D0I:10.13374/1.issnl00103.2009.02.013 第31卷第2期 北京科技大学学报 Vol.31 No.2 2009年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feh.2009 轧制工艺对微合金管线钢组织及M/A岛的影响 杨景红1,2) 刘清友)孙冬柏)李向阳) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)钢铁研究总院结构材料研究所，北京100081 摘要采用热模拟和显微组织分析方法，研究了冷却速率，变形温度、变形量等轧制工艺参数对一种X70级微合金管线钢 组织及马氏体/奥氏体(M/A)小岛的影响·结果表明：增大冷速、降低变形温度均可使组织细化，组织中多边形铁素体减少，针 状铁素体增多：同时，在不同的控轧条件下，会形成一定的M/A小岛，变形温度对M/A小岛影响不大，而适当提高冷速和增 大变形量将减少小岛相对量，并使其细小而弥散分布于基体：合理控制形变参数及冷速可获得较理想的显微组织与M/A小 岛的配合，提高材料性能。 关键词管线钢：M/A岛：针状铁素体；热模拟 分类号TG142.41 Effect of rolling processing on the microstructure and M/A islands in a X70 grade pipeline steel YANG Jing hong,LIU Qing you).SUN Dong-bai,LI Xiang yang 1)School of Materials Science and Engineering.University of Science and Technology Beijing,Beijing 10083.China 2)Institute for Structural Materials.Central Iron &Steel Research Institute.Beijing 100081.China ABSTRACI The effects of cooling rate,deformation temperature and reduction on the microstructure and martensite/austenite (M/ A)islands in a Nb-V-Ti micro-alloyed steel were studied by Gleeble thermal-mechanical simulation tests and microstructural observa- tions.The results show that an increase in cooling rate and a decrease in deformation temperature can refine the microstructure.re- duce polygonal ferrite and enhance acicular ferrite (AF)in the steel.Under different controlled rolling processes,there is a certain amount of M/A island structure in the matrix,while the effect of deformation temperature on the M/A is small.Appropriately in- creasing the cooling rate and reduction can reduce the volume fraction of islands and make them be refined and dispersed,so the proper combination of AF and M/A can be obtained by controlling deformation parameters to improve the properties of the steel. KEY WORDS pipeline steel:M/A island:acicular ferrite:thermal-mechanical simulation test 含铌、钛和钒等合金元素的微合金钢在管线钢 中马氏体/奥氏体(M/A)小岛的存在也是管线钢组 及汽车用部件中得到广泛的应用，由于石油及天然 织的一个重要特征一)，目前对管线钢组织结构已 气运输的需要，具有高强度及高韧性的管线用钢得 有较多研究，但对组织中M/A岛研究较少.进一步 到快速发展，西气东输工程也促进了国内高强韧管 研究热变形对微合金管线钢组织及M/A小岛的影 线钢的研究)，不同的工艺条件下，管线钢中存 响，以及在不同变形条件及冷速下细微组织的变化 在多种不同组织，例如多边形铁素体、准多边形铁素 情况，对优化管线用钢材料成分设计，通过生产工艺 体、珠光体、针状铁素体和贝氏体铁素体，通常认为 改善组织结构以提高材料性能具有重要意义，因 针状铁素体组织能优化材料的力学性能，对增强材 此，本文利用热模拟方法，研究了冷却速率、变形温 料的强度与韧性都发挥重要作用，管线钢微观组织 度和变形量对一种微合金高强管线钢组织和细微结 收稿日期：2008-04-16 基金项目：国家科技支撑计划资助项目(Na,2006BAE03A15) 作者简介：杨景红(1977一）：男，博士研究生：刘清友(l965一)，男，教授，E-mail:liugingyou@nercast·com
