D0I:10.13374/i.issnl00It03.2009.11.041 第31卷第11期 北京科技大学学报 Vol.31 No.11 2009年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Nov.2009 炉卷轧机生产X100管线钢的组织特征与强韧性 牛 涛)康永林12) 顾宏伟)尹雨群3) 谯明亮3)姜金星3) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京100083 3)南京钢铁股份有限公司，南京210035 摘要利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)对炉卷轧机生产X100管线钢的显微组织特点进行了观察与分析，通过背散 射电子衍射技术(EBSD)探讨了X100管线钢的有效晶粒尺寸与低温韧性的关系，并利用物理化学相分析的方法对X100管线 钢的析出粒子尺寸分布和强化作用进行了定量分析·结果表明：X100管线钢的显微组织以粒状贝氏体为主，晶粒内部和晶界 上弥散分布着大量细小的马氏体/奥氏体(M/A)岛：X100管线钢的有效晶粒尺寸较小，仅为2m左右，细化有效晶粒尺寸和 降低组织方向性有利于提高管线钢的低温韧性：X100管线钢中的析出粒子尺寸较小，平均尺寸为45.4m,但由于其总体质 量分数只有0.062%，经计算，其析出强化作用约为52MPa,析出强化对屈服强度贡献较小. 关键词炉卷轧机：管线钢：组织特征：有效晶粒：析出强化 分类号TG142.1 Microstructure characteristic and strength-toughness of X100 pipeline steel pro- duced by steckel mill NIU Too.KANG Yong-lin.GU Hong"we)YIN Yuqun,QIAO Ming-liang.IANG Jin-xing 1)School of Materials Science and Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China 2)State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 3)Nanjing Iron and Steel Co.Ltd..Nanjing 210035.China ABSTRACT The microstructure of X100 pipeline steel produced by steckel mill was observed by SEM and TEM.Electron backscat- tered diffraction (EBSD)was employed to investigate the relationship between effective grain size and low-temperature toughness. The size distribution and strengthening effect of precipitation in X100 pipeline stee were quantitatively analyzed through physico- chemical phase analysis technology.The results show that the microstructure of X100 pipeline steel mainly consists of granular bainite with plenty of M/A islands dispersing in the matrix or on grain boundaries.The effective grain size of X100 pipeline steel is refined to about 2m.The refinement of effective grains and the reduction of microstructure orientation are two effective ways to improve the lowtemperature toughness.The average size of precipitation particles in X100 pipeline steel is refined to 45.4nm.Since the total mass fraction of precipitation particles is about 0.062%.the strengthen effect of precipitation is ony about 52 MPa.which does not contribute much to the yield strength. KEY WORDS steckel mill:pipeline steel:microstructure characteristic:effective grain:precipitation strengthening 作为石油、天然气的一种经济、安全、高效、不间 和美国等工业先进国家在X100管线钢方面的开发 断的长距离输送方式，油气输送管道在近40年取得 与应用发展迅速，这也是我国管道事业面临的重要 了飞速的发展).采用高钢级管线钢可以降低管 课题，因此，对X100管线钢的生产工艺、组织性能 材费用、安装费用及其他辅助费用，压缩成本，从而 的研究工作显得尤为重要，本文通过对炉卷轧机生 显著降低天然气输送成本。一般每提高一个钢级， 产X100管线钢的显微组织的观察与分析，利用 可节约建设成本约7%.目前，日本、德国、英国 EBSD、物理化学相分析等技术对影响其强韧性的因 收稿日期：2009-03-02 作者简介：牛涛(I984-),男，博士研究生：康永林(1954一)，男，教授，博士生导师，E-mail:kangylin@mater-ustb.edu-cn
