超高强度管线钢组织性能控制与工艺研究

摘要

随着管道工程的快速发展，高强、高韧、高塑性管线钢的研究与开发日益受到重视。目前，X100和X120作为超高强度管线钢由于具有高强韧性、抗氢致裂纹(HIC)性能、抗硫化氢应力腐蚀开裂(SSCC)性能以及抗应力腐蚀开裂(SCC)性能，可以保证管线安全、降低输送成本等优点，被预测为未来最有可能全面应用的超高性能管线钢。
　　目前通过调整控轧控冷工艺(TMCP)，利用低温大压下和微合金化途径生产高钢级管线钢存在着设备要求苛刻、微合金化成本过高、生产效率低下等问题。本文通过热模拟技术、控轧控冷工艺手段、力学性能测试及显微分析方法，对X100管线钢成分设计、轧制、冷却工艺及其组织性能进行系统研究;同时，对X120管线钢提出了“控轧+弛豫+快速冷却”、“控轧+间歇式快速冷却”以及热处理工艺路线，对其强韧性和组织的变化规律进行研究。论文主要工作及研究成果如下:
　　(1)在MMS-200热模拟试验机上，研究了Mn-Nb-Mo-Ti系X100和Mn-Nb-Mo-B-Ti系X120实验钢高温奥氏体热变形行为及等温过程中静态再结晶，分别计算出实验钢的动态再结晶激活能和静态再结晶激活能，并确定了动态再结晶特征参数。分析研究结果表明，随变形温度的降低和应变速率的提高，实验钢动态再结晶与静态再结晶均难以发生;随变形量的增加，形变存储能增加，静态再结晶速率加快。利用最小二乘法确定X120管线钢的动态、静态再结晶激活能均高于X100。含B的X120无论是峰值应力、应变还是临界应力、应变也都比X100要高，对于没有明显峰值点的应力-应变曲线，也有可能发生动态再结晶，需通过应变硬化率和应力的关系来确定是否有极小值点，从而确定是否发生动态再结晶。
　　(2)通过对奥氏体连续冷却相变行为的研究，测定了不同变形条件下X100和X120实验钢的奥氏体连续冷却相变动力学曲线（CCT曲线）。结果表明，变形量的增加与变形温度的降低均显著加速了相变，使针状铁素体和粒状贝氏体开始相变温度显著提高;合金元素B的添加，抑制先共析铁素体和中温转变组织的形核，促进下贝氏体相变，扩大下贝氏体相变区域，使CCT曲线变得更加扁平;B元素的添加还抑制下贝氏体板条束长大，起到细化晶粒的作用。
　　(3)通过轧制工艺热模拟试验，研究加热温度、轧制和冷却工艺参数对组织及细化作用的影响。分析结果表明，对奥氏体、M/A组元和析出相等显微组织采用热加工过程的全过程控制的方法，即精确控制加热温度、粗轧、精轧和冷却速度等工艺参数，能获得最佳的组织细化效果。
　　(4)在实验轧机上对Mn-Nb-Mo-Ti系及高Nb系X100实验钢进行了控轧控冷实验，通过TMCP工艺与HTP工艺的钢板的组织、性能比较。结果表明，与TMCP工艺相比，通过HTP工艺实验钢组织基体内部晶粒度小于TMCP工艺，强度、低温冲击韧性和延伸率方面都有不同程度的降低，但HTP工艺较显著地改善其屈强比。其中，Mn-Nb-Mo-Ti系X100实验钢最优工艺参数为:精轧开轧温度780℃～800℃，终轧温度760℃～780℃，终冷温度440℃～460℃，冷却速度30℃/s左右。此工艺钢板屈服强度达到751MPa，抗拉强度为894MPa，延伸率为20.6％，-20℃夏比冲击功达到247J，韧脆转变温度为-62℃。根据热变形工艺回归公式推算，屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为769MPa，907MPa，19.7％，与实际值相吻合。
　　(5)通过对X120超高强度管线钢弛豫阶段中温转变组织超细化原理分析，提出“控轧+弛豫+快速冷却”新型工艺路线。通过调整水冷开冷温度来控制软相针状铁素体的数量，在弛豫过程中，晶内通过变形位错重新排列，形成了位错胞状结构和亚晶，并通过随后的快速冷却将弛豫过程形成的亚晶界快速形核，生成硬相组织（接近马氏体组织的下贝氏体），这种针状铁素体+下贝氏体的复相组织不仅具有很高的强度，还具有良好的塑韧性，软相组织的加入优化屈强比和抗大变形性能。理想的工艺参数为:终轧温度800℃左右，弛豫至650℃附近，冷却速度稍高于50℃/s，终冷温度400℃附近。
　　(6)采用“控轧+间歇式冷却”工艺，研究了轧制、冷却参数对X120超高强度管线钢组织性能的影响。通过降低终轧温度，使在较低温度下充分变形的奥氏体中产生高畸变积累，在高冷却速度下，迅速在奥氏体向铁素体相变的动态相变区前终止冷却，进入到弛豫阶段，得到针状铁素体或粒状贝氏体等中温转变组织，并通过随后的快速冷却至Ms以下，得到低温下贝氏体/马氏体组织。最优的工艺参数为:终轧温度850℃左右，冷却速度均为50℃/s以上冷却至560℃弛豫区间，弛豫时间为10s。这种硬化奥氏体不仅提供了弛豫过程中软相针状铁素体相变所需的能量，而且在其基体中形成大量的形变带，为最终相变组织提供足够的形核位置，该工艺板材力学性能优良。
　　(7)对比研究了不同在线热处理工艺对X120级管线钢组织性能的影响。结果表明，在450℃保温40min的回火工艺下，采用直接淬火工艺实验钢回火后组织中大角度晶界百分含量略大于两段式淬火工艺。但采用两段式淬火工艺实验钢综合力学性能均优于直接淬火工艺，且在450℃～500℃回火后，各项指标均达到X120管线钢性能标准。从节能减排环保角度出发，采用轧后直接两段式淬火+回火工艺开发一种既有高强韧性，又有高稳定性的热处理钢板，可作为X120超高强度管线钢热处理工艺储备。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 管线钢的发展及研究方向