轧制工艺对微合金管线钢组织及 M／A 岛的影响 杨景红12） 刘清友2） 孙冬柏1） 李向阳2） 1） 北京科技大学材料科学与工程学院北京100083 2） 钢铁研究总院结构材料研究所北京100081 摘 要 采用热模拟和显微组织分析方法研究了冷却速率、变形温度、变形量等轧制工艺参数对一种 X70级微合金管线钢 组织及马氏体／奥氏体（M／A）小岛的影响．结果表明：增大冷速、降低变形温度均可使组织细化组织中多边形铁素体减少针 状铁素体增多；同时在不同的控轧条件下会形成一定的 M／A 小岛变形温度对 M／A 小岛影响不大而适当提高冷速和增 大变形量将减少小岛相对量并使其细小而弥散分布于基体；合理控制形变参数及冷速可获得较理想的显微组织与 M／A 小 岛的配合提高材料性能． 关键词 管线钢；M／A 岛；针状铁素体；热模拟 分类号 TG142∙41 Effect of rolling processing on the microstructure and M／A islands in a X70grade pipeline steel Y A NG Jing-hong 12）LIU Qing-you 2）SUN Dong-bai 1）LI Xiang-yang 2） 1） School of Materials Science and EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing10083China 2） Institute for Structural MaterialsCentral Iron ＆ Steel Research InstituteBeijing100081China ABSTRACT T he effects of cooling ratedeformation temperature and reduction on the microstructure and martensite／austenite （M／ A） islands in a Nb-V-Ti micro-alloyed steel were studied by Gleeble therma-l mechanical simulation tests and microstructural observations．T he results show that an increase in cooling rate and a decrease in deformation temperature can refine the microstructurereduce polygonal ferrite and enhance acicular ferrite （AF） in the steel．Under different controlled rolling processesthere is a certain amount of M／A island structure in the matrixwhile the effect of deformation temperature on the M／A is small．Appropriately increasing the cooling rate and reduction can reduce the volume fraction of islands and make them be refined and dispersedso the proper combination of AF and M／A can be obtained by controlling deformation parameters to improve the properties of the steel． KEY WORDS pipeline steel；M／A island；acicular ferrite；therma-l mechanical simulation test 收稿日期：2008-04-16 基金项目：国家科技支撑计划资助项目（No．2006BAE03A15） 作者简介：杨景红（1977—）男博士研究生；刘清友（1965—）男教授E-mail：liuqingyou＠nercast．com 含铌、钛和钒等合金元素的微合金钢在管线钢 及汽车用部件中得到广泛的应用．由于石油及天然 气运输的需要具有高强度及高韧性的管线用钢得 到快速发展西气东输工程也促进了国内高强韧管 线钢的研究［1—4］．不同的工艺条件下管线钢中存 在多种不同组织例如多边形铁素体、准多边形铁素 体、珠光体、针状铁素体和贝氏体铁素体．通常认为 针状铁素体组织能优化材料的力学性能对增强材 料的强度与韧性都发挥重要作用．管线钢微观组织 中马氏体／奥氏体（M／A）小岛的存在也是管线钢组 织的一个重要特征［5—7］．目前对管线钢组织结构已 有较多研究但对组织中 M／A 岛研究较少．进一步 研究热变形对微合金管线钢组织及 M／A 小岛的影 响以及在不同变形条件及冷速下细微组织的变化 情况对优化管线用钢材料成分设计通过生产工艺 改善组织结构以提高材料性能具有重要意义．因 此本文利用热模拟方法研究了冷却速率、变形温 度和变形量对一种微合金高强管线钢组织和细微结 第31卷 第2期 2009年 2月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31No．2 Feb．2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．02．013