炉卷轧机生产 X100管线钢的组织特征与强韧性 牛 涛1） 康永林12） 顾宏伟1） 尹雨群3） 谯明亮3） 姜金星3） 1） 北京科技大学材料科学与工程学院北京100083 2） 北京科技大学新金属材料国家重点实验室北京100083 3） 南京钢铁股份有限公司南京210035 摘 要 利用扫描电镜（SEM）、透射电镜（T EM）对炉卷轧机生产 X100管线钢的显微组织特点进行了观察与分析通过背散 射电子衍射技术（EBSD）探讨了 X100管线钢的有效晶粒尺寸与低温韧性的关系并利用物理化学相分析的方法对 X100管线 钢的析出粒子尺寸分布和强化作用进行了定量分析．结果表明：X100管线钢的显微组织以粒状贝氏体为主晶粒内部和晶界 上弥散分布着大量细小的马氏体／奥氏体（M／A）岛；X100管线钢的有效晶粒尺寸较小仅为2μm 左右细化有效晶粒尺寸和 降低组织方向性有利于提高管线钢的低温韧性；X100管线钢中的析出粒子尺寸较小平均尺寸为45∙4nm但由于其总体质 量分数只有0∙062％经计算其析出强化作用约为52MPa析出强化对屈服强度贡献较小． 关键词 炉卷轧机；管线钢；组织特征；有效晶粒；析出强化 分类号 TG142∙1 Microstructure characteristic and strength-toughness of X100pipeline steel produced by steckel mill NIU T ao 1）KA NG Yong-lin 12）GU Hong-wei 1）Y IN Y u-qun 3）QIA O Ming-liang 3）JIA NG Jin-xing 3） 1） School of Materials Science and EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） State Key Laboratory for Advanced Metals and MaterialsUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 3） Nanjing Iron and Steel Co．Ltd．Nanjing210035China ABSTRACT T he microstructure of X100pipeline steel produced by steckel mill was observed by SEM and T EM．Electron backscattered diffraction （EBSD） was employed to investigate the relationship between effective grain size and low-temperature toughness． T he size distribution and strengthening effect of precipitation in X100pipeline steel were quantitatively analyzed through physicochemical phase analysis technology．T he results show that the microstructure of X100pipeline steel mainly consists of granular bainite with plenty of M／A islands dispersing in the matrix or on grain boundaries．T he effective grain size of X100pipeline steel is refined to about 2μm．T he refinement of effective grains and the reduction of microstructure orientation are two effective ways to improve the low-temperature toughness．T he average size of precipitation particles in X100pipeline steel is refined to 45∙4nm．Since the total mass fraction of precipitation particles is about 0∙062％the strengthen effect of precipitation is only about 52MPawhich does not contribute much to the yield strength． KEY WORDS steckel mill；pipeline steel；microstructure characteristic；effective grain；precipitation strengthening 收稿日期：2009－03－02 作者简介：牛 涛（1984－）男博士研究生；康永林（1954－）男教授博士生导师E-mail：kangylin＠mater．ustb．edu．cn 作为石油、天然气的一种经济、安全、高效、不间 断的长距离输送方式油气输送管道在近40年取得 了飞速的发展［1－2］．采用高钢级管线钢可以降低管 材费用、安装费用及其他辅助费用压缩成本从而 显著降低天然气输送成本．一般每提高一个钢级 可节约建设成本约7％［3］．目前日本、德国、英国 和美国等工业先进国家在 X100管线钢方面的开发 与应用发展迅速这也是我国管道事业面临的重要 课题．因此对 X100管线钢的生产工艺、组织性能 的研究工作显得尤为重要．本文通过对炉卷轧机生 产 X100管线钢的显微组织的观察与分析利用 EBSD、物理化学相分析等技术对影响其强韧性的因 第31卷 第11期 2009年 11月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31No．11 Nov．2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．11．041
