D0I:10.13374/i.i8sn1001t53.2010.04.006 第32卷第4期 北京科技大学学报 Vol 32 No 4 2010年4月 Journal of Un iversity of Science and Techno logy Beijng Apr.2010 热连轧生产厚规格X80管线钢的静态再结晶行为及 工艺优化 刘文斌 )康永林1)牛涛)李彬) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)首钢迁钢公司热轧分厂，迁安064404 3)北京科技大学新金属国家重点实验室，北京100083 摘要通过双道次压缩实验对首钢迁安公司2160热连轧生产的厚规格X80管线钢形变奥氏体静态再结晶行为进行了研 究，依据实验规律对生产工艺进行了改进与优化·通过力学拉伸、冲击及落锤实验，对改进工艺后生产的X80钢的综合性能进 行了检测，利用光学显微镜、扫描电镜和透射电镜对X80钢卷显微组织进行了观察分析·结果表明：变形温度是影响奥氏体静 态再结晶行为的主要因素：微合金碳氨化物的析出抑制了再结晶的进行，使软化率曲线出现了平台：利用实验结果回归计算 出了X80管线钢的静态再结晶激活能为380kmo,并根据文献研究讨论了结果的合理性.通过工艺改进与优化，所生产 X80钢卷的显微组织细小均匀，呈现典型的针状铁素体特征；析出相中主要包含复合的(TiNb)(CN)以及单个的NbC:X80 钢卷棒状试样的拉伸性能较相关标准均有较大富余量，尤其在冲击、落锤性能方面表现出了良好的低温韧性· 关键词管线钢：连续轧制：静态再结晶：组织：力学性能 分类号TG142.1 Static recrystallization behavior and technological im provem ent of X80 pipeline steel w ith heavy th ickness produced by hot continuous rolling LIU Wen in3,KANG Yong-lin 3),NIU Tao),LI B in) 1)School ofMaterials Science and Engineering University of Science and Technolgy Beijing Beijing 100083 China 2)Hot Rolling Phnt of Shougang Q iangang Qian 'an 064404.China 3)State Key Laboratory for Advanced Metals and Materals University of Science and Technology Beijing Beijng 100083 China ABSTRACT The static recrystallization behav ior of defomed austen ite in X80 pipeline steel w ith heavy thickness manufactured by the 2160 Hot Continuous Rolling Production Line in Shougang Q iangang was investigated by double hit campression experinent Ac- coring to the results the production technolgy was inproved and optin ized The mechanical pmoperties of X80 pipeline steel obtained by the opti ized production technology were tested using tensile mpacting and drop weight tearing tests(DW TT).The m icrostmucture was observed and analyzed using opticalm icroscope (OM).scanning electron m icroscope (SEM)and transn ission electron m icroscope (TEM).It is shown that defomation temperature is the main factor that infuences the static