超快冷工艺对X70管线钢组织的影响

D0I:10.13374f.issnl00103x.203.02.005 第35卷第2期 北京科技大学学报 Vol.35 No.2 2013年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.2013 超快冷工艺对X70管线钢组织的影响 陈雨来，张栋斌四，余伟，郭锦 北京科技大学高效轧制国家工程研究中心，北京100083 ☒通信作者，E-mail:zhdb007@sohu.com 摘要通过热模拟机研究超快冷工艺中冷却速率和终轧温度对X70管线钢组织细化及马氏休/奥氏休小岛的影响.随 着冷却速率的增大，铁素体晶粒尺寸减小，M/A岛的体积分数先增大后降低，M/A岛的尺寸变化则相反.提高终轧温 度，铁素体晶粒尺寸略微增大，M/A岛的体积分数增加：但在900~940℃范围内，随着终轧温度的升高，试样中M/A 岛的体积分数略减小，尺寸增大 关键词管线钢；冷却：微观组织：晶粒细化 分类号TG156.1 Influence of ultra-fast cooling on the microstructure of X70 pipeline steel CHEN Yu-lai,ZHANG Dong-bin2,YU Wei,GUO Jin National Engineering Research Center for Advanced Rolling Technology,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:zhdb007@sohu.com ABSTRACT The effects of cooling rate and finish rolling temperature on the microstructure refinement and marten site/austenite (M/A)islands in X70 pipeline steel were studied with a Gleeble thermal-mechanical simulation machine. When the cooling rate increasing,the grain size of ferrite decreases,the volume fraction of M/A islands increases first and then decreases,but the dimensional change of M/A islands is opposite to the volume fraction.With the finish rolling temperature rising,ferrite in the steel slightly grows up and the volume fraction of M/A islands increases;but when the finish rolling temperature increases from 900 to 940 C,the volume fraction of M/A islands slightly decreases and the size of M/A islands increases. KEY WORDS pipeline steel;cooling:microstructure;grain refinement 随着社会的进步，人们逐渐认识到工业化大生 工艺中冷却速率和终轧温度对X70管线钢组织细 产带来的能源短缺以及环境恶化等问题.因此，制 化和M/A岛的影响规律，为实现管线钢的超快冷 造业提出了4R原则，即减量化、再循环、再利用以 工艺工业化生产提供参考和借鉴. 及再制造).超快速冷却技术利用细晶强化和相变 强化相结合的机制，提高了材料的强度、韧性、焊 1实验方案 接性等性能. 实验材料X70管线钢的化学成分见表1，试样 目前，一些钢厂实现了Q235、Q345升级以及部 尺寸为中4mm×10mm.实验在北京科技大学高效 分高强钢、双相钢的超快冷工艺生产2)，但管线钢 轧制工程研究中心实验室Gleeble-3500热模拟机上 的超快冷工艺工业生产在国内还未实现.由于管线 进行.第一组试样以10℃s1加热到1150℃并 钢中微观组织中马氏体/奥氏体(M/A)小岛的存在 保温3min,分别于1000、900以及830℃处变形， 也是管线钢组织的一个重要特征3-4，且这方面研 每道次应变量均为0.3，变形后分别以40、80、120 究较少，因此本文主要通过热模拟实验研究超快冷 和140℃s1的冷速冷却至550℃，随后空冷(2 收稿日期：2011-12-22

DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2013. 02. 005