第2期 杨景红等：轧制工艺对微合金管线钢组织及/A岛的影响 ,181 构M/A组元的影响规律 割机将变形后的典型试样从其变形区的中部切下 1 实验材料及方法 0.3mm厚的金属薄片，预减薄到50m以下后冲出 3mm的圆片，双喷减薄制备透射电镜分析试样，在 实验材料为一种X70级低碳微合金高强管线 800型透射电镜上观察M/A小岛细微结构， 钢，其成分为（质量分数）：C,0.052%;Si,0.24%; Mn,1.77%;Nb,0.048%;V,0.089%;Ti, 2实验结果与分析 0.014%;S,0.003%;P,0.008%;N,0.0054%. 2.1工艺条件对钢组织影响 试样取自热轧中间坯，热模拟实验在Gleeble-1500D 2.1.1冷却速率对组织的影响 试验机上进行，试样尺寸为8mm×12mm,将试样 观察了未变形试样，以不同速率冷却后的金相 加热至1200℃，保温5min后以5℃s1的冷速冷 组织，结果示于图1. 却后按表1考虑不同工艺因素的影响 从图1中可以看出：随冷速增大，所得组织明显 表1变形工艺参数 变细.冷速降低过程中组织转变没有明显的临界 Table 1 Deformation parameters of tests 点，在一定范围内都是多相共存的组织，当冷速为 工艺 变形后冷速/ 变形 变形 1℃s时，得到多边形铁素体、针状铁素体及少量 因素 (℃s-) 温度/℃ 量/% 珠光体的混合组织，针状铁素体被多边形铁素体包 冷速 1,5,15,40 850 0,50 围，沿着针状铁素体与多边形铁素体相界面生长， 变形温度 15 950,900.850.800 50 当冷速增大到5℃s时，多边形共析铁素体明显 变形量 15 850 20,40,60 减少，组织转变为针状铁素体加少量准多边形铁素 体.随着冷却速率的进一步提高，所获得的针状铁 热模拟实验完成后，将试样沿中央纵截面切开， 素体组织逐渐变细，多边形铁素体消失，当冷速达 经打磨抛光后用3%的硝酸酒精溶液腐蚀观察组 到15℃s1时，组织主要由针状铁素体组成，出现 织，使用截线法统计晶粒尺寸.采用Lapara浸湿剂 明显贝氏体组织；当冷速为40℃s1时，转变为明 侵蚀试样8]，观察变形后M/A小岛，用Sisc-Ias金 显的贝氏体组织 相分析软件统计M/A小岛所占体积分数，用线切 20m 20m 20m 图1实验钢不变形条件下不同冷速冷却后的组织形貌.(a)1℃s；(b)5℃s1；(c)15℃s-1;()40℃s1 Fig.1 Microstructures of undeformed samples cooled at different cooling rates:(a)ICs (b)5Cs;(e)15Cs;(d)40C.s 图2为试样在850℃变形50%后，以不同速率 状铁素体.当冷速增大为15℃s1时，组织中珠光 冷却后的金相组织，从金相照片可以看出：在冷速 体消失，铁素体晶粒明显变细，并且出现大量不规则 较低时，奥氏体大部分转变为多边形或准多边形铁 块状铁素体及针状铁素体，随着冷速的进一步增 素体，并伴随有少量的珠光体，随着冷速的提高，组 大，针状铁素体增加，铁素体的晶粒尺寸进一步减 织中珠光体、多边形铁素体明显减少，并开始出现针 小
构 M／A 组元的影响规律． 1 实验材料及方法 实验材料为一种 X70级低碳微合金高强管线 钢其成分为（质量分数）：C0∙052％；Si0∙24％； Mn1∙77％；Nb0∙048％；V0∙089％；Ti 0∙014％；S0∙003％；P0∙008％；N0∙0054％． 试样取自热轧中间坯热模拟实验在 Gleeble—1500D 试验机上进行试样尺寸为●8mm×12mm将试样 加热至1200℃保温5min 后以5℃·s —1的冷速冷 却后按表1考虑不同工艺因素的影响． 表1 变形工艺参数 Table1 Deformation parameters of tests 工艺 因素 变形后冷速／ （℃·s —1） 变形 温度／℃ 变形 量／％ 冷速 151540 850 050 变形温度 15 950900850800 50 变形量 15 850 204060 热模拟实验完成后将试样沿中央纵截面切开 经打磨抛光后用3％的硝酸酒精溶液腐蚀观察组 织使用截线法统计晶粒尺寸．采用 Lapara 浸湿剂 侵蚀试样［8］观察变形后 M／A 小岛用 Sisc-Ias 金 相分析软件统计 M／A 小岛所占体积分数．用线切 割机将变形后的典型试样从其变形区的中部切下 0∙3mm 厚的金属薄片预减薄到50μm 以下后冲出 ●3mm 的圆片双喷减薄制备透射电镜分析试样在 H—800型透射电镜上观察 M／A 小岛细微结构． 2 实验结果与分析 2∙1 工艺条件对钢组织影响 2∙1∙1 冷却速率对组织的影响 观察了未变形试样以不同速率冷却后的金相 组织结果示于图1． 从图1中可以看出：随冷速增大所得组织明显 变细．冷速降低过程中组织转变没有明显的临界 点在一定范围内都是多相共存的组织．当冷速为 1℃·s —1时得到多边形铁素体、针状铁素体及少量 珠光体的混合组织针状铁素体被多边形铁素体包 围沿着针状铁素体与多边形铁素体相界面生长． 当冷速增大到5℃·s —1时多边形共析铁素体明显 减少组织转变为针状铁素体加少量准多边形铁素 体．随着冷却速率的进一步提高所获得的针状铁 素体组织逐渐变细多边形铁素体消失．当冷速达 到15℃·s —1时组织主要由针状铁素体组成出现 明显贝氏体组织；当冷速为40℃·s —1时转变为明 显的贝氏体组织． 图1 实验钢不变形条件下不同冷速冷却后的组织形貌．（a）1℃·s —1；（b）5℃·s —1；（c）15℃·s —1；（d）40℃·s —1 Fig．1 Microstructures of undeformed samples cooled at different cooling rates：（a）1℃·s —1；（b）5℃·s —1；（c）15℃·s —1；（d）40℃·s —1 图2为试样在850℃变形50％后以不同速率 冷却后的金相组织．从金相照片可以看出：在冷速 较低时奥氏体大部分转变为多边形或准多边形铁 素体并伴随有少量的珠光体．随着冷速的提高组 织中珠光体、多边形铁素体明显减少并开始出现针 状铁素体．当冷速增大为15℃·s —1时组织中珠光 体消失铁素体晶粒明显变细并且出现大量不规则 块状铁素体及针状铁素体．随着冷速的进一步增 大针状铁素体增加铁素体的晶粒尺寸进一步减 小． 第2期 杨景红等： 轧制工艺对微合金管线钢组织及 M／A 岛的影响 ·181·