recrystallization behavior Carbonitride precipitation inhibits recrystallization and causes a plateau in the softening ratio curve The static recrystallization activation energy of X80 pipelne steel was regressed and calculated to be 380kmol,and its mtionality was also discussed according to previous refer ences and investigations A fter the technology optin ization the m icmostructure ofX80 pipeline steel is unifom and refined and repre- sents typical acicular characteristics Precipitates in the steelmainly include the complex (Ti Nb)(C N)and single NbC particles The tensile pmoperties ofX80 steel tested with bar specmnens)exceed relevant standands a lot especially the toughness at bw temper ature such as in pacting and DWTT properties is excellent KEY WORDS pipeline stee continuous mlling static recrystallization:m icrostructures mechanical properties 收稿日期：2009-09-04 基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目(N。2009AA03Z518) 作者简介：刘文斌(1964)男，博士研究生：康永林(195)男，教授，博士生导师，Email kangyli@maler ust山edcm
第 32卷 第 4期 2010年 4月 北 京 科 技 大 学 学 报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ Ｖｏｌ．32Ｎｏ．4 Ａｐｒ．2010 热连轧生产厚规格 Ｘ80管线钢的静态再结晶行为及 工艺优化 刘文斌 12） 康永林 13） 牛 涛 1） 李 彬 2） 1） 北京科技大学材料科学与工程学院北京 100083 2） 首钢迁钢公司热轧分厂迁安 064404 3） 北京科技大学新金属国家重点实验室北京 100083 摘 要 通过双道次压缩实验对首钢迁安公司 2160热连轧生产的厚规格 Ｘ80管线钢形变奥氏体静态再结晶行为进行了研 究依据实验规律对生产工艺进行了改进与优化．通过力学拉伸、冲击及落锤实验对改进工艺后生产的 Ｘ80钢的综合性能进 行了检测利用光学显微镜、扫描电镜和透射电镜对 Ｘ80钢卷显微组织进行了观察分析．结果表明：变形温度是影响奥氏体静 态再结晶行为的主要因素；微合金碳氮化物的析出抑制了再结晶的进行使软化率曲线出现了平台；利用实验结果回归计算 出了 Ｘ80管线钢的静态再结晶激活能为 380ｋＪ·ｍｏｌ －1并根据文献研究讨论了结果的合理性．通过工艺改进与优化所生产 Ｘ80钢卷的显微组织细小均匀呈现典型的针状铁素体特征；析出相中主要包含复合的 （ＴｉＮｂ） （ＣＮ）以及单个的 ＮｂＣ；Ｘ80 钢卷棒状试样的拉伸性能较相关标准均有较大富余量尤其在冲击、落锤性能方面表现出了良好的低温韧性． 