第2期 陈雨来等：超快冷工艺对X70管线钢组织的影响 ,185· ℃s1)至室温.第二组试样以10℃s1加热到 截取试样中间变形的部分，沿轴向从中间切 1150℃并保温3mim,分别于1050℃以及终轧温度 开，预磨抛光后用4%硝酸酒精侵蚀，在实验室 T处变形，应变量均为0.3，终轧温度T分别设为 金相显微镜和ZEISS ULTRA55热场发射扫描电 820、900、920和940℃，终轧后以80℃s-1的冷 镜下观察试样的显微组织，并借助ImageTool软 速冷却至550℃，随后空冷(2℃s-1)至室温.热 件测量统计试样的晶粒尺寸以及M/A岛的体积 模拟实验工艺示意图如图1所示 分数 表1实验用X70管线钢的成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of X70 pipeline test steel 号 C Si Mn P Al V Cr Mo Ti Nb Cu Ni 0.0550.191.47 0.0050.0140.032≤0.010.010.170.0120.0540.200.20 1150℃.保温3min 1l50:.保温3min 1000℃，0.3 1050℃.0.3 080r3 T0.3 不同冷速 童 80℃/s 10℃s- 550℃ 5501: I0气s 空冷 空冷 时间/s 时间/s (a) (b) 图1热模拟实验工艺示意图.()冷却速率不同：(b)终轧温度不同 Fig.1 Schematic schedules for thermal-mechanical simulation tests:(a)different cooling rates:(b)different finish rolling temper- atures 2实验结果 2.1冷却速率对X70管线钢组织细化的影响 图2为不同冷却速率下试样的扫描电镜照片. 从得到的金相显微组织照片和图2中可以看出，试 样中的组织主要为多边形铁素体+针状铁素体，针 状铁素体含量很少，其中的多边形铁素体和针状铁 素体均很细小 用ImageTool软件测得不同冷速下试样的晶粒 尺寸，如图3所示.从图3中看出，随着冷却速率 的增大，铁素体晶粒尺寸减小，但是变化不大，尤 其是在冷却速率80~120℃s1变化微弱. 2.2冷却速率对X70管线钢M/A岛的影响 图2不同冷却速率下试样的扫描电镜照片.(a)40℃s-1: 为了比较准确地确定M/A岛的体积分数，采 (b)80℃s-1:(c)120℃s':(d)140℃s-1 用图形处理方法，并利用mageTool软件测出亮白 Fig.2 SEM image of samples at different cooling rates: 色M/A岛的的体积分数.结果表明：当冷却速率 (a)40℃s1:(b)80℃s-1;(c120℃s-1:(d)140℃s-l 在40140℃s-1的范围内，随着冷却速率的增 从M/A岛形状上看：当冷却速率为40℃s-1 大，M/A岛的体积分数呈现出先增大后减小的趋 时，M/A岛以条状和多边形块状为主：当冷却速率 势，在冷却速率为120℃s-1达到最大值.M/A岛 为80℃s-1和120℃s-1时，M/A岛以点状和多 随冷却速率的变化曲线如图4所示. 边形块状为主；当冷却速率为140℃s1时，试样

186 北京科技大学学报 第35卷 中的M/A岛以条状为主，但这里的条状相对冷速 比820℃时大，但相差不超过0.6m;终轧温度为 40℃s-1时来说不是很规则.从M/A岛大小上看， 900、920和940℃时三个试样的针状铁素体纵横比 当冷却速率从40℃s1增大到120℃s1时，试 比820℃小，并且随着终轧温度的升高，针状铁素 样中晶粒尺寸在0.5m以下的点状M/A岛增多； 体有变短变宽的趋势 当冷却速率从120℃s-1进一步提高，M/A岛晶 粒尺寸反而有所增大. 3.5 3.4 3.2 3.1 2.9 (c 40 6080100120140 冷却速率/（℃s) 图3冷却速率对铁素体晶粒尺寸的影响 Fig.3 Influence of cooling rate on the grain size of ferrite 12.2 12.0 11.8 20μm 20μm 11.6 114 图5不同终轧温度下试样的金相显微组织照片.(a)820 12 ℃：(b)900℃：(c)920℃：(d)940℃ 1.0 Fig.5 Optical micrographs of samples at different finish rolling temperatures:(a)820℃：(b)900℃：(c）920℃：(d) 10.8 40 6080100120140 940℃ 冷却速率/（℃s) 2.4终轧温度对X70管线钢M/A岛的影响 图4冷却速率对M/A岛的体积分数的影响 参照2.2节中的方法测量不同终轧温度下试样 Fig.4 Influence of cooling rate on the volume fraction of M/A 中M/A岛的的体积分数，M/A岛含量随终轧温度 islands 的变化曲线如图6所示.从1/A岛数量上看：高温 2.3终轧温度对X70管线钢组织细化的影响 终轧(900、920和940℃)试样中的M/A岛的体积 如图5所示为不同终轧温度下试样的金相显微 分数比正常终轧温度(820℃)试样高：而在高温终 组织照片，图中AF指针状铁素体，QF指准多边形 轧温度范围内，随着终轧温度的升高，试样中M/A 铁素体.从图5中可以看出，四种不同终轧温度下 岛的体积分数略有降低，但降幅不大 试样的组织主要为针状铁素体+多边形铁素体+ 从M/A岛形状上看：当终轧温度为900℃和 准多边形铁素体.从组织的构成上分析，终轧温度 940℃时，试样中M/A岛以带尖角的多边形块状 为940℃时，试样中准多边形铁素体明显增多，且 为主；当终轧温度为920℃时，试样中M/A岛以 其晶粒尺寸为4~8um,明显大于其余三个试样中 点状为主.从M/A岛大小上看：终轧温度为820℃ 准多边形铁素体的晶粒尺寸 时试样中M/A岛晶粒尺寸为0.22~1.22um:高温 从组织的细化程度上看，测得终轧温度为820 终轧温度范围内，终轧温度为900~940℃时试样中 ℃时试样中多边形铁素体平均晶粒尺寸约为2.61 M/A岛晶粒尺寸分别为0.24~1.80m、0.401.87 um,针状铁素体的平均板条宽度约为1.46m,而 μm和0.402.23m.结合图7可以看出，随着终轧 终轧温度为900、920和940℃时三个试样的多边形 温度的升高，试样中M/A岛有变大的趋势，当终 铁素体平均晶粒尺寸和针状铁素体的平均板条宽度 轧温度为920℃时M/A岛的尺寸分布比较均匀