第11期 牛涛等：炉卷轧机生产X100管线钢的组织特征与强韧性 ,1421 素进行了讨论，为工业生产提供参考 的显微组织，采用电解双喷的方法制取透射试样， 1实验材料及方法 并在JSM2000透射电镜下观察其显微结构，利用 EBSD技术对X1O0管线钢的晶体学参数进行了观 实验用钢为南京钢铁股份有限公司与北京科技 察与分析；利用物理化学相分析的方法对X100管 大学合作开发生产的X100管线钢，采用低碳、低 线钢组织中的析出相进行了定量分析，用电解萃取 磷、超低硫以及铌、钛微合金化的合金设计，主要的 法分析析出相的结构和成分·碳氮化物析出粒子的 化学成分（质量分数，%）为：C0.05~0.065、 粒度分析用体积分数为10%的盐酸十50gL-柠檬 Si0.1~0.3、Mn1.7~2.0、P≤0.010、S≤0.002、 酸十无水乙醇在室温去掉M3C相和MnS,留下 Nb0.O90;还添加了Cr、Mo、Cu和Ni等元素.铁 MC、MN、M(CN)相，用X射线小角度散射法直接 水脱硫后经转炉冶炼、LF十RH真空处理，连铸为厚 测定MC相粒子尺寸，测定条件：3014X光衍射光谱 度150mm的铸坯，经过加热、两阶段轧制及轧后控 仪-Kratky小角测角仪十Fe滤光；射线：CoKa;负 制冷却生产出厚度规格为12.7mm的X100成品板. 荷：35kV,30mA;狭缝：0.04nm,0.1nm,0.02nm. 采用标距为50.8mm的API标准板状试样进 其计算结果均以质量为权，粒度分布及平均粒度均 行力学拉伸性能测试，一20℃的冲击性能采用的试 不包括3O0m粒度的贡献.采用X Pert PROMPD X 样尺寸为55mm×10mm×10mm,-10℃的落锤性 射线衍射仪(CuKa)精确测定了析出相的点阵常数. 能采用全壁厚，尺寸为75mm×305mm的试样进行 2实验结果分析与讨论 检测，上述检测均为钢板横向的性能，在成品钢板 上取样，经研磨抛光后采用4%的硝酸乙醇溶液浸 2.1X100管线钢的力学性能与组织特征 蚀，在S360扫描电镜下观察板厚1/4处的钢板横向 实验用钢的综合力学性能如表1所示. 表1X100管线钢的力学性能 Table 1 Mechanical properties of X100 pipeline steel 屈服强度， 抗拉强度， 伸长率， 屈强比 冲击功（一20℃）， DWTT(-10℃)， R:o.5/MPa R_/MPa A30/% Y/T Akv/J SA/% 703 858 30 0.82 304 98 X100钢的力学性能指标在API5L的条文中并 互交错的现象明显.，在另一种类型中，板条平行成 没有规定，国外某些厂家所制定的研究目标值为： 束的现象十分明显（图1(d),板条宽度较小，为 抗拉强度>808MPa,屈服强度>680MPa,伸长率 200~500nm,但长宽比较大；晶粒不再相互交错，而 >18%,-20℃的冲击功>174刊.由表1可以看 是呈平行的束状分布，说明此类组织是在冷却速率 出，所开发的X100管线钢板的各项性能均达到了 较快的条件下形成的板条贝氏体，在贝氏体晶粒的 X100管线钢的性能要求，尤其在延伸率、冲击功等 内部与晶界上，分布着密度很高的位错团. 方面的富余量较大，这也说明利用炉卷轧机生产线 图2所示为X100管线钢中MA岛的典型形 进行X100管线钢的开发是完全可行的： 貌.绝大多数M/A岛尺寸十分细小，在1m以下， 图1(a)显示了扫描电镜下观察的X100管线钢 周围的位错线隐约可见，通过图2(b)的暗场像可以 显微组织，主要由晶粒细小的粒状贝氏体构成，另外 更加明显地观察到岛内的精细结构，其中的马氏体 还有少部分针状铁素体和板条状贝氏体。虽然个别 呈细小的板条状分布，残余奥氏体膜分布在板条 位置有一定的方向性，但组织整体均匀性较好，由 之间. 图1(b)可以看出：亮白色的M/A组织含量较高，弥 有文献指出，基体相由粒状贝氏体并配合有合 散分布于晶粒内部或晶界上，形状多呈圆形或短杆 适数量的M/A岛弥散相，被证明是X100级管线钢 状；小岛大小不一，但绝大多数小于1m,利用图像 组织类型的最佳选择]，在粒状贝氏体和针状铁素 分析软件处理后得到其体积分数约为4%.在透射 体组织中存在的M/A组织被证明是高碳马氏体， 电镜下观察X100管线钢的形貌，基体结构有两种 通常还含有残余奥氏体[6].这种由硬度强度较高的 典型的类型，粒状贝氏体占多数，显微结构与针状 M/A以及相对较软的基体组织组成的类似双相组 铁素体相似（图1(c),铁素体呈块状或板条状，宽 织有利于获得高的可淬性和良好的变形能力，另 度不均匀，从几百纳米到接近1m不等，晶界间相 外，管线钢的韧性对于第二相的类型和分布极其敏