关键词 管线钢；连续轧制；静态再结晶；组织；力学性能 分类号 ＴＧ142∙1 ＳｔａｔｉｃｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎｂｅｈａｖｉｏｒａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆＸ80ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｓｔｅｅｌｗｉｔｈｈｅａｖｙｔｈｉｃｋｎｅｓｓｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙｈｏｔｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｒｏｌｌｉｎｇ ＬＩＵＷｅｎ-ｂｉｎ 12）ＫＡＮＧＹｏｎｇ-ｌｉｎ 13）ＮＩＵＴａｏ 1）ＬＩＢｉｎ 2） 1） ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇＢｅｉｊｉｎｇ100083Ｃｈｉｎａ 2） ＨｏｔＲｏｌｌｉｎｇＰｌａｎｔｏｆＳｈｏｕｇａｎｇＱｉａｎｇａｎｇＱｉａｎʾａｎ064404Ｃｈｉｎａ 3） ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＡｄｖａｎｃｅｄＭｅｔａｌｓａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇＢｅｉｊｉｎｇ100083Ｃｈｉｎａ 收稿日期：2009--09--04 基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目 （Ｎｏ．2009ＡＡ03Ｚ518） 作者简介：刘文斌 （1964－ ）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 ＡＢＳＴＲＡＣＴ ＴｈｅｓｔａｔｉｃｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｄｅｆｏｒｍｅｄａｕｓｔｅｎｉｔｅｉｎＸ80ｐｉｐｅｌｉｎｅｓｔｅｅｌｗｉｔｈｈｅａｖｙｔｈｉｃｋｎｅｓｓｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄｂｙ ｔｈｅ2160ＨｏｔＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＲｏｌｌｉｎｇＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎＬｉｎｅｉｎＳｈｏｕｇａｎｇＱｉａｎｇａｎｇｗａｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｂｙｄｏｕｂｌｅｈｉｔｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．Ａｃ- ｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗａｓｉｍｐｒｏｖｅｄａｎｄｏｐｔｉｍｉｚｅｄ．ＴｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＸ80ｐｉｐｅｌｉｎｅｓｔｅｅｌｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗｅｒｅｔｅｓｔｅｄｕｓｉｎｇｔｅｎｓｉｌｅｉｍｐａｃｔｉｎｇａｎｄｄｒｏｐｗｅｉｇｈｔｔｅａｒｉｎｇｔｅｓｔｓ（ＤＷＴＴ）．Ｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗａｓｏｂｓｅｒｖｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄｕｓｉｎｇｏｐｔｉｃａｌｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＯＭ）ｓｃａｎｎｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＳＥＭ） ａｎｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ （ＴＥＭ）．Ｉｔｉｓｓｈｏｗｎｔｈａｔｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｓｔｈｅｍａｉｎｆａｃｔｏｒｔｈａｔｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｔｈｅｓｔａｔｉｃｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎｂｅｈａｖｉｏｒ．Ｃａｒｂｏｎｉｔｒｉｄｅ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎｉｎｈｉｂｉｔｓｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎａｎｄｃａｕｓｅｓａｐｌａｔｅａｕｉｎｔｈｅｓｏｆｔｅｎｉｎｇｒａｔｉｏｃｕｒｖｅ．Ｔｈｅｓｔａｔｉｃｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎａｃｔｉｖａｔｉｏｎｅｎｅｒｇｙｏｆ Ｘ80ｐｉｐｅｌｉｎｅｓｔｅｅｌｗａｓｒｅｇｒｅｓｓｅｄａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｅｄｔｏｂｅ380ｋＪ·ｍｏｌ －1ａｎｄｉｔｓｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙｗａｓａｌｓｏｄｉｓｃｕｓｓｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｐｒｅｖｉｏｕｓｒｅｆｅｒ- ｅｎｃｅｓａｎｄｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓ．ＡｆｔｅｒｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＸ80ｐｉｐｅｌｉｎｅｓｔｅｅｌｉｓｕｎｉｆｏｒｍａｎｄｒｅｆｉｎｅｄａｎｄｒｅｐｒｅ- ｓｅｎｔｓｔｙｐｉｃａｌａｃｉｃｕｌａｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅｓｉｎｔｈｅｓｔｅｅｌｍａｉｎｌｙｉｎｃｌｕｄｅｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘ（ＴｉＮｂ） （ＣＮ） ａｎｄｓｉｎｇｌｅＮｂＣｐａｒｔｉｃｌｅｓ． ＴｈｅｔｅｎｓｉｌｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＸ80ｓｔｅｅｌ（ｔｅｓｔｅｄｗｉｔｈｂａｒｓｐｅｃｉｍｅｎｓ） ｅｘｃｅｅｄｒｅｌｅｖａｎｔｓｔａｎｄａｒｄｓａｌｏｔ；ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｔｈｅｔｏｕｇｈｎｅｓｓａｔｌｏｗｔｅｍｐｅｒ- ａｔｕｒｅｓｕｃｈａｓｉｍｐａｃｔｉｎｇａｎｄＤＷＴＴｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｉｓｅｘｃｅｌｌｅｎｔ． ＫＥＹＷＯＲＤＳ ｐｉｐｅｌｉｎｅｓｔｅｅｌ；ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｒｏｌｌｉｎｇ；ｓｔａｔｉｃｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ；ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ DOI :10．13374／j．issn1001－053x．2010．04．006
第4期 刘文斌等：热连轧生产厚规格X80管线钢的静态再结晶行为及工艺优化 ,445. 作为我国21世纪的又一项重大工程，西气东输 线钢组织性能有了明显改善，目前己为西气东输 二线管道工程的启动使我国的高级别管线钢发展事 二线供货35万t产品性能良好，并为企业带来 业上升到一个新的台阶，管线设计压力高达 了显著的经济效益与社会效益 12MPa其中4945m的干线全部采用X80高强度 1实验材料及方法 管线钢，目前X80螺旋埋弧焊采用热轧卷板的最厚 规格(18.4mm),且综合力学性能要求严格，产品规 实验用钢为首钢迁钢公司2160热连轧生产线 格和性能要求代表着X80热轧板卷的最高水平四， 生产的18.4mmX80管线钢卷，采用低碳、低磷以及 管线一旦建成，将成为全球最长、输气量最大的单期 铌、钛微合金化的合金设计，主要的化学成分（质量 工程，并成为日趋完善的中国天然气管网的 分数，%)为：C0.040.06Si0.15一0.25 主梁 Mn1.7~1.9:≤0.012S≤0.003Nb+Ti+V≤ 以往的文献资料中虽然对实验室试制X80 0.15:碳当量Pam≤0.21为了改善X80管线钢韧 管线钢以及现场生产薄规格产品(16mm) 性及提高洁净度，碳、磷、硫和氨的含量应尽可能低 的组织性能进行了部分研究，但厚规格X80管线 同时，为了保证X80管线钢的强韧性，适当添加铜、 钢(18.4mm)既要保证钢的强度，同时还要保证 镍等合金元素，铁水脱硫后经转炉冶炼、LF十RH 优良的低温韧性和抗动态撕裂能力，对控制轧制 真空处理，连铸为厚度230mm的铸坯，经过加热、两 工艺的各关键环节的控制，以及轧后冷却控制提 阶段轧制及轧后控制冷却，卷取生产出厚度规格为 出了更为严格的要求，要实现大批量的稳定生产 18.4mm的X80钢卷 具有很大的难度，再结晶规律对产品的最终组织 利用双道次压缩的实验方法对变形奥氏体在道 与性能都具有至关重要的作用，但在以往的管线 次间隔内的静态再结晶行为进行了研究，将试样加 钢组织性能研究中未能得到足够的重视5).