.182 北京科技大学学报 第31卷 (a) 20m 20m 20 um 20m 图2实验钢850℃变形50%后以不同冷速冷却后的组织形貌.(a)1℃s-1;(b)5℃s1;(c)15℃s-1:(d)40℃s1 Fig-2 Microstructures of samples deformed 50%at 850C then cooled at different cooling rates:(a)1C(b)5Cs (c)15C (d)40℃s-1 显然，与不变形试样组织比较，变形使得材料组 变形后的5~40℃s1以上 织明显变细，变得更均匀，变形提高了Y→α的相变 2.1.2变形温度对组织的影响 温度，扩大了相变温度范围，同时也扩大了针状铁素 观察了在不同温度变形50%以15℃s-1冷却 体形成的冷速范围，促进针状铁素体的转变；变形后 后试样的金相组织，结果示于图3. 形成针状铁素体的冷速范围由1~15℃s1扩大到 20m 20m 204m 20 uim 图3实验钢不同温度变形50%后以15℃s1冷却后的组织形貌.(a)950℃：(b)900℃；(c)850℃；(d)800℃ Fig.3 Microstructures of samples deformed 50%at different temperatures then cooled at 15Cs:(a)950C:(b)900C:(e)850C:(d) 800℃ 从金相照片可以看出：随变形温度下降，多边形 2.1.3变形量对组织的影响 铁素体量减少，针状铁素体增多，且其晶粒变细，变 实验观察了850℃不同变形量变形后以 形温度较高时，组织由多边形铁素体、准多边形铁素 15℃s冷却试样的金相组织 体组成，此时铁素体的晶界较为连续和光滑；当变形 由于变形量的增加，形变储能增加，提高了相变 温度为800℃时，组织中含有较多的针状铁素体，且 温度，使得相变曲线向左上方移动.从图4可以看 晶粒尺寸明显减小，晶界也变得更不规则，随变形 出：在一定的冷速下，变形量增加后针状铁素体有所 温度下降，组织中针状铁素体的体积分数增加，在 减少，但随变形量增大；由于原始奥氏体晶界面积及 950℃变形时所得到的室温组织中针状铁素体极不 缺陷密度的增加使得相变形核点增多，相变后组织 明显，当变形温度降低到800℃后针状铁素体的体 晶粒变得更加细小均匀 积分数增加到70%以上
图2 实验钢850℃变形50％后以不同冷速冷却后的组织形貌．（a）1℃·s —1；（b）5℃·s —1；（c）15℃·s —1；（d）40℃·s —1 Fig．2 Microstructures of samples deformed50％ at 850℃ then cooled at different cooling rates：（a）1℃·s —1；（b）5℃·s —1；（c）15℃·s —1； （d）40℃·s —1 显然与不变形试样组织比较变形使得材料组 织明显变细变得更均匀．变形提高了γ→α的相变 温度扩大了相变温度范围同时也扩大了针状铁素 体形成的冷速范围促进针状铁素体的转变；变形后 形成针状铁素体的冷速范围由1～15℃·s —1扩大到 变形后的5～40℃·s —1以上． 2∙1∙2 变形温度对组织的影响 观察了在不同温度变形50％以15℃·s —1冷却 后试样的金相组织结果示于图3． 图3 实验钢不同温度变形50％后以15℃·s —1冷却后的组织形貌．（a）950℃；（b）900℃；（c）850℃；（d）800℃ Fig．3 Microstructures of samples deformed50％ at different temperatures then cooled at 15℃·s —1：（a）950℃；（b）900℃；（c）850℃；（d） 800℃ 从金相照片可以看出：随变形温度下降多边形 铁素体量减少针状铁素体增多且其晶粒变细．变 形温度较高时组织由多边形铁素体、准多边形铁素 体组成此时铁素体的晶界较为连续和光滑；当变形 温度为800℃时组织中含有较多的针状铁素体且 晶粒尺寸明显减小晶界也变得更不规则．随变形 温度下降组织中针状铁素体的体积分数增加在 950℃变形时所得到的室温组织中针状铁素体极不 明显当变形温度降低到800℃后针状铁素体的体 积分数增加到70％以上． 2∙1∙3 变形量对组织的影响 实验 观 察 了 850 ℃ 不 同 变 形 量 变 形 后 以 15℃·s —1冷却试样的金相组织． 由于变形量的增加形变储能增加提高了相变 温度使得相变曲线向左上方移动．从图4可以看 出：在一定的冷速下变形量增加后针状铁素体有所 减少但随变形量增大；由于原始奥氏体晶界面积及 缺陷密度的增加使得相变形核点增多相变后组织 晶粒变得更加细小均匀． ·182· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第2期 杨景红等：轧制工艺对微合金管线钢组织及/A岛的影响 .183. d 20μm 20m 20m 20山m 图4实验钢不同变形量变形冷却(15℃s)后的组织形貌.(a)20%:(b)40%:(c)50%:(d)60% Fig.4 Microstructures of samples deformed by different reductions at 850C then cooled at 15Cs(a)20%(b)40%:(c)50%:(d)60% 2.2变形组织中的MWA小岛 冷却过程中，由晶界或位错开始逐渐向马氏体转变， 对850℃变形50%后以15℃s-1冷却试样进 但有一部分则来不及转变，以残余奥氏体的形态保 行微观结构分析，发现M/A岛和一些“粒状组织”， 留了下来，图5(b,c)为由透射电子显微镜观察到的 采用Lapara溶液侵蚀试样，观察变形后M/A小岛， M/A岛的细微形貌，残留奥氏体与马氏体交错分布 如图5(a)所示，白亮颗粒为M/A小岛，其中，M/A 构成M/A小岛，黑色部分为马氏体，部分马氏体内 岛尺寸有大有小，小的尺寸在1m以下，大的约2~ 部出现孪晶组织，在M/A岛内首先形成的马氏体 4m,且形状极不规则，M/A岛边界上的马氏体片 片分割了残留奥氏体，不同阶段形成的马氏体片具 向M/A内部延伸，把奥氏体分隔开来.