素进行了讨论为工业生产提供参考． 1 实验材料及方法 实验用钢为南京钢铁股份有限公司与北京科技 大学合作开发生产的 X100管线钢采用低碳、低 磷、超低硫以及铌、钛微合金化的合金设计主要的 化学 成 分 （质 量 分 数％） 为：C 0∙05～0∙065、 Si0∙1～0∙3、Mn 1∙7～2∙0、P ≤0∙010、S ≤0∙002、 Nb≤0∙090；还添加了 Cr、Mo、Cu 和 Ni 等元素．铁 水脱硫后经转炉冶炼、LF＋RH 真空处理连铸为厚 度150mm 的铸坯经过加热、两阶段轧制及轧后控 制冷却生产出厚度规格为12∙7mm 的 X100成品板． 采用标距为50∙8mm 的 API 标准板状试样进 行力学拉伸性能测试－20℃的冲击性能采用的试 样尺寸为55mm×10mm×10mm－10℃的落锤性 能采用全壁厚尺寸为75mm×305mm 的试样进行 检测上述检测均为钢板横向的性能．在成品钢板 上取样经研磨抛光后采用4％的硝酸－乙醇溶液浸 蚀在 S360扫描电镜下观察板厚1／4处的钢板横向 的显微组织．采用电解双喷的方法制取透射试样 并在 JSM 2000透射电镜下观察其显微结构．利用 EBSD 技术对 X100管线钢的晶体学参数进行了观 察与分析；利用物理化学相分析的方法对 X100管 线钢组织中的析出相进行了定量分析用电解萃取 法分析析出相的结构和成分．碳氮化物析出粒子的 粒度分析用体积分数为10％的盐酸＋50g·L －1柠檬 酸＋无水乙醇在室温去掉 M3C 相和 MnS留下 MC、MN、M（CN）相．用 X 射线小角度散射法直接 测定 MC 相粒子尺寸测定条件：3014X 光衍射光谱 仪－Kratky 小角测角仪＋Fe 滤光；射线：Co Kα；负 荷：35kV30mA；狭缝：0∙04nm0∙1nm0∙02nm． 其计算结果均以质量为权粒度分布及平均粒度均 不包括300nm 粒度的贡献．采用 X Pert PROMPD X 射线衍射仪（Cu Kα）精确测定了析出相的点阵常数． 2 实验结果分析与讨论 2∙1 X100管线钢的力学性能与组织特征 实验用钢的综合力学性能如表1所示． 表1 X100管线钢的力学性能 Table1 Mechanical properties of X100pipeline steel 屈服强度 Rt0∙5／MPa 抗拉强度 Rm／MPa 伸长率 A50／％ 屈强比 Y／T 冲击功（－20℃） A KV／J DWTT（－10℃） SA／％ 703 858 30 0∙82 304 98 X100钢的力学性能指标在 API5L 的条文中并 没有规定．国外某些厂家所制定的研究目标值为： 抗拉强度＞808MPa屈服强度＞680MPa伸长率 ＞18％－20℃的冲击功＞174J ［4］．由表1可以看 出所开发的 X100管线钢板的各项性能均达到了 X100管线钢的性能要求尤其在延伸率、冲击功等 方面的富余量较大这也说明利用炉卷轧机生产线 进行 X100管线钢的开发是完全可行的． 图1（a）显示了扫描电镜下观察的 X100管线钢 显微组织主要由晶粒细小的粒状贝氏体构成另外 还有少部分针状铁素体和板条状贝氏体．虽然个别 位置有一定的方向性但组织整体均匀性较好．由 图1（b）可以看出：亮白色的 M／A 组织含量较高弥 散分布于晶粒内部或晶界上形状多呈圆形或短杆 状；小岛大小不一但绝大多数小于1μm利用图像 分析软件处理后得到其体积分数约为4％．在透射 电镜下观察 X100管线钢的形貌基体结构有两种 典型的类型．粒状贝氏体占多数显微结构与针状 铁素体相似（图1（c））铁素体呈块状或板条状宽 度不均匀从几百纳米到接近1μm 不等晶界间相 互交错的现象明显．在另一种类型中板条平行成 束的现象十分明显（图1（d））板条宽度较小为 200～500nm但长宽比较大；晶粒不再相互交错而 是呈平行的束状分布说明此类组织是在冷却速率 较快的条件下形成的板条贝氏体．在贝氏体晶粒的 内部与晶界上分布着密度很高的位错团． 图2所示为 X100管线钢中 MA 岛的典型形 貌．绝大多数 M／A 岛尺寸十分细小在1μm 以下 周围的位错线隐约可见．通过图2（b）的暗场像可以 更加明显地观察到岛内的精细结构其中的马氏体 呈细小的板条状分布残余奥氏体膜分布在板条 之间． 有文献指出基体相由粒状贝氏体并配合有合 适数量的 M／A 岛弥散相被证明是 X100级管线钢 组织类型的最佳选择［5］．在粒状贝氏体和针状铁素 体组织中存在的 M／A 组织被证明是高碳马氏体 通常还含有残余奥氏体［6］．这种由硬度强度较高的 M／A 以及相对较软的基体组织组成的类似双相组 织有利于获得高的可淬性和良好的变形能力．另 外管线钢的韧性对于第二相的类型和分布极其敏 第11期 牛 涛等： 炉卷轧机生产 X100管线钢的组织特征与强韧性 ·1421·
.1422. 北京科技大学学报 第31卷 200nm 00 nm 图1XIO0管线钢的显微组织，(a)显微组织(SEM):(b)M/A形貌(SEM):(c)粒状贝氏体(TEM):(d)板条贝氏体(TEM) Fig-1 Microstructures of X100 pipeline steel:(a)SEM image:(b)distribution of M/A islands (SEM):(c)granular bainite (TEM):(d)lath bainite (TEM) 征出显微组织与低温韧性之间的关系 在不同性能的钢板上取横向试样，编号分别为 A、B和C,其一60℃下的夏比冲击功分别为123J、 207J和294J(其中，C试样取自性能合格的钢板)· 采用EBSD技术对其显微组织进行观察与分析，以 晶粒取向差大于15°晶界分析其有效晶粒尺寸[8]， 如图3所示.并对平行于板面与垂直于板面方向进 行有效晶粒尺寸的测量，分析结果见表2. 由不同试样的有效晶粒尺寸统计可以得到以下 地年石 结果 图2典型的M/A岛形貌。(a)明场像；(b)暗场像 (1)A、B和C三个试样的平均有效晶粒尺寸依 Fig.2 Representative morphology of M/A islands:(a)bright field 次减小，尤其是平行于板面方向上的差别更为明显， image:(b)dark field image A、C两试样相比，平行于板面方向上的平均晶粒尺 感，而实验用钢中的岛状组织尺寸细小（≤1m)、形 寸差值将近1m,结合低温冲击功结果，实验用钢 状规则且分布弥散，因此可以在提高强度的同时不 的低温韧性与有效晶粒尺寸之间有良好的对应关 会对韧性造成恶劣的影响， 系，随着有效晶粒尺寸的降低，低温的冲击功显著 2.2X100管线钢的有效晶粒尺寸与低温韧性 提高 高级别管线钢对强度与韧性的良好匹配有着很 有文献指出，当裂纹扩展到晶界取向差≥15°的 高的要求，因此其显微组织中贝氏体的细化程度及 晶界时，需要克服和消耗的能量最大，从而起到了止 其类型的控制极其重要.然而贝氏体是钢中发现的 裂作用.所谓的裂纹扩展单元(unit crack path)与 最复杂的组织，定量描述较为困难，利用EBSD技 相邻大角度晶界之间的距离大致相等).裂纹在扩 术分析得到的有效晶粒尺寸比传统意义的晶粒尺寸 展过程中通过这种有效晶粒的晶界时所需要的裂纹 与钢的止裂韧性相关性更好[]，可以更为精确地表 扩展抗力与有效晶粒尺寸有如下关系101：