因 工成中8mm×12mm的圆柱，在Gleeble2000热模拟 此，本文结合2160宽带钢热连轧生产线生产 试验机上进行热模拟实验.将试样以20℃·s的速 X80管线钢的工艺，基于以往的研究)基础，在 度加热至1200℃后，保温5mn然后以5℃·s冷 道次变形量与变形速率等实验参数方面进行了 速冷却至温度T保温1mn接着进行两道次变形， 改进，更加符合现场实际生产条件，通过对再结 中间间隔一定时间t最后将试样淬火至室温，实验 晶规律的研究以及工艺的优化，所生产的X80管 工艺路线如图1所示. 1200℃，保温5min 5℃4 e-0.3.-5%+ 0-0.3.c=5s M M 温度T, 间隔时间 20℃s 保温1min 水淬 T=950.1000.1050,1100℃ =13.8.10.20.100* 时间s 图1双道次压缩实验工艺路线 Fig 1 Doublehit campression testing schemne 采用AP标准试样对工艺改进后的批量生产产 品进行力学拉伸、冲击及落锤性能检测，在成品卷 2实验结果分析与讨论 上取样，经研磨抛光后采用49%硝酸酒精溶液浸蚀， 2.1X80管线钢的静态再结晶行为 利用光学显微镜观察板厚14处的显微组织，分别 2.1.1静态再结晶百分数 采用电解双喷与碳复型萃取的方法制取透射试样， 由双道次压缩实验得到不同实验参数下的应 并在JSM2000透射电镜下观察其显微结构与析出 力应变曲线，并确定相应温度下道次间歇时间内的 粒子形貌与分布 软化率，研究方法主要有卸载法、后推法和平均流变
第 4期 刘文斌等： 热连轧生产厚规格 Ｘ80管线钢的静态再结晶行为及工艺优化 作为我国 21世纪的又一项重大工程西气东输 二线管道工程的启动使我国的高级别管线钢发展事 业上 升 到 一 个 新 的 台 阶．管 线 设 计 压 力 高 达 12ＭＰａ其中 4945ｋｍ的干线全部采用 Ｘ80高强度 管线钢．目前 Ｘ80螺旋埋弧焊采用热轧卷板的最厚 规格 （18∙4ｍｍ）且综合力学性能要求严格产品规 格和性能要求代表着 Ｘ80热轧板卷的最高水平 ［1］． 管线一旦建成将成为全球最长、输气量最大的单期 工程并 成 为 日 趋 完 善 的 中 国 天 然 气 管 网 的 主梁 ［2］． 以往的文献资料中虽然对实验室试制 Ｘ80 管线钢 ［3］以及现场生产薄规格产品 （16ｍｍ） ［4］ 的组织性能进行了部分研究但厚规格 Ｘ80管线 钢 （18∙4ｍｍ）既要保证钢的强度同时还要保证 优良的低温韧性和抗动态撕裂能力对控制轧制 工艺的各关键环节的控制以及轧后冷却控制提 出了更为严格的要求要实现大批量的稳定生产 具有很大的难度．再结晶规律对产品的最终组织 与性能都具有至关重要的作用但在以往的管线 钢组织性能研究中未能得到足够的重视 ［5--6］．因 此本文 结 合 2160宽 带 钢 热 连 轧 生 产 线 生 产 Ｘ80管线钢的工艺基于以往的研究 ［7］基础在 道次变形量与变形速率等实验参数方面进行了 改进更加符合现场实际生产条件．通过对再结 晶规律的研究以及工艺的优化所生产的 Ｘ80管 线钢组织性能有了明显改善目前已为西气东输 二线供货 35万 ｔ产品性能良好并为企业带来 了显著的经济效益与社会效益． 1 实验材料及方法 实验用钢为首钢迁钢公司 2160热连轧生产线 生产的 18∙4ｍｍＸ80管线钢卷采用低碳、低磷以及 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∙04～0∙06；Ｓｉ0∙15～0∙25； Ｍｎ1∙7～1∙9；Ｐ≤0∙012；Ｓ≤0∙003；Ｎｂ＋Ｔｉ＋Ｖ≤ 0∙15；碳当量 Ｐｃｍ≤0∙21；为了改善 Ｘ80管线钢韧 性及提高洁净度碳、磷、硫和氮的含量应尽可能低． 同时为了保证 Ｘ80管线钢的强韧性适当添加铜、 镍等合金元素．铁水脱硫后经转炉冶炼、ＬＦ＋ＲＨ 真空处理连铸为厚度230ｍｍ的铸坯经过加热、两 阶段轧制及轧后控制冷却卷取生产出厚度规格为 18∙4ｍｍ的 Ｘ80钢卷． 利用双道次压缩的实验方法对变形奥氏体在道 次间隔内的静态再结晶行为进行了研究．