X100管線鋼強(qiáng)韌性控制與生產(chǎn)工藝研究.pdf

1、在節(jié)能減排成為國際共識的背景下，為降低油氣管道建設(shè)成本，提高油氣輸送效率，研究開發(fā)能夠提高輸送壓力的高鋼級管線鋼成為鋼鐵及石油行業(yè)共同關(guān)注的熱點(diǎn)。這就為研發(fā)具有更高強(qiáng)度、良好止裂性能、具備抗大變形能力和良好現(xiàn)場焊接性能的管線鋼產(chǎn)品提供了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。高鋼級管線鋼的現(xiàn)有研究結(jié)果表明:提高強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致低溫韌性明顯降低，其止裂性能與斷裂過程能量變化以及斷口形貌密切相關(guān)，其深層機(jī)理及定量關(guān)系尚需深入研究。
　　本文以東北大學(xué)軋制技術(shù)及

2、連軋自動(dòng)化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與萊蕪鋼鐵集團(tuán)有限公司聯(lián)合研究開發(fā)X100管線鋼項(xiàng)目為背景，通過熱模擬實(shí)驗(yàn)和熱軋實(shí)驗(yàn)，研究0.20Mo-0.04Nb系和0.09Nb系X100管線鋼高溫奧氏體再結(jié)晶規(guī)律及高溫形變奧氏體冷卻過程相變規(guī)律，研究TMCP工藝和回火熱處理工藝與實(shí)驗(yàn)鋼組織性能的相關(guān)性。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行0.20Mo-0.04Nb系X100管線鋼的工業(yè)試制。為綜合評價(jià)工業(yè)試制鋼板的強(qiáng)韌性及止裂能力，重點(diǎn)研究TMCP態(tài)、TMCP+回火態(tài)鋼板在不

3、同試驗(yàn)溫度下夏比沖擊斷裂行為和微觀組織對DWTT止裂性能的影響規(guī)律。本文的重點(diǎn)工作及創(chuàng)新性成果如下:
　　(1)通過熱模擬實(shí)驗(yàn)研究X100管線鋼的組織性能演變規(guī)律，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，0.20Mo-0.04Nb系實(shí)驗(yàn)鋼的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶區(qū)間較寬，容易發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶;0.09Nb系實(shí)驗(yàn)鋼動(dòng)態(tài)再結(jié)晶區(qū)間較窄，且靜態(tài)再結(jié)晶終止溫度比前者高50℃左右。兩種成分實(shí)驗(yàn)鋼的相變溫度范圍均在400～600℃。測得了實(shí)驗(yàn)鋼的動(dòng)態(tài)連續(xù)冷卻曲線，分析表明:要獲得板條貝

4、氏體、粒狀貝氏體和針狀鐵素體為主的組織，冷卻速度范圍應(yīng)在15～25℃/s。隨冷速提高，顯微組織晶疇致密度增加，板條貝氏體數(shù)量增加。
　　(2)對兩種成分實(shí)驗(yàn)鋼進(jìn)行熱軋及熱處理工藝研究，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，0.20Mo-0.04Nb系實(shí)驗(yàn)鋼可以獲得板條貝氏體、粒狀貝氏體、針狀鐵素體和細(xì)小碳化物的復(fù)相組織，力學(xué)性能完全達(dá)到X100管線鋼標(biāo)準(zhǔn)要求。而0.09Nb系實(shí)驗(yàn)鋼獲得的組織為粒狀貝氏體、準(zhǔn)多邊形鐵素體及尺寸較大的M/A島，力學(xué)性能偏低，未達(dá)

5、到標(biāo)準(zhǔn)要求。0.20Mo-0.04Nb系實(shí)驗(yàn)鋼在250～500℃不同溫度范圍內(nèi)進(jìn)行回火熱處理，結(jié)果表明:實(shí)驗(yàn)鋼經(jīng)400℃回火的組織為板條貝氏體、粒狀貝氏體、針狀鐵素體以及大量細(xì)小碳化物，綜合力學(xué)性能良好，裂紋形成能較大，止裂性能好。
　　(3)選定0.20Mo-0.04Nb系實(shí)驗(yàn)鋼進(jìn)行工業(yè)試制，得到生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品組織性能之間的關(guān)系。結(jié)果表明:開冷溫度730～800℃，終冷溫度400～520℃，冷卻速度18～27℃/s時(shí)，試制鋼板的

6、屈服強(qiáng)度704～805MPa，屈強(qiáng)比0.88～0.97，0℃沖擊功163～267J，DWTT韌性剪切面積比例86％～91％，性能達(dá)到X100管線鋼要求。隨終冷溫度降低和冷卻速度提高，組織類型由粒狀貝氏體+針狀鐵素體+多邊形鐵素體逐漸演變?yōu)榘鍡l貝氏體+針狀鐵素體+少量粒狀貝氏體，且鋼中的M/A島數(shù)量減少。
　　(4)為了進(jìn)一步優(yōu)化TMCP態(tài)鋼板的綜合力學(xué)性能，對0.20Mo-0.04Nb系試制鋼板進(jìn)行工業(yè)回火熱處理試制。結(jié)果表明:經(jīng)

7、450℃回火后，晶粒粗化，軋制過程中形成的變形帶寬度增加，M/A島在晶界和變形帶邊界上的數(shù)量增加，分布更加彌散。屈服強(qiáng)度為731MPa，抗拉強(qiáng)度為931MPa，0℃沖擊功為234J，屈強(qiáng)比由回火前的0.88下降至0.79，綜合力學(xué)性能得到改善。
　　(5)對工業(yè)試制鋼板進(jìn)行夏比沖擊斷裂實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明:與終冷溫度為520℃的鋼板相比，終冷溫度為400℃的鋼板在-60～20℃沖擊斷裂過程中，沖擊裂紋形成能及擴(kuò)展能較高，擴(kuò)展時(shí)間變化

8、不大，沖擊斷口僅在-60℃低溫時(shí)出現(xiàn)少量分層，止裂性能更好。鋼板經(jīng)過回火后，裂紋形成能和擴(kuò)展能進(jìn)一步提高，止裂性能得到改善，400℃終冷鋼板的止裂性能更好。
　　(6)工業(yè)試制鋼板在0℃DWTT落錘斷裂過程中，當(dāng)主裂紋擴(kuò)展路徑與變形帶存在夾角時(shí)，裂紋擴(kuò)展受阻礙顯著，擴(kuò)展路徑曲折，止裂作用明顯。主裂紋附近的二次裂紋終止于復(fù)相組織中的針狀鐵素體。試制鋼板組織中的均勻細(xì)小的針狀鐵素體、板條貝氏體以及在晶界處分布的膜狀、點(diǎn)狀M/A島，對沖