图1 X100管线钢的显微组织．（a） 显微组织（SEM）；（b） M／A 形貌（SEM）；（c） 粒状贝氏体（TEM）；（d） 板条贝氏体（TEM） Fig．1 Microstructures of X100pipeline steel：（a） SEM image；（b） distribution of M／A islands （SEM）；（c） granular bainite （TEM）；（d） lath bainite （TEM） 图2 典型的 M／A 岛形貌．（a） 明场像；（b） 暗场像 Fig．2 Representative morphology of M／A islands：（a） bright-field image；（b） dark-field image 感而实验用钢中的岛状组织尺寸细小（≤1μm）、形 状规则且分布弥散因此可以在提高强度的同时不 会对韧性造成恶劣的影响． 2∙2 X100管线钢的有效晶粒尺寸与低温韧性 高级别管线钢对强度与韧性的良好匹配有着很 高的要求因此其显微组织中贝氏体的细化程度及 其类型的控制极其重要．然而贝氏体是钢中发现的 最复杂的组织定量描述较为困难．利用 EBSD 技 术分析得到的有效晶粒尺寸比传统意义的晶粒尺寸 与钢的止裂韧性相关性更好［7］可以更为精确地表 征出显微组织与低温韧性之间的关系． 在不同性能的钢板上取横向试样编号分别为 A、B 和 C其－60℃下的夏比冲击功分别为123J、 207J 和294J（其中C 试样取自性能合格的钢板）． 采用 EBSD 技术对其显微组织进行观察与分析以 晶粒取向差大于15°晶界分析其有效晶粒尺寸［8］ 如图3所示．并对平行于板面与垂直于板面方向进 行有效晶粒尺寸的测量分析结果见表2． 由不同试样的有效晶粒尺寸统计可以得到以下 结果． （1） A、B 和 C 三个试样的平均有效晶粒尺寸依 次减小尤其是平行于板面方向上的差别更为明显． A、C 两试样相比平行于板面方向上的平均晶粒尺 寸差值将近1μm．结合低温冲击功结果实验用钢 的低温韧性与有效晶粒尺寸之间有良好的对应关 系．随着有效晶粒尺寸的降低低温的冲击功显著 提高． 有文献指出当裂纹扩展到晶界取向差≥15°的 晶界时需要克服和消耗的能量最大从而起到了止 裂作用［5］．所谓的裂纹扩展单元（unit crack path）与 相邻大角度晶界之间的距离大致相等［9］．裂纹在扩 展过程中通过这种有效晶粒的晶界时所需要的裂纹 扩展抗力与有效晶粒尺寸有如下关系［10］： ·1422· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第11期 牛涛等：炉卷轧机生产X100管线钢的组织特征与强韧性 .1423. 40m 20 图3显微组织的EBSD分析.(a)A试样；(b)B试样；(c)C试样 Fig.3 Microstructural maps analyzed by EBSD:(a)Sample A:(b)Sample B:(c)Sample C 表2有效晶粒尺寸统计结果 Table 2 Statistical results of effective grain size 试样 冲击功/小 方向 平均晶粒尺寸/凸m 最小晶粒尺寸/凸m 最大晶粒尺寸/m 统计数目 123 平行板面 3.05 0.5 26.5 2126 垂直板面 2.18 0.5 15.0 3159 平行板面 2.72 0.5 22.5 2477 207 垂直板面 2.09 0.5 13.5 3294 平行板面 2.21 0.5 18.6 1677 294 垂直板面 1.88 0.5 11.4 2102 「1.4Ea。W☑1/2 Dd (1) 成.另外，也没有出现MS和Mo2C相，但有少量的 AlN和CaS相. 式中，ō为裂纹扩展抗力，E为弹性模量，a。为裂纹 M(C,N)相中各元素在合金中的质量分数及在 临界尺寸，W为板条界上偏斜塑性功，D为板条束 相中的原子分数见表3.X100管线钢中M(C,N)的 宽度，d为板条宽度，可见，裂纹扩展抗力σ与有效 名义化学式为(Nb0.655Ti0.317Mo0.027)(C0.576N0.424) 晶粒尺寸D2具有线性关系.随着有效晶粒尺寸的 由表3可以看出，所添加的钼元素只有非常少量的 减小，裂纹在相同的扩展路径内遇到了更多大角度晶 析出，并没有形成单独的碳氮化物，因此大部分钼元 界的阻碍与折射，从而有效提高了材料的冲击韧性山. 素已经固溶在基体中，提高了钢的淬透性 (2)在三个试样的统计结果中，平行于板面方 表3MC相各元素的质量分数及原子分数 向的平均有效晶粒尺寸均大于垂直于板面方向的晶 Table 3 Mass and element contents of MC phases in X100 pipeline steel % 粒尺寸，两者的比值为1.2~1.3，说明X100管线钢 组织具有一定的方向性，晶粒沿着轧制方向有一定 元素 Nb Ti Mo C" N 总计 的延伸.