将试样加 工成 ●8ｍｍ×12ｍｍ的圆柱在 Ｇｌｅｅｂｌｅ2000热模拟 试验机上进行热模拟实验．将试样以 20℃·ｓ －1的速 度加热至 1200℃后保温 5ｍｉｎ然后以 5℃·ｓ －1冷 速冷却至温度 Ｔ保温 1ｍｉｎ接着进行两道次变形 中间间隔一定时间 ｔ最后将试样淬火至室温．实验 工艺路线如图 1所示． 图 1 双道次压缩实验工艺路线 Ｆｉｇ．1 Ｄｏｕｂｌｅ-ｈｉｔｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｔｅｓｔｉｎｇｓｃｈｅｍｅ 采用 ＡＰＩ标准试样对工艺改进后的批量生产产 品进行力学拉伸、冲击及落锤性能检测．在成品卷 上取样经研磨抛光后采用 4％硝酸酒精溶液浸蚀 利用光学显微镜观察板厚 1／4处的显微组织．分别 采用电解双喷与碳复型萃取的方法制取透射试样 并在 ＪＳＭ2000透射电镜下观察其显微结构与析出 粒子形貌与分布． 2 实验结果分析与讨论 2∙1 Ｘ80管线钢的静态再结晶行为 2∙1∙1 静态再结晶百分数 由双道次压缩实验得到不同实验参数下的应 力--应变曲线并确定相应温度下道次间歇时间内的 软化率研究方法主要有卸载法、后推法和平均流变 ·445·
,446 北京科技大学学报 第32卷 应力法等.本文采取应力补偿法，真应变值取0.02 有了明显的提高，通常认为静态百分数X=15%~ 采用应力补偿法计算静态再结晶百分数X: 20%时开始发生再结晶，静态软化率X≥90%时就 品 可以认为完成完全再结晶，因此在较低温度下，如 (1) 950℃和1000℃时，100s的间歇时间内都未达到完 式中，om为第1次加载结束时的应力，o1为第1次 全再结晶.950℃的软化率曲线出现了平台，说明微 加载时的屈服应力，·2为第2次加载时的屈服应 合金元素碳氮化合物的析出先于再结晶过程，从而 力，根据上式计算出各个温度在不同道次间隔时间 导致位错的迁移和亚晶界、晶界的迁移受阻，阻碍了 内的静态百分数，并据此绘出静态动力学曲线 再结晶的进行[8).在较高温度下，如1050℃和 不同工艺参数对X80管线钢静态再结晶百分 1100℃时，软化率增长很快，在很短的道次间隔时 率的影响如图2所示.由实验结果可以看出，在相 间内就达到了完全再结晶· 同的道次间歇时间内，随着温度的上升，再结晶分数 110 110 -■-950℃ 3s 90 -0-1000℃ -10 204 70 ×50 30 -▲-1050℃ -7-1100℃ 950 10001050 1100 101 lo 温度℃ 时间 图2不同参数对静态再结晶百分数的影响.(a)变形温度；(b)道次间隔时间 Fig 2 Effects of different parmneters on the recrystallization percentage of static recrystallization (a)defomation tomperatuns (b)interval tine 2.1.2静态再结晶动力学模型及激活能 通过化学成分影响激活能Q来实现的，用化学成 X80钢的奥氏体静态再结晶的动力学可用 分经验公式法求静态再结晶激活能Qmx·再结晶激 Avm访程描述[)， 活能与钢种化学成分的关系如下所示： Xs=1-exp[-0.693(t/b.s)"] (2) Qx=124714+28385.68[Mn]+ 式中，X为再结晶百分数，t为时间，6.5为再结晶百 64716.68[Si]+7277.540[Mo]+ 分数为50%时的时间，n为与材料有关的常数，t. 76830.32[Ti].13+121100.37[Nb]°1(5) 可用下式表示： 计算的X80管线钢静态再结晶激活能Qx约 6.5=AePE"D'exp(QsRx/RT) (3) 为330k小moT,与实验结果相比略低，这一点在其 式中，D为晶粒尺寸，mQx为静态再结晶激活 他有关铌钢再结晶激活能研究中的规律相同山. 能，moT;R为气体常数，取值8.314小mo. 在邹天来等21的研究中，成分为C0.024%, K;ARq和s为常数. Nb0.0999%的高铌管线钢的静态再结晶激活能为 338kmo;而在周晓峰的研究表明，C含量的 对式(3)两边取对数，有 增加可以增加静态再结晶激活能，本文的实验材料 hb.5=hA十phe十qne十snD十QX/RT(4) Nb含量与0.99%接近，而C含量约为0.06%，因此 由上式可见，再结晶激活能Qx尔为n0.s与 静态再结晶激活能比338kmo厂略高，说明实验 1T关系的斜率.由实验结果确定不同变形参数下 结果是合理的， 的.s值，并对nt.s与1尔进行线性回归得n= 2.2X80管线钢的组织性能 0.443相关系数R=0.925,X80管线钢的静态再结 在管线钢的控制轧制过程中，静态再结晶的发 晶激活能Qsx≈380kmoT. 生将导致前期变形过程产生的位错消失，从而不利 金属的静态再结晶激活能Qx与变形条件基 于变形的积累，因此，在轧制过程尤其是精轧过程 本无关，而钢的化学成分影响再结晶激活能).钢 中控制变形奥氏体的静态再结晶行为，对组织细化 种的化学成分对静态再结晶有显著的影响，主要是 和均匀化程度的提高以及混晶等组织缺陷的避免十
