X100管线钢强韧性控制与生产工艺研究

摘要

在节能减排成为国际共识的背景下，为降低油气管道建设成本，提高油气输送效率，研究开发能够提高输送压力的高钢级管线钢成为钢铁及石油行业共同关注的热点。这就为研发具有更高强度、良好止裂性能、具备抗大变形能力和良好现场焊接性能的管线钢产品提供了前所未有的发展机遇。高钢级管线钢的现有研究结果表明:提高强度会导致低温韧性明显降低，其止裂性能与断裂过程能量变化以及断口形貌密切相关，其深层机理及定量关系尚需深入研究。
　　本文以东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室与莱芜钢铁集团有限公司联合研究开发X100管线钢项目为背景，通过热模拟实验和热轧实验，研究0.20Mo-0.04Nb系和0.09Nb系X100管线钢高温奥氏体再结晶规律及高温形变奥氏体冷却过程相变规律，研究TMCP工艺和回火热处理工艺与实验钢组织性能的相关性。在此基础上，进行0.20Mo-0.04Nb系X100管线钢的工业试制。为综合评价工业试制钢板的强韧性及止裂能力，重点研究TMCP态、TMCP+回火态钢板在不同试验温度下夏比冲击断裂行为和微观组织对DWTT止裂性能的影响规律。本文的重点工作及创新性成果如下:
　　(1)通过热模拟实验研究X100管线钢的组织性能演变规律，实验发现，0.20Mo-0.04Nb系实验钢的动态再结晶区间较宽，容易发生动态再结晶;0.09Nb系实验钢动态再结晶区间较窄，且静态再结晶终止温度比前者高50℃左右。两种成分实验钢的相变温度范围均在400～600℃。测得了实验钢的动态连续冷却曲线，分析表明:要获得板条贝氏体、粒状贝氏体和针状铁素体为主的组织，冷却速度范围应在15～25℃/s。随冷速提高，显微组织晶畴致密度增加，板条贝氏体数量增加。
　　(2)对两种成分实验钢进行热轧及热处理工艺研究，实验发现，0.20Mo-0.04Nb系实验钢可以获得板条贝氏体、粒状贝氏体、针状铁素体和细小碳化物的复相组织，力学性能完全达到X100管线钢标准要求。而0.09Nb系实验钢获得的组织为粒状贝氏体、准多边形铁素体及尺寸较大的M/A岛，力学性能偏低，未达到标准要求。0.20Mo-0.04Nb系实验钢在250～500℃不同温度范围内进行回火热处理，结果表明:实验钢经400℃回火的组织为板条贝氏体、粒状贝氏体、针状铁素体以及大量细小碳化物，综合力学性能良好，裂纹形成能较大，止裂性能好。
　　(3)选定0.20Mo-0.04Nb系实验钢进行工业试制，得到生产工艺和产品组织性能之间的关系。结果表明:开冷温度730～800℃，终冷温度400～520℃，冷却速度18～27℃/s时，试制钢板的屈服强度704～805MPa，屈强比0.88～0.97，0℃冲击功163～267J，DWTT韧性剪切面积比例86％～91％，性能达到X100管线钢要求。随终冷温度降低和冷却速度提高，组织类型由粒状贝氏体+针状铁素体+多边形铁素体逐渐演变为板条贝氏体+针状铁素体+少量粒状贝氏体，且钢中的M/A岛数量减少。
　　(4)为了进一步优化TMCP态钢板的综合力学性能，对0.20Mo-0.04Nb系试制钢板进行工业回火热处理试制。结果表明:经450℃回火后，晶粒粗化，轧制过程中形成的变形带宽度增加，M/A岛在晶界和变形带边界上的数量增加，分布更加弥散。屈服强度为731MPa，抗拉强度为931MPa，0℃冲击功为234J，屈强比由回火前的0.88下降至0.79，综合力学性能得到改善。
　　(5)对工业试制钢板进行夏比冲击断裂实验研究，结果表明:与终冷温度为520℃的钢板相比，终冷温度为400℃的钢板在-60～20℃冲击断裂过程中，冲击裂纹形成能及扩展能较高，扩展时间变化不大，冲击断口仅在-60℃低温时出现少量分层，止裂性能更好。钢板经过回火后，裂纹形成能和扩展能进一步提高，止裂性能得到改善，400℃终冷钢板的止裂性能更好。
　　(6)工业试制钢板在0℃DWTT落锤断裂过程中，当主裂纹扩展路径与变形带存在夹角时，裂纹扩展受阻碍显著，扩展路径曲折，止裂作用明显。主裂纹附近的二次裂纹终止于复相组织中的针状铁素体。试制钢板组织中的均匀细小的针状铁素体、板条贝氏体以及在晶界处分布的膜状、点状M/A岛，对冲击韧性有利，体现为良好的低温止裂性能。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 高钢级管线钢发展概况