这主要是由于X100管线钢在第二阶段轧 质量分数0.0410.0100.0020.005°0.0040.062 制的温度较低，且轧后冷却速率较高，因此在非再结 原子分数32.7615.861.3728.79”21.21100 晶区的变形效果保留得更为明显，对比其冲击韧性 注：C为计算值 可以看出，C试样组织方向性最小，低温韧性也最 2.3.2析出相的尺寸分布 高，因此，减小有效晶粒尺寸、提高组织的均匀程度 由图4可以看出，X100管线钢中的析出粒子比 是改善管线钢低温韧性的有效途径， 较细小，5nm以下粒子的体积分数达到了1.3%，峰 2.3X100管线钢第二相析出及其强化机理 值出现在18~36nm,平均尺寸为45.4nm: 2.3.1析出相结构及成分分析结果 2.3.3析出强化计算 用物理化学相分析方法定量分析析出相.结果 采用Ashby-Orowan修正模型，模型以位错线 表明，X100管线钢中析出相只有M(C,N),没有发 在滑移面上两个相邻粒子之间“弓出”，第二相粒子 现在以往X70、X80管线钢中经常出现的M3C相； 混乱分布为依据，对析出强化有： 这是由于在X100管线钢中添加了0.3%左右的 Mo,再加上冷却速率较快，充分抑制了珠光体的形 △，= 0.538Gbf1m2六 X (2)
图3 显微组织的 EBSD 分析．（a） A 试样；（b） B 试样；（c） C 试样 Fig．3 Microstructural maps analyzed by EBSD：（a） Sample A；（b） Sample B；（c） Sample C 表2 有效晶粒尺寸统计结果 Table2 Statistical results of effective grain size 试样 冲击功／J 方向 平均晶粒尺寸／μm 最小晶粒尺寸／μm 最大晶粒尺寸／μm 统计数目 A 123 平行板面 3∙05 0∙5 26∙5 2126 垂直板面 2∙18 0∙5 15∙0 3159 B 207 平行板面 2∙72 0∙5 22∙5 2477 垂直板面 2∙09 0∙5 13∙5 3294 C 294 平行板面 2∙21 0∙5 18∙6 1677 垂直板面 1∙88 0∙5 11∙4 2102 σ＝ 1∙4Eac W Dd 1／2 （1） 式中σ为裂纹扩展抗力E 为弹性模量ac 为裂纹 临界尺寸W 为板条界上偏斜塑性功D 为板条束 宽度d 为板条宽度．可见裂纹扩展抗力 σ与有效 晶粒尺寸 D － 1 2具有线性关系．随着有效晶粒尺寸的 减小裂纹在相同的扩展路径内遇到了更多大角度晶 界的阻碍与折射从而有效提高了材料的冲击韧性［11］． （2） 在三个试样的统计结果中平行于板面方 向的平均有效晶粒尺寸均大于垂直于板面方向的晶 粒尺寸两者的比值为1∙2～1∙3说明 X100管线钢 组织具有一定的方向性晶粒沿着轧制方向有一定 的延伸．这主要是由于 X100管线钢在第二阶段轧 制的温度较低且轧后冷却速率较高因此在非再结 晶区的变形效果保留得更为明显．对比其冲击韧性 可以看出C 试样组织方向性最小低温韧性也最 高．因此减小有效晶粒尺寸、提高组织的均匀程度 是改善管线钢低温韧性的有效途径． 2∙3 X100管线钢第二相析出及其强化机理 2∙3∙1 析出相结构及成分分析结果 用物理化学相分析方法定量分析析出相．结果 表明X100管线钢中析出相只有 M（CN）没有发 现在以往 X70、X80管线钢中经常出现的 M3C 相； 这是由于在 X100管线钢中添加了0∙3％左右的 Mo再加上冷却速率较快充分抑制了珠光体的形 成．另外也没有出现 MnS 和 Mo2C 相但有少量的 AlN 和 CaS 相． M（CN）相中各元素在合金中的质量分数及在 相中的原子分数见表3．X100管线钢中 M（CN）的 名义化学式为（Nb0∙655Ti0∙317Mo0∙027）（C0∙576N0∙424）． 由表3可以看出所添加的钼元素只有非常少量的 析出并没有形成单独的碳氮化物因此大部分钼元 素已经固溶在基体中提高了钢的淬透性． 表3 MC 相各元素的质量分数及原子分数 Table3 Mass and element contents of MC phases in X100 pipeline steel ％ 元素 Nb Ti Mo C ∗ N 总计 质量分数 0∙041 0∙010 0∙002 0∙005∗ 0∙004 0∙062 原子分数 32∙76 15∙86 1∙37 28∙79∗ 21∙21 100 注：C ∗为计算值． 2∙3∙2 析出相的尺寸分布 由图4可以看出X100管线钢中的析出粒子比 较细小5nm 以下粒子的体积分数达到了1∙3％峰 值出现在18～36nm平均尺寸为45∙4nm． 2∙3∙3 析出强化计算 采用 Ashby－Orowan 修正模型．模型以位错线 在滑移面上两个相邻粒子之间“弓出”第二相粒子 混乱分布为依据对析出强化有： Δσp＝ 0∙538Gbf 1／2 V X ln X 2b （2） 第11期 牛 涛等： 炉卷轧机生产 X100管线钢的组织特征与强韧性 ·1423·
.1424 北京科技大学学报 第31卷 (3)对X100管线钢中析出粒子的化学相定量 分析表明，析出粒子的平均尺寸较小，平均尺寸为 45.4nm,但总体的质量分数只有0.062%，经计算， 其析出强化贡献仅为52MPa左右，对屈服强度的贡 献较小 参考文献 [1]Tanguy B.Plastic and damage behavior of a high strength X100 pipeline steel:Experiments and modeling.Int Pressure Vessels Piping,2008.85(5):322 粒子尺寸m [2]Fairchild D P.Maciam L.Papka S D.ct al.High strength steelbe- yond X100//Pipe Dreamer's Conference.Yokohama:2002:307 图4X100管线钢析出相的粒度分布 [3]Li HL.Highlights of research and application of gas transmitting Fig.4 Size distribution of precipitation particles in X100 pipeline linepipe.Weld Pipe Tube.2000.23(3):43 steel (李鹤林·天然气输送钢管研究中的几个热点问题.