1．2．1 油气管道和管线钢的发展历史

1．2．2 管线钢今后研究方向

1．3 高钢级管线钢的合金化原理及组织设计

1．3．1 管道发展趋势及合金设计特点

1．3．2 管线钢合金设计基本思想

1．3．3 管线钢合金成分与组织状态关系

1．4 机械热处理技术的发展及原理

1．4．1 机械热处理技术(TMCP)的发展

1．4．2 新一代超快速冷却技术工艺特点及原理

1．5 弛豫快速冷却技术的背景及原理

1．5．1 弛豫快速冷却技术的研究背景

1．5．2 弛豫细化技术的原理

1．6 超高强度管线钢热处理的目的与工艺

1．6．1 超高强度管线钢热处理的目的

1．6．2 超高强度管线钢热处理工艺

1．7 本文工作背景及研究内容

1．7．1 工作背景

1．7．2 论文的研究内容

第2章 超高强度管线钢的热变形行为

2．1 引言

2．2 实验材料及设备

2．3 实验方案

2．3．1 单道次压缩实验

2．3．2 等温间歇压缩实验

2．4 高温变形过程的动态行为

2．4．1 应力-应变曲线及影响因素

2．4．2 实验钢变形抗力模型的建立

2．4．3 实验钢变形抗力的计算值与实测值的对比

2．4．4 实验钢动态再结晶特征参量的确定

2．5 高温变形过程的静态行为

2．5．1 静态软化率

2．5．2 静态再结晶动力学

2．6 讨论

2．6．1 热变形工艺对再结晶的影响

2．6．2 动态再结晶激活能的确定及热变形过程基本关系

2．6．3 静态再结晶激活能的确定及影响规律

2．7 本章小结

第3章 超高强度管线钢连续冷却过程相变行为

3．1 引言

3．2 实验材料与设备

3．3 实验方案

3．3．1 高温淬火实验

3．3．2 奥氏体连续冷却转变实验

3．3．3 TMCP工艺模拟实验

3．4 高温淬火工艺实验结果

3．4．1 加热制度对显微组织的影响

3．4．2 加热温度对第二相的影响

3．4．3 加热温度对硬度的影响

3．5 实验钢奥氏体连续冷却转变实验结果

3．5．1 不同热变形条件下的连续冷却转变曲线

3．5．2 热变形工艺对实验钢CCT曲线的影响

3．5．3 不同热变形条件下的连续冷却转变组织

3．5．4 热变形工艺对组织的影响

3．6 TMCP工艺模拟实验结果

3．6．1 再结晶区轧制工艺实验

3．6．2 未再结晶区轧制工艺实验

3．6．3 控冷工艺模拟实验

3．7 讨论

3．7．1 硼对奥氏体晶粒尺寸及连续冷却转变的影响

3．7．2 连续冷却相变热力学与动力学

3．8 本章小结

第4章 X100钢级管线钢组织细化工艺研究

4．1 引言

4．2 实验方法

4．2．1 实验材料

4．2．2 实验方案

4．2．3 组织观察与力学性能检测

4．3 TMCP工艺实验结果及分析

4．3．1 力学性能结果与分析

4．3．2 终轧温度对组织性能的影响

4．3．3 冷却速度和终冷温度对组织性能的影响

4．3．4 轧制道次压下率对组织性能的影响

4．4 HTP工艺与TMCP工艺组织性能比较

4．4．1 HTP与TMCP工艺组织比较

4．4．2 HTP与TMCP工艺性能比较

4．5 讨论

4．5．1 控轧控冷工艺对强韧性机制的影响

4．5．2 控轧控冷工艺对组织转变的影响

4．5．3 控轧控冷工艺对析出相的影响

4．6 本章小结

第5章 X120超高强度管线钢软硬相组织控制与细化

5．1 引言

5．2 实验方法

5．2．1 实验材料及设备

5．2．2 实验方案

5．2．3 组织观察与力学性能检测

5．3 连续冷却+淬火实验结果与分析

5．3．1 不同冷却速度下中温转变组织演变规律

5．3．2 变形温度、变形量对组织演变的影响

5．4 控轧控冷实验结果与分析

5．4．1 实测工艺参数与力学性能

5．4．2 控轧+弛豫+快速冷却工艺对组织性能的影响

5．4．3 控轧+间歇式快速冷却工艺对组织性能的影响

5．5 讨论

5．5．1 硼对显微组织性能的影响

5．5．2 软硬相组织调控思想及协调变形机理分析

5．6 本章小结

第6章 X120超高强度管线钢热处理工艺研究

6．1 引言

6．2 实验材料与设备

6．3 离线热处理实验

6．3．1 实验方案

6．3．2 淬火工艺对组织性能的影响

6．3．3 回火工艺对组织性能的影响

6．4 在线热处理实验

6．4．1 实验方案

6．4．2 不同淬火模式下实验钢组织性能比较

6．4．3 在线淬火实验钢回火过程组织性能变化规律及断口分离分析

6．5 分析与讨论

6．5．1 三种热处理工艺组织性能比较

6．5．2 三种热处理工艺的特点及应用前景

6．5．3 不同热加工工艺组织状态EBSD晶粒取向比较

6．6 本章小结

第7章 结论

参考文献

攻读博士期间完成的工作

致谢

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