第2期 陈雨来等：超快冷工艺对X70管线钢组织的影响 ·187· 14.0 匀，故在40120℃s-1的冷速范围内，M/A岛的 13.5 体积分数随着冷速的增加而增大，且M/A岛形状 13.0 随着冷速的增大向细小的点状转变：另一方面，在 125 120140℃s-1的冷速范围内，随着冷速的增大， 12.0 铁素体晶粒尺寸变小，且冷速过大影响了碳原子的 11.5 扩散，铁素体/奥氏体相界面附近奥氏体中碳含量 110 不高，使得残余奥氏体不能稳定存在，难以在低温 10.5 时转变成M/A岛同，故M/A岛的体积分数随着冷 820840860880900920940 终轧温度/℃ 速的增大反而略有降低，且/A岛大小和分布不 图6终轧温度对M/A岛的体积分数的影响 均匀. Fig.6 Influence of finish rolling temperature on the volume 另外，M/A岛的体积分数和形状分布对管线 fraction of MI/A islands 钢的力学性能均有影响.廖波等6研究发现，带有 尖角的M/A组元，由于位错塞积所引起的应力集 中，在尖角处产生裂纹，可能降低材料的韧性和塑 性.仝珂等研究表明：随着高钢级管线钢组织中 M/A岛体积分数的增加或尺寸的减小，管线钢强度 提高，屈强比增大：另外，/A岛以细小点状或交 错分布条状存在时可以改善管线钢的冲击韧性.刘 莉等8)研究发现，落锤性能不合格并出现断口分离 的试样，其中心处M/A岛的数量明显增多，而且 尺寸较大，大部分在35um基本上以块状出现. 综上所述，冷却速率在40℃s-1至140℃s-1的 范围内（在热模拟实验条件下），冷却速率为120℃. s1时试样中M/A岛的体积分数和形貌分布对力 学性能的改善最有利. 图7不同终轧温度下试样的扫描电镜照片.(a)820℃；(b) 3.2终轧温度 900℃：(c)920℃：(d)940℃ Fig.7 SEM images of samples at different finish rolling tem- 随着终轧温度的升高，试样中准多边形铁素体 peratures:(a)820℃：(b)900℃：(c）920℃：(d)940℃ 增多且尺寸增大.其原因是：终轧温度升高时、多 边形铁素体的形成由于形核驱动力的降低而受到限 3讨论 制：而准多边形铁素体的转变属于块状转变，新相 3.1冷却速率 和母相的成分相同，不需要长程扩散，只要新相原 在40140℃s-1的范围内，随着冷却速率的 子越过界面即可生长，且新相与母相的界面都是非 增大，试样中铁素体晶粒尺寸减小，但变化不大. 共格大角度晶界，转变速度快9，终轧温度升高时， 其原因是形核驱动力与过冷度成正比，即过冷度越 变形奥氏体内部的缺陷密度降低，奥氏体的稳定性 大，形核驱动力越大，形核率越高，晶粒越细.驱动 有所增加，只要过冷至新相和母相自由能相同的温 力随过冷度的增大而增加，而相变中冷却速度的增 度，就能发生转变，因此当终轧温度升高时准多边 大会引起过冷度的增大，从而影响形核驱动力并导 形铁素体数量明显增多， 致形核速率的变化.但是，冷却速率对细化晶粒的 另外随着终轧温度的升高，试样中铁素体晶粒 作用有限，冷却速率过大反而会影响铁素体相变. 尺寸增大，但相差不大.有下述几个方面的原因：首 在40~140℃s1的范围内，随着冷却速率的先终轧温度越高，变形奥氏体的回复和再结晶速率 增大，试样中M/A岛的体积分数呈现出先增大后越快，会导致其内部的形变储存能和位错密度降低， 减小的趋势，M/A岛品粒尺寸变化相反.冷却速率 铁素体的形核驱动力和形核率越低：其次终轧温度 对M/A岛的形成有两方面的作用：一方面，结合 越高，Ti、Mo、Nb等微合金元素的溶解度越高，析 相变动力学和热力学，冷却速率越大，形核激活能 出物的数量越少，随后的相变形核点越少1；再次， 越大，形核速率也越大，其相变后的晶粒越细小均 经过蔡庆伍等山研究发现，随着轧制温度的升高

·188 北京科技大学学报 第35卷 奥氏体再结晶分数升高，得到更多细化的奥氏体晶 steel.Mater Sci Eng A,2006,441(1/2):215 粒，在一定程度上能细化铁素体晶粒 [4]Wang C M,Wu X F,Liu J,et al.Transmission electron 在高温终轧温度范围内，随着终轧温度的升 microscopy of martensite/austenite islands in pipeline 高，试样中M/A岛的体积分数略有降低.在高温 steel X70.Mater Sci Eng A,2006,438/440:267 [5 Yang J H,Liu Q Y,Sun D B,et al.Effect of rolling pro 终轧温度范围内，变形奥氏体发生一定的回复和再 cessing on the microstructure and M/A islands in a X70 结晶，其位错密度比低温终轧要低，变形奥氏体更 grade pipeline steel.J Univ Sci Technol Beijing,2009, 稳定，经过随后的快速冷却过程更容易转变成马氏 31(2:180 体或残余奥氏体形成M/A岛. (杨景红，刘清友，孙冬柏，等.