更加弥散，从而提 extra-high strength.Welded Pipe Tube,2010,33(2):5 高管线钢的韧性. (王晓香.超高强度管线钢管研发新进展.焊管，2010,33(2)： MA岛的形成原因：当管线钢经过再结晶区 5) 轧制和未再结晶区轧制后，在冷却的过程中，碳原 3]Gao H L.The challenges for pipeline projects devel- 子在奥氏体中扩散并重新分布，形成富碳区和贫碳 opment trend of pipeline steel.Welded Pipe Tube,2010. 区，贫碳区在相变的过程中转变成铁素体板条，使 33(10):5 (高惠临.管道工程面临的挑战与管线钢的发展趋势.焊 碳从过饱和的固溶体中脱溶，进一步提高富碳区中 管，2010,33(10)：5) 碳的含量，增加了过冷奥氏体的稳定性.当冷却温 4]Zheng L,Fu J Y.Recent development of high performance 度低于马氏体相变开始温度时，过冷奥氏体中部分 pipeline steel.Iron Steel,2006,41(10):1 奥氏体转变成马氏体，由于转变不完全，当冷却到 (郑磊，傅俊岩.高等级管线钢的发展现状.钢铁.2006 室温时，过冷奥氏体由马氏体和部分残留奥氏体组 41(10):1)
第 期 阮红志等 高钢级 管线钢中的 一 岛 · · 晰板条 的宽度为 卜 板条的长度远大于 宽度 板条间为小角度晶界 图 为与图 相对应的暗场像 一 岛处于板条之间呈针状或 薄膜状分布 图 和图 为旋转试样方向使 试样 中其他 的某些马氏体满足布拉格方程 得到的 一 岛另一组明暗场相 从图 中可以看出 岛的衬度与基体相近 但 出现 了另外两条呈针状 的 一 岛 相对于前者 长度缩短 由此可知 板 条间分布着取 向不 同的 一 岛 通过对 比高低冷速下获得试样 中 一 岛的透 射电镜像可知提高冷速 试样中条状和块状的 岛消失取而代之 的是针状和薄膜状 的 一 岛 这主要 由于快冷过程 中碳来不及长程扩散 只能 实现短程扩散 当冷却到马 氏体相变开始温度 以下 这些富碳的过冷奥 氏体就转变成 一 岛 由于这些 一 岛宽度偏窄 不容易观察到其 内部细微结构 但应该也为马 氏体和过冷奥 氏体组成 二者之间的 比例应该与成分和工艺有关 成这就形成所谓的 一 岛 一 岛中的马 氏体 由 于含碳量较高 转变成的马 氏体为孪 晶马 氏体 ‘ 提高冷速 过冷奥 氏体 的过冷度增加 碳来不 及实现长程扩散只能在小的区域富集 使 一 岛 由尺寸较大的块状 、条状变成尺寸较小 均匀分布 的块状 、条状 进一步增加冷速 会转变成针状和薄 膜状 针状和薄膜状 的 一 岛弱化 了板条 的界面 降低 了界面结合能 极易产生裂纹 从而降低管线 钢 的韧性 这就需要冷却速度不要过大 讨论 管线钢 中 一 岛是贝氏体钢中的一个重要 的 结构特征微观结构 中 岛的含量 、尺寸及分布 对管线钢 的性能有重要 的影响 管线钢 中强度 的 提高是位错强化 、细晶强化 、沉淀强化及妮钦的碳 氮化物的析 出强化等综合作用的结果 对于 钢 级 以上的管线钢 组织中出现 一 岛其强化机制 还应存在 一 岛的强化机制 有研究表 明 适当 提高材料 中 一 岛的体积分数及减小 一 岛的尺 寸 管线钢 的强度将提高 降低材料 中 一 岛的 体积分数及减小 一 岛的尺寸 管线钢 的韧性将 提高 细小分布的 一 岛能阻止裂纹的扩展 使材 料不易因应力集 中而诱发微裂纹 从而提高材料韧 性 在实验 中降低冷却开始温度及提高冷却速度 可 以降低 一 岛的体积分数 使强化效果减弱但 使 一 岛的尺寸更加细小 分布更加弥散 从而提 高管线钢 的韧性 一 岛的形成原 因 当管线钢经过再结晶区 轧制和未再结晶区轧制后 在冷却的过程 中碳原 子在奥 氏体 中扩散并重新分布 形成富碳 区和贫碳 区贫碳 区在相变的过程 中转变成铁素体板条 使 碳从过饱和的固溶体中脱溶 进一步提高富碳区中 碳 的含量 增加 了过冷奥 氏体 的稳定性 当冷却温 度低于马 氏体相变开始温度时过冷奥 氏体中部分 奥 氏体转变成马氏体 由于转变不完全 当冷却到 室温 时过冷奥 氏体 由马氏体和部分残 留奥 氏体组 结论 一 岛分布在铁素体板条间和不规则铁素 体的边界上 降低冷却开始温度 一 岛的体积分 数降低 尺寸减小 分布更加均匀 在冷却的过程中富碳的过冷奥 氏体部分 转变成不 同取 向的马 氏体 这些马氏体的亚结构为 微孪晶所 以 一 岛由残 留的过冷奥 氏体和孪 晶 马 氏体组成 提高冷却速度 一 岛由尺寸较大的块状、 条状变成尺寸较小且均匀分布 的块状 、条状 进一 步提高冷却速速 转变成针状和薄膜状 弱化 了板 条界面 降低 了管线钢 的韧性 所 以只有控制冷速 在一定范围内才能获得尺寸细小弥散分布的 岛 参 考 文 献 【 ‘ 亡 几夕 全坷庄传晶刘强等 高钢级管线钢中 岛的微观 特征及其对力学性能的影响 机械工程材料 【」 · 乞 几 ‘。 