焊管， 2000.23(3):43) 式中，△o。为屈服强度增量，MPa;G为剪切模量， [4]DuZ Y.Research and development of X100 high grade pipeline MPa,对于铁基为81600MPa;b为柏氏矢量，mm, steel.Weld Technol.2006.35(Suppl):1 对于铁素体为0.248nm;fv为析出相粒子的体积分 (杜则裕.高强度管线钢X100的研究进展.焊接技术，2006， 数，可由质量分数fm得到，即fv=7.87fm/7.803: 35(增刊)：1) X为析出相粒子的直径，mm门. [5]Zhang X L.Feng Y R.Zhuang C J.Development and mi- crostructural design of X100 high grade pipeline steel.Mater 在实验用X100管线钢的析出相粒度分布中， Bem,2007,2(5):34 5nm以下的析出粒子含量较高，尺寸分布峰值出现 (张小立，冯耀荣，庄传晶·X1O0高钢级管线钢的发展及组织 于18~36nm·由微合金碳氮化物沉淀析出的热力 设计.材料导报网刊，2007,2(5)：34) 学和动力学可知，18~36nm的颗粒是由形变诱导 [6]Zhang X L.Feng Y R.Zhuang C J,et al.Study on effective par- 析出的，10nm以下的是从铁素体中析出的12].由 ticle size of high grade pipeline steels and relationship between 于X100管线钢的轧后冷却速率较高，碳氨化物在 CVN.J Mater Eng.2008(7):1 (张小立，冯耀荣，庄传晶，等.高钢级管线钢中有效晶粒尺 水冷过程中的析出被抑制，从而在后续的空冷过程 寸及与CVN关系研究.材料工程，2008(7)：1) 中以更小的尺寸在铁素体中析出，从而提高了析出 [7]Gladman T.Precipitation hardening in metals.Mater Sci Tech- 强化效果，但是，在形变过程中诱导析出的粒子可 mol,1999,15(1):30 以钉扎晶界，抑制轧制过程中的奥氏体晶粒以及相 [8]Zhang X L,Feng Y R.Zhao W Z,et al.Evolution of mi- 变过程中铁素体的晶粒长大，从而细化了最终组织， crostructure of high-grade pipeline steel.Spec Steel,2008.29 (2):41 提高了细晶强化效果 (张小立，冯耀荣，赵文轸，等.高钢级管线钢显微组织的演 X100管线钢析出粒子的平均尺寸虽然较小，但 变.特殊钢，2008,29(2)：41) 总体析出质量分数仅为0.062%.通过对20nm以 [9]Hwang B.KimY G.Lee S,et al.Effective grain size and Charpy 下粒子的析出强化计算得出，X100管线钢中微合金 impact properties of high toughness X70 pipeline steels.Metall 碳氨化物析出的强化作用约为52MPa· Mater Trans A,2005,36(8):2107 [10]Daigne J.Guttmann M.Naylor J P.The influence of lath 3结论 boundaries and carbide distribution on yield strength of 0.4%C tempered martensitic steels.Mater Sci Eng,1982.56(1):1 (1)X100管线钢显微组织主要以细致的粒状 [11]Feng R.Metal Physics.Beijing:Metallurgical Industry Press. 贝氏体为主，还有少部分针状铁素体和板条贝氏体， 2000 晶粒内部和晶界上弥散分布着大量细小的M/A (冯瑞。金属物理学.北京：科学出版社，2000) 岛，尺寸绝大多数小于1m,体积分数约为4%. [12]Cao JC.Yong Q L.Liu Q Y.et al.Precipitation of micro-al- (2)X100管线钢组织的平均有效晶粒尺寸为 loyed carbonitride and its strengthening mechanism in low car- 2m左右，平行于板面方向的平均有效晶粒尺寸略大 bonsteels containing Nb and Mo.Trans Mater Heat Treat, 2006,27(5):51 于垂直于板面方向的晶粒尺寸，实验证明，细化有效 (曹建春，雍岐龙，刘清发，等.含铌钼钢中微合金碳氮化物沉 晶粒尺寸以及减小组织方向性可明显改善低温韧性， 淀析出及强化机制.材料热处理学报，2006,27(5)：51)