这是由于在 有不同的尺寸及方向，当它们逐渐生长后发生相互 较低温度下，一些未转变的细小过冷奥氏体小岛在 作用，将在马氏体片内形成形变孪晶（如图5(c)· (a) (b) (c) 0.5μm 100nm 20μm 图5实验钢形变组织中的M/A小岛(850℃变形50%后以15℃s一1冷却)·(a)La即aa溶液侵蚀，白亮颗粒为M/A岛：(b)M/A内马氏 体与残留奥氏体交错分布；(c)M/A内部形变李晶 Fig.5 M/A islands in samples deformed 50%at 850C then cooled at 15C.s (a)bright particles in base are M/A islands,eroded by Lapara: (b)interwoven martensite and residual austenite in M/A islands:(c)deformed twinning in M/A islands 目前，关于小岛特征影响因素的研究报导较少， 布于晶界；当冷速为40℃·s1时，组织晶粒变细， 从理论上分析主要还是成分和冷速，通常认为：随 M/A形状变得细小（大多在1m以下），多分布于 冷速增加，岛状物的相对量减少，并分散于铁素体 晶界及铁素体板条间，分布也变得更弥散 中；当冷速极慢时，奥氏体岛将分解为F十Fe3C两 图7和图8为不同变形温度和不同变形量下 相产物，图6为TEM观察到的试样中M/A岛组织 M/A岛的体积分数.可以看出，变形温度对M/A 随冷速增大而变化的情况，由图可看出：在较低冷 小岛影响不明显，变形量对M/A组织影响较大，随 速时，M/A岛呈不规则形状，多出现在晶界；随冷速 变形量增加，M/A岛体积分数减少；同时，细微组织 增大，M/A形状变细变薄，出现板带状及棒状，多分 观察表明M/A岛形状也变得更细小、分布更均匀
图4 实验钢不同变形量变形冷却（15℃·s —1）后的组织形貌．（a）20％；（b）40％；（c）50％；（d）60％ Fig．4 Microstructures of samples deformed by different reductions at850℃ then cooled at15℃·s —1：（a）20％；（b）40％；（c）50％；（d）60％ 2∙2 变形组织中的 M／A 小岛 对850℃变形50％后以15℃·s —1冷却试样进 行微观结构分析发现 M／A 岛和一些“粒状组织”． 采用 Lapara 溶液侵蚀试样观察变形后 M／A 小岛 如图5（a）所示白亮颗粒为 M／A 小岛．其中M／A 岛尺寸有大有小小的尺寸在1μm 以下大的约2～ 4μm且形状极不规则．M／A 岛边界上的马氏体片 向 M／A 内部延伸把奥氏体分隔开来．这是由于在 较低温度下一些未转变的细小过冷奥氏体小岛在 冷却过程中由晶界或位错开始逐渐向马氏体转变 但有一部分则来不及转变以残余奥氏体的形态保 留了下来．图5（bc）为由透射电子显微镜观察到的 M／A 岛的细微形貌残留奥氏体与马氏体交错分布 构成 M／A 小岛黑色部分为马氏体部分马氏体内 部出现孪晶组织．在 M／A 岛内首先形成的马氏体 片分割了残留奥氏体不同阶段形成的马氏体片具 有不同的尺寸及方向当它们逐渐生长后发生相互 作用将在马氏体片内形成形变孪晶（如图5（c））． 图5 实验钢形变组织中的 M／A 小岛（850℃变形50％后以15℃·s —1冷却）．（a） Lapara 溶液侵蚀白亮颗粒为 M／A 岛；（b） M／A 内马氏 体与残留奥氏体交错分布；（c） M／A 内部形变孪晶 Fig．5 M／A islands in samples deformed50％ at850℃ then cooled at15℃·s —1：（a） bright particles in base are M／A islandseroded by Lapara； （b） interwoven martensite and residual austenite in M／A islands；（c） deformed twinning in M／A islands 目前关于小岛特征影响因素的研究报导较少 从理论上分析主要还是成分和冷速．通常认为：随 冷速增加岛状物的相对量减少并分散于铁素体 中；当冷速极慢时奥氏体岛将分解为 F ＋Fe3C 两 相产物．图6为 TEM 观察到的试样中 M／A 岛组织 随冷速增大而变化的情况．由图可看出：在较低冷 速时M／A 岛呈不规则形状多出现在晶界；随冷速 增大M／A 形状变细变薄出现板带状及棒状多分 布于晶界；当冷速为40℃·s —1时组织晶粒变细 M／A 形状变得细小（大多在1μm 以下）多分布于 晶界及铁素体板条间分布也变得更弥散． 图7和图8为不同变形温度和不同变形量下 M／A 岛的体积分数．可以看出变形温度对 M／A 小岛影响不明显．变形量对 M／A 组织影响较大随 变形量增加M／A 岛体积分数减少；同时细微组织 观察表明 M／A 岛形状也变得更细小、分布更均匀． 第2期 杨景红等： 轧制工艺对微合金管线钢组织及 M／A 岛的影响 ·183·