王晓香 超高强度管线钢管研发新进展 焊管 【〕 币’ 甲 几 乙。 高惠临 管道工程面临的挑战与管线钢 的发展趋势 焊 管 」 · 几 亡 郑磊傅俊岩 高等级管线钢 的发展现状 钢铁
480 北京科技大学学报 第35卷 [5]Feng Y R,Gao H L,Huo C Y,et al.Analysis and Iden- bainitic steels.Mater Sci Eng A,1992,154(1):43 tification of Pipeline Steel Microstructure.Xi'an:Shanxi [9]Yang J H,Liu Q Y,Sun D B,et al.Effect of rolling pro- Science and Technology Press,2008 cessing on the microstructure and M/A islands in a X70 (冯耀荣，高惠临，霍春勇，等.管线钢显微组织的分析与鉴 grade pipeline steel.J Univ Sci Technol Beijing,2009, 别.西安：陕西科学技术出版社，2008) 31(2):180 [6]Shangmugan S,Misra R D K,Hartmann J,et al.Mi. (杨景红，刘清友，孙冬柏，等.轧制工艺对微合金管线钢 crostructure of high strength niobium-containing pipeline 组织及M/A岛的影响.北京科技大学学报，2009,31(2)： steel.Mater Sci Eng A,2006,441(1/2):217 180) [7]Zhou M,Du L X,Liu X H,et al.Study on M-A com-[10]Yang X N,Kang Y L,Yu H,et al.Technology control ponent in high grade pipeline steel.Steel Rolling,2009, for the structure of martensite/austenite islands of X70 26(3):7 acicular ferrite pipeline steel.Steel Rolling,2007,24(4):7 (周民，杜林秀，刘相华，等。高钢级管线钢中M-A组元的 (杨旭宁，康永林，于浩，等.X70针状铁素体管线钢中M/A 研究.轧钢，2009,26(3)：7) 岛的工艺控制.轧钢，2007,24(4)：7) [8]Wang S C,Yang J R.Effects of chemical composition, [11]Wang C M,Wu X F,Liu J,et al.Transmission electron rolling and cooling conditions on the amount of marten microscopy of martensite/austenite islands in pipeline site/austenite (M/A)constituent formation in low carbor steel X70.Mater Sci Eng A,2006,438-440:267
· · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 【』 乞 二 。 访 印 乞几 亡 城 亡邝 亡。爬 冯耀荣高惠临霍春勇等 管线钢显微组织的分析与鉴 别 西安 陕西科学技术出版社 」 一 ·人了。 召几夕 【」 一 。 亡 ‘几夕 周民杜林秀刘相华等 高钢级管线钢中 一 组元的 研究 轧钢 · 乞 二夕 · 流 乞 叮乞。夕 杨景红刘清友孙冬柏等 轧制工艺对微合金管线钢 组织及 岛的影响 北京科技大学学报 亡 二夕 杨旭宁康永林于浩等 针状铁素体管线钢中 岛的工艺控制 轧钢 」、布 妇 。 升 盯 乞 夕 一