图4 X100管线钢析出相的粒度分布 Fig．4 Size distribution of precipitation particles in X100 pipeline steel 式中Δσp 为屈服强度增量MPa；G 为剪切模量 MPa对于铁基为81600MPa；b 为柏氏矢量mm 对于铁素体为0∙248nm；f V 为析出相粒子的体积分 数可由质量分数 f m 得到即 f V＝7∙87f m／7∙803； X 为析出相粒子的直径mm ［7］． 在实验用 X100管线钢的析出相粒度分布中 5nm以下的析出粒子含量较高尺寸分布峰值出现 于18～36nm．由微合金碳氮化物沉淀析出的热力 学和动力学可知18～36nm 的颗粒是由形变诱导 析出的10nm 以下的是从铁素体中析出的［12］．由 于 X100管线钢的轧后冷却速率较高碳氮化物在 水冷过程中的析出被抑制从而在后续的空冷过程 中以更小的尺寸在铁素体中析出从而提高了析出 强化效果．但是在形变过程中诱导析出的粒子可 以钉扎晶界抑制轧制过程中的奥氏体晶粒以及相 变过程中铁素体的晶粒长大从而细化了最终组织 提高了细晶强化效果． X100管线钢析出粒子的平均尺寸虽然较小但 总体析出质量分数仅为0∙062％．通过对20nm 以 下粒子的析出强化计算得出X100管线钢中微合金 碳氮化物析出的强化作用约为52MPa． 3 结论 （1） X100管线钢显微组织主要以细致的粒状 贝氏体为主还有少部分针状铁素体和板条贝氏体 晶粒内部和晶界上弥散分布着大量细小的 M／A 岛尺寸绝大多数小于1μm体积分数约为4％． （2） X100管线钢组织的平均有效晶粒尺寸为 2μm左右平行于板面方向的平均有效晶粒尺寸略大 于垂直于板面方向的晶粒尺寸．实验证明细化有效 晶粒尺寸以及减小组织方向性可明显改善低温韧性． （3） 对 X100管线钢中析出粒子的化学相定量 分析表明析出粒子的平均尺寸较小平均尺寸为 45∙4nm但总体的质量分数只有0∙062％经计算 其析出强化贡献仅为52MPa 左右对屈服强度的贡 献较小． 参 考 文 献 ［1］ Tanguy B．Plastic and damage behavior of a high strength X100 pipeline steel：Experiments and modeling．Int J Pressure Vessels Piping200885（5）：322 ［2］ Fairchild D PMaciam LPapka S Det al．High-strength stee-l beyond X100∥Pipe Dreamer’s Conference．Yokohama2002：307 ［3］ Li H L．Highlights of research and application of gas transmitting linepipe．Weld Pipe T ube200023（3）：43 （李鹤林．天然气输送钢管研究中的几个热点问题．焊管 200023（3）：43） ［4］ Du Z Y．Research and development of X100high grade pipeline steel．Weld Technol200635（Suppl）：1 （杜则裕．高强度管线钢 X100的研究进展．焊接技术2006 35（增刊）：1） ［5］ Zhang X LFeng Y RZhuang C J．Development and microstructural design of X100 high grade pipeline steel． Mater Rev20072（5）：34 （张小立冯耀荣庄传晶．X100高钢级管线钢的发展及组织 设计．材料导报网刊20072（5）：34） ［6］ Zhang X LFeng Y RZhuang C Jet al．Study on effective particle size of high grade pipeline steels and relationship between CVN．J Mater Eng2008（7）：1 （张小立冯耀荣庄传晶等．高钢级管线钢中有效晶粒尺 寸及与 CVN 关系研究．材料工程2008（7）：1） ［7］ Gladman T．Precipitation hardening in metals．Mater Sci Technol199915（1）：30 ［8］ Zhang X LFeng Y RZhao W Zet al．Evolution of microstructure of high-grade pipeline steel．Spec Steel200829 （2）：41 （张小立冯耀荣赵文轸等．高钢级管线钢显微组织的演 变．特殊钢200829（2）：41） ［9］ Hwang BKimY GLee Set al．Effective grain size and Charpy impact properties of high-toughness X70 pipeline steels． Metall Mater T rans A200536（8）：2107 ［10］ Daiqne JGuttmann MNaylor J P．The influence of lath boundaries and carbide distribution on yield strength of 0∙4％ C tempered martensitic steels．Mater Sci Eng198256（1）：1 ［11］ Feng R．Metal Physics．Beijing：Metallurgical Industry Press 2000 （冯瑞．金属物理学．北京：科学出版社2000） ［12］ Cao J CYong Q LLiu Q Yet al．Precipitation of micro-alloyed carbonitride and its strengthening mechanism in low carbonsteels containing Nb and Mo． T rans Mater Heat T reat 200627（5）：51 （曹建春雍岐龙刘清发等．含铌钼钢中微合金碳氮化物沉 淀析出及强化机制．材料热处理学报200627（5）：51） ·1424· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