.184 北京科技大学学报 第31卷 0.54m 0.5 um 0.5m 图6实验钢850℃变形50%以不同冷速冷却后的M/A岛形貌.(a)1℃-1：(b)15℃s1:(c)40℃s-1 Fig-6 Morphology of M./A islands in samples cooled at different cooling rates after deformed50%at850℃：(a)1℃.s-l；(b)）l5℃g-l; (c)40℃s-1 材料韧性是有不利的，当体积分数一定时，细小分 14 布的M/A岛状组织能阻碍位错运动和疲劳裂纹扩 12 展，不易因应力集中而诱发裂纹，可提高钢材的强度 和DWTT值，因此，针状铁素体加少量细小的弥散 分布M/A小岛组织具有优良的强韧性，张小立 等10分析了不同级别管线钢组织特征与强韧性，发 800 850 900 950 变形温度/℃ 现针状铁素体组织具有极好的力学性能匹配，孔君 华等山研究了Mo对低合金钢组织和性能的影响， 图7变形温度对M/A组元体积分数的影响 结果表明Mo的添加，抑制了先共析铁素体的形成， Fig.7 Effect of deformation temperature on the volume fraction of M/A islands 促进了针状铁素体和贝氏体组织的形成，使钢材强 度增加，但同时M/A组织的增多，钢材韧性降低 实验中发现冷速提高及变形温度降低都能细化 14r ■ 组织，提高针状铁素体的相对量，变形后组织中产 12 生的M/A岛受冷速及形变量影响较大，受变形温 10 度影响较小，转变组织中M/A岛的形成是由于碳 爱 在Y/α界面上奥氏体中富集，碳含量的增加使得奥 30 405060 氏体稳定性增加，从而部分奥氏体残留下来与马氏 压下量% 体共同形成的，冷速的增大，针状铁素体组织变细， 图8变形量对M/A组元体积分数的影响 铁素体/奥氏体相界附近奥氏体中碳含量不高，使得 Fig.8 Effect of reduction on the volume fraction of M/A islands 残留奥氏体不能稳定存在，难以在低温时转变为 M/A岛，所以M/A形状变得细小，分布也变得更弥 3讨论 散，同时，变形量加大增加了基体的畸变能，使得碳 的扩散加剧，碳在Y/α界面的富集减少；变形也使组 同时具有高强度及高韧性是管线钢追求的目 织中产生高密度的亚结构及位错，阻碍了共格及半 标。一般认为针状铁素体组织中，裂纹扩展时受到 共格Y/a界面的生长，从而M/A小岛尺寸减小并且 交错分布的细小铁素体板条束的阻碍，能有效提高 变得更加分散.Wag等门研究显示：随终冷温度的 其强韧性；文献[9]认为当管线钢中针状铁素体比例 降低，非等轴铁素体、针状铁素体明显增加，并且 增多时，材料可获得更高的冲击韧性.管线钢中的 M/A岛更加分散：但在一定冷速下，终冷温度对M/A M/A小岛也是低碳贝氏体钢的一个重要组织特征， 岛的量影响不大，所以，在实际控轧过程中，合理控 微合金钢微观结构中M/A岛的含量、形状、尺寸及 制轧制参数，如适当提高冷速、降低变形温度及增大 分布等对钢材性能都有影响.适当提高M/A岛的 变形量，可获得针状铁素体组织与一定量弥散分布 体积分数可以提高钢材的强度，但M/A岛太多对 的M/A岛的优化配合，从而提高材料综合性能
图6 实验钢850℃变形50％以不同冷速冷却后的 M／A 岛形貌．（a）1℃·s —1；（b）15℃·s —1；（c）40℃·s —1 Fig．6 Morphology of M／A islands in samples cooled at different cooling rates after deformed 50％ at 850℃：（a） 1℃·s —1；（b） 15℃·s —1； （c）40℃·s —1 图7 变形温度对 M／A 组元体积分数的影响 Fig．7 Effect of deformation temperature on the volume fraction of M／A islands 图8 变形量对 M／A 组元体积分数的影响 Fig．8 Effect of reduction on the volume fraction of M／A islands 3 讨论 同时具有高强度及高韧性是管线钢追求的目 标．一般认为针状铁素体组织中裂纹扩展时受到 交错分布的细小铁素体板条束的阻碍能有效提高 其强韧性；文献［9］认为当管线钢中针状铁素体比例 增多时材料可获得更高的冲击韧性．管线钢中的 M／A 小岛也是低碳贝氏体钢的一个重要组织特征 微合金钢微观结构中 M／A 岛的含量、形状、尺寸及 分布等对钢材性能都有影响．适当提高 M／A 岛的 体积分数可以提高钢材的强度但 M／A 岛太多对 材料韧性是有不利的．当体积分数一定时细小分 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可提高钢材的强度 和 DWTT 值．因此针状铁素体加少量细小的弥散 分布 M／A 小岛组织具有优良的强韧性．张小立 等［10］分析了不同级别管线钢组织特征与强韧性发 现针状铁素体组织具有极好的力学性能匹配．孔君 华等［11］研究了 Mo 对低合金钢组织和性能的影响 结果表明 Mo 的添加抑制了先共析铁素体的形成 促进了针状铁素体和贝氏体组织的形成使钢材强 度增加但同时 M／A 组织的增多钢材韧性降低． 实验中发现冷速提高及变形温度降低都能细化 组织提高针状铁素体的相对量．变形后组织中产 生的 M／A 岛受冷速及形变量影响较大受变形温 度影响较小．转变组织中 M／A 岛的形成是由于碳 在γ／α界面上奥氏体中富集碳含量的增加使得奥 氏体稳定性增加从而部分奥氏体残留下来与马氏 体共同形成的．冷速的增大针状铁素体组织变细 铁素体／奥氏体相界附近奥氏体中碳含量不高使得 残留奥氏体不能稳定存在难以在低温时转变为 M／A 岛所以 M／A 形状变得细小分布也变得更弥 散．同时变形量加大增加了基体的畸变能使得碳 的扩散加剧碳在γ／α界面的富集减少；变形也使组 织中产生高密度的亚结构及位错阻碍了共格及半 共格γ／α界面的生长从而 M／A 小岛尺寸减小并且 变得更加分散．