1．1．1 国内外管线钢发展概况

1．1．2 管线钢未来发展趋势

1．1．3 X100管线钢研发现状

1．2 管线钢微合金成分设计原理及其强韧化机理

1．2．1 管线钢的化学成分

1．2．2 微合金元素的强韧化机理

1．3 X100管线钢轧制技术及热处理工艺

1．3．1 控轧控冷技术

1．3．2 高温轧制技术

1．3．3 在线加速冷却及在线热处理工艺

1．4 X100管线钢显微组织类型

1．5 高钢级管线钢断裂韧性及止裂性能

1．5．1 冲击断裂过程

1．5．2 落锤性能评价标准及影响因素

1．6 本文的研究目的及主要研究内容

1．6．1 研究目的

1．6．2 主要研究内容

第2章 X100管线钢高温奥氏体再结晶规律研究

2．1 实验材料及方法

2．1．1 实验材料

2．1．2 实验方法

2．2 高温淬火实验结果及分析

2．2．1 不同淬火温度下的奥氏体晶粒

2．2．2 奥氏体晶粒长大规律

2．3 动态再结晶实验结果及分析

2．3．1 高温真应力-应变曲线

2．3．2 热加工工艺参数对变形抗力的影响

2．4 静态再结晶实验结果及分析

2．4．1 静态再结晶规律分析

2．4．2 不同间隔时间条件下的原始奥氏体形态

2．5 本章小结

第3章 X100管线钢形变奥氏体冷却过程组织转变规律的研究

3．1 实验材料及方法

3．1．1 实验材料

3．1．2 实验方法

3．2 实验结果及分析

3．2．1 工艺参数对相变组织形貌的影响

3．2．2 连续冷却过程中的CCT曲线

3．2．3 不同模拟工艺条件下组织取向特征的EBSD分析

3．3 本章小结

第4章 X100管线钢热轧实验及热处理工艺研究

4．1 实验材料及方法

4．1．1 实验材料

4．1．2 轧制与冷却工艺

4．1．3 回火热处理工艺

4．1．4 组织性能检测方法

4．2 热轧实验结果及分析

4．2．1 力学性能

4．2．2 显微组织形貌

4．2．3 精细结构分析

4．2．4 第二相粒子形态及组成分析

4．2．5 热轧显微组织取向特征的EBSD分析

4．3 回火热处理实验结果及分析

4．3．1 回火温度对力学性能的影响

4．3．2 回火温度对显微组织的影响

4．4 冲击断裂试验结果与分析

4．4．1 示波冲击断裂过程

4．4．2 冲击断口形貌分析

4．5 本章小结

第5章 X100管线钢工业试制及产品的组织性能分析

5．1 工业试制材料及生产工艺

5．1．1 工业试制材料

5．1．2 工业试制生产工艺

5．1．3 组织性能检测方法

5．2 TMCP工艺试制钢板的组织及性能

5．2．1 力学性能

5．2．2 微观组织

5．2．3 轧制与冷却工艺对组织性能的影响

5．3 TMCP+回火工艺试制钢板的组织及性能

5．3．1 力学性能

5．3．2 微观组织

5．3．3 回火工艺对组织性能的影响

5．4 夏比冲击韧性与断裂过程研究

5．4．1 冲击断裂过程

5．4．2 冲击断口形貌分析

5．4．3 微观组织对夏比冲击韧性的影响

5．5 DWTT止裂性能研究

5．5．1 落锤断口形貌

5．5．2 裂纹附近的显微组织

5．5．3 显微组织对DWTT止裂性能的影响

5．6 本章小结

第6章 结论

参考文献

攻读博士学位期间完成的论文、专利及获奖情况

致谢

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