轧制工艺对微合金管线钢 参考3.1节中M/A岛的体积分数和形状分布 组织及M/A岛的影响.北京科技大学学报，2009.31(2)： 对管线钢力学性能的影响，在热模拟实验条件下， 180) 高温终轧温度范围内(900~940℃)终轧温度为920 [6]Liao B,Xiao F R.Research on microstructure and ℃时对力学性能的改善最有利. strength-toughening mechanism of acicular ferrite pipeline steel.Trans Mater Heat Treat,2009,30(2):57 4结论 (摩波，肖福仁.针状铁素体管线钢组织及强韧化机理研究. 材料热处理学报，2009,30(2)：57) (1)在40~140℃·s1的范围内，随着冷却速 [7]Tong K,Zhuang C J,Liu Q,et al.Microstructure charac- 率的增大，试样中的铁素体晶粒尺寸变小，但相差 teristics of M/A islands in high grade pipeline steel and its 最大不超过1um,且M/A岛的体积分数呈现出先 effect on mechanical properties.Mater Mech Eng,2011, 增大后减小的趋势，M/A岛晶粒尺寸变化相反，在 35(2):4 冷却速率为120℃s-1时试样中的M/A岛的体积 (仝珂，庄传品，刘强，等.高钢级管线钢中M/A岛的徽观 分数最大，晶粒尺寸最小.热模拟条件下，冷却速 特征及其对力学性能的影响.机械工程材料，2011,35(2： 率为120℃s-1时对试样力学性能的改善最有利. 4) (2)提高终轧温度，超快冷后多边形铁素体和 8 Liu L,Zhao Y J,Wang X F.Influence of MA island on property in the high strength micro-alloy pipeline steel 针状铁素体的晶粒尺寸均略微增大，针状铁素体变 Nansteel Sci Technol Manage,2008(1):1 短变宽，且准多边形铁素体量增加和晶粒尺寸增大； (刘莉，赵亚娟，王秀芳.高强度微合金管线钢中的MA岛 高温终轧使M/A岛的体积分数提高，且终轧温度 对性能的影响.南钢科技与管理，2008(1)：1) 在900940℃范围内，随着终轧温度的升高，M/A [9]Weng Y Q,Kong L H,Wang G D,et al.Ultra-Fine 岛的体积分数略减小，而M/A岛晶粒尺寸有长大 Grained Steels:the Steel Organization Refinement Theory 的趋势. and Control Technology.Beijing:Metallurgical Industry Press,2003 (翁宇庆，孔令航，王国栋，等.超细晶钢：钢的组织细化理 参考文献 论与控制技术.北京：冶金工业出版社，2003) [10]Zheng X F,Kang Y L,Meng D L,et al.Effects of finish [1]Xu K D.The 20th century-ferrous metallurgy advanced rolling temperature on the microstructure and mechani- towards engineering science from skill.Shanghai Met cal properties of X80 high deformability pipeline steel.J 2001,24(1):1 Univ Sci Technol Beijing,2011,33(5):557 (徐匡迪.20世纪一治金从技艺走向工程科学.上海金 (郑晓飞，康永林，孟德亮，等.终轧温度对X80抗大变形 属，2001.24(1)：1) 管线钢组织性能的影响.北京科技大学学报，2011,33(5)： [2]Wang G D,Yao S J.Ultra-fast cooling technology and its 557) industrialization practice.Angang Technol,2009(6):1 [11]Cai Q W,Liu J S,Yu W.Study of the behavior of austen- (王国栋，姚圣杰.超快速冷却工艺及其工业化实践.鞍钢 ite recrystallization of Mn-Nb-Mo serics X70 pipeline 技术，20096)：1) steel.Steel Rolling,2005,22(1):7 [3]Shanmugam S,Misra R D K,Hartmann J,et al.Mi- (蔡庆伍，刘晋珊，余伟.Mn-Nb-Mo系X70级管线钢奥氏 crostructure of high strength niobium-containing pipeline 体再结晶规律的研究.轧钢，2005,22(1)：7)