Wang 等［7］研究显示：随终冷温度的 降低非等轴铁素体、针状铁素体明显增加并且 M／A 岛更加分散；但在一定冷速下终冷温度对 M／A 岛的量影响不大．所以在实际控轧过程中合理控 制轧制参数如适当提高冷速、降低变形温度及增大 变形量可获得针状铁素体组织与一定量弥散分布 的 M／A 岛的优化配合从而提高材料综合性能． ·184· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第2期 杨景红等：轧制工艺对微合金管线钢组织及/A岛的影响 .185. 织性能的关系.钢铁，2005,40(3)：70) 4结论 [4]Zhang H M.Wang HB.Liu Z Y.Study on the grain refinement mechanism of low carbon micro-alloyed steels for line pipe applica- (1)冷速对管线钢组织有较大影响，随冷速增 tions.Trans Mater Heat Treat,2006.27(6):99 大，晶粒变细，组织中针状铁素体体积分数增多；变 (张红梅，王宏斌，刘振宇.X70微合金管线钢组织中针状铁 形提高Yα转变的相变温度，扩大了形成针状铁素 素体细化机制的研究.材料热处理学报，2006,27(6)：99) 体组织的冷速范围 [5]Shanmugam S.Misra R D K.Hartmann J.et al.Microstructure (2)随变形温度的降低，实验钢组织变细，针状 of high strength niobium-containing pipeline stee Mater SciEng A,2006,441,215 铁素体量增加；随变形量的加大，一定冷速下针状铁 [6]Yang X N.Kong Y L.Yu H.et al.Technology control for the 素体量有所减少，但晶粒更加细小、均匀， structure of martensite/austenite islands of X70 acicular ferrite (3)变形后冷却过程中形成细小弥散的M/A pipeline steel.Steel Rolling.2007,24(4):7 小岛组织，变形温度对M/A小岛影响不明显；但随 (杨旭宁，康永林，于浩，等.X70针状铁素体管线钢中M/A 冷速及变形量的增加，M/A岛体积分数有所减少， 岛的工艺控制.轧钢，2007,24(4)：7) M/A小岛更细小、弥散，通过合理控轧参数可优化 [7]Wang C M,Wu X F,Liu J,et al.Transmission electron mi- croscopy of martensite/austenite islands in pipeline steel X70. 组织，细化M/A小岛并使其均匀分布，提高钢材性 Mater Sci Eng A.2006.438/440:267 能 [8]Li H L.Guo S W,Feng Y R,et al.Microstructure Analysis and Micrograph Distinguishing of High Strength Microalloyed 参考文献 Pipeline Steel.Beijing:Petroleum Industry Press.2001 [1]Zhao M C.Shan YY.Xiao F R,et al.Study on formation and (李鹤林，郭生武，冯耀荣，等。高强度微合金管线钢显微组 strength toughness behavior of acicular ferrite in a pipeline 织分析与鉴别图谱：北京.石油工业出版社，2001) steel.Mater Sci Technol.2001,9(4):356 [9]Motohashi H.Hagiwara N.Masuda T.Tensile properties and (赵明纯，单以银，肖福仁，等.管线钢中针状铁素体的形成 microstructure of weld metal of X80 steel.Mater Sci Forum, 及其强韧性的分析.材料科学与工艺，2001,9(4)：356) 2003,426/432:4013 [2]Shang C J.Wang X M.Yang S W.et al.Microstructure refine- [10]Zhang X L.Zhuang C J.Ji L K.et al.Structure feature and ment of high strength low carbon bainitic steel.Acta Metall Sin. strength-toughness of high grade pipeline steels.Spec Steel, 2003,39(10):1019 2006,27(6):27 (尚成嘉，王学敏，杨善武，等.高强度低碳贝氏体钢的工艺 (张小立，庄传晶，吉玲康，等.高钢级管线钢的组织特征及 与组织细化.金属学报，2003,39(10)：1019) 强韧性.特殊钢，2006,27(6)：27) [3]Wang C M,Wu X F,Liu J.et al.Relationship between mi- [11]Kong J H.Zheng L,Guo B.et al.Influence of Mo on mi- crostructure and properties of X70 pipeline steel and controlled crostructures and properties of low carbon microalloyed steels. rolling and controlled cooling process.Iron Steel.2005.40(3): Steel Rolling.2005.22(4):27 70 (孔君华，郑琳，郭斌，等，钼对低碳微合金钢组织和性能的 (王春明，吴杏芳，刘阶，等，X70管线钢控轧控冷工艺与组 影响.轧钢，2005,22(4)：27)
4 结论 （1） 冷速对管线钢组织有较大影响随冷速增 大晶粒变细组织中针状铁素体体积分数增多；变 形提高γ→α转变的相变温度扩大了形成针状铁素 体组织的冷速范围． （2） 随变形温度的降低实验钢组织变细针状 铁素体量增加；随变形量的加大一定冷速下针状铁 素体量有所减少但晶粒更加细小、均匀． （3） 变形后冷却过程中形成细小弥散的 M／A 小岛组织变形温度对 M／A 小岛影响不明显；但随 冷速及变形量的增加M／A 岛体积分数有所减少 M／A 小岛更细小、弥散．通过合理控轧参数可优化 组织细化 M／A 小岛并使其均匀分布提高钢材性 能． 参 考 文 献 ［1］ Zhao M CShan Y YXiao F Ret al．Study on formation and strength ＆ toughness behavior of acicular ferrite in a pipeline steel．Mater Sci Technol20019（4）：356 （赵明纯单以银肖福仁等．管线钢中针状铁素体的形成 及其强韧性的分析．材料科学与工艺20019（4）：356） ［2］ Shang C JWang X MYang S Wet al．Microstructure refinement of high strength low carbon bainitic steel．Acta Metall Sin 200339（10）：1019 （尚成嘉王学敏杨善武等．高强度低碳贝氏体钢的工艺 与组织细化．金属学报200339（10）：1019） ［3］ Wang C MWu X FLiu Jet al．Relationship between microstructure and properties of X70 pipeline steel and controlled rolling and controlled cooling process．Iron Steel200540（3）： 70 （王春明吴杏芳刘 等．X70管线钢控轧控冷工艺与组 织性能的关系．钢铁200540（3）：70） ［4］ Zhang H MWang H BLiu Z Y．Study on the grain refinement mechanism of low carbon micro-alloyed steels for line-pipe applications．T rans Mater Heat T reat200627（6）：99 （张红梅王宏斌刘振宇．X70微合金管线钢组织中针状铁 素体细化机制的研究．材料热处理学报200627（6）：99） ［5］ Shanmugam SMisra R D KHartmann Jet al．Microstructure of high strength niobium-containing pipeline steel．Mater Sci Eng A2006441：215 ［6］ Yang X NKong Y LYu Het al．Technology control for the structure of martensite／austenite islands of X70 acicular ferrite pipeline steel．Steel Rolling200724（4）：7 （杨旭宁康永林于浩等．X70针状铁素体管线钢中 M／A 岛的工艺控制．轧钢200724（4）：7） ［7］ Wang C MWu X FLiu Jet al．Transmission electron microscopy of martensite／austenite islands in pipeline steel X70． Mater Sci Eng A2006438／440：267 ［8］ Li H LGuo S WFeng Y Ret al． Microstructure A nalysis and Micrograph Distinguishing of High Strength Microalloyed Pipeline Steel．Beijing：Petroleum Industry Press2001 （李鹤林郭生武冯耀荣等．高强度微合金管线钢显微组 织分析与鉴别图谱：北京．石油工业出版社2001） ［9］ Motohashi HHagiwara NMasuda T．Tensile properties and microstructure of weld metal of X80 steel． Mater Sci Forum 2003426／432：4013 ［10］ Zhang X LZhuang C JJi L Ket al．Structure feature and strength-toughness of high grade pipeline steels． Spec Steel 200627（6）：27 （张小立庄传晶吉玲康等．高钢级管线钢的组织特征及 强韧性．特殊钢200627（6）：27） ［11］ Kong J HZheng LGuo Bet al．Influence of Mo on microstructures and properties of low carbon microalloyed steels． Steel Rolling200522（4）：27 （孔君华郑琳郭斌等．钼对低碳微合金钢组织和性能的 影响．轧钢200522（4）：27） 第2期 杨景红等： 轧制工艺对微合金管线钢组织及 M／A 岛的影响 ·185·