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 应力法等．本文采取应力补偿法真应变值取 0∙02． 采用应力补偿法计算静态再结晶百分数 ＸＳ： ＸＳ＝ σｍ －σ1 σｍ －σ2 （1） 式中σｍ 为第 1次加载结束时的应力σ1 为第 1次 加载时的屈服应力σ2 为第 2次加载时的屈服应 力．根据上式计算出各个温度在不同道次间隔时间 内的静态百分数并据此绘出静态动力学曲线． 不同工艺参数对 Ｘ80管线钢静态再结晶百分 率的影响如图 2所示．由实验结果可以看出在相 同的道次间歇时间内随着温度的上升再结晶分数 有了明显的提高．通常认为静态百分数ＸＳ＝15％ ～ 20％时开始发生再结晶静态软化率 ＸＳ≥90％时就 可以认为完成完全再结晶．因此在较低温度下如 950℃和 1000℃时100ｓ的间歇时间内都未达到完 全再结晶．950℃的软化率曲线出现了平台说明微 合金元素碳氮化合物的析出先于再结晶过程从而 导致位错的迁移和亚晶界、晶界的迁移受阻阻碍了 再结晶的 进 行 ［8］．在 较 高 温 度 下如1050℃ 和 1100℃时软化率增长很快在很短的道次间隔时 间内就达到了完全再结晶． 图 2 不同参数对静态再结晶百分数的影响．（ａ） 变形温度；（ｂ） 道次间隔时间 Ｆｉｇ．2 Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｎｔｈｅｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎｐｅｒｃｅｎｔａｇｅｏｆｓｔａｔｉｃｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ：（ａ） ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；（ｂ） ｉｎｔｅｒｖａｌｔｉｍｅ 2∙1∙2 静态再结晶动力学模型及激活能 Ｘ80钢的奥氏体静态再结晶的动力学可用 Ａｖｒａｍｉ方程描述 ［9］： ＸＳ＝1－ｅｘｐ［ －0∙693（ｔ／ｔ0∙5） ｎ ］ （2） 式中ＸＳ为再结晶百分数ｔ为时间ｔ0∙5为再结晶百 分数为 50％时的时间ｎ为与材料有关的常数．ｔ0∙5 可用下式表示： ｔ0∙5＝Ａε ｐε ·ｑＤ ｓｅｘｐ（ＱＳＲＸ／ＲＴ） （3） 式中Ｄ为晶粒尺寸μｍ；ＱＳＲＸ为静态再结晶激活 能Ｊ·ｍｏｌ －1；Ｒ为气体常数取值 8∙314Ｊ·ｍｏｌ －1· Ｋ －1；Ａ、ｐ、ｑ和 ｓ为常数． 对式 （3）两边取对数有 ｌｎｔ0∙5＝ｌｎＡ＋ｐｌｎε＋ｑｌｎε · ＋ｓｌｎＤ＋ＱＳＲＸ／ＲＴ （4） 由上式可见再结晶激活能 ＱＳＲＸ／Ｒ为 ｌｎｔ0∙5与 1／Ｔ关系的斜率．由实验结果确定不同变形参数下 的 ｔ0∙5值并对 ｌｎｔ0∙5与 1／Ｔ进行线性回归得 ｎ＝ 0∙443相关系数 Ｒ＝0∙925Ｘ80管线钢的静态再结 晶激活能 ＱＳＲＸ≈380ｋＪ·ｍｏｌ －1． 金属的静态再结晶激活能 ＱＳＲＸ与变形条件基 本无关而钢的化学成分影响再结晶激活能 ［10］．钢 种的化学成分对静态再结晶有显著的影响主要是 通过化学成分影响激活能 ＱＳＲＸ来实现的．用化学成 分经验公式法求静态再结晶激活能 ＱＳＲＸ．再结晶激 活能与钢种化学成分的关系如下所示： ＱＳＲＸ ＝124714＋28385∙68［Ｍｎ］ ＋ 64716∙68［Ｓｉ］ ＋7277∙540［Ｍｏ］ ＋ 76830∙32［Ｔｉ］ 0∙123＋121100∙37［Ｎｂ］ 0∙1 （5） 计算的 Ｘ80管线钢静态再结晶激活能 ＱＳＲＸ约 为 330ｋＪ·ｍｏｌ －1与实验结果相比略低这一点在其 他有关铌钢再结晶激活能研究中的规律相同 ［11］． 在邹 天 来 等 ［12］ 的 研 究 中成 分 为 Ｃ 0∙024％ Ｎｂ0∙099％的高铌管线钢的静态再结晶激活能为 338ｋＪ·ｍｏｌ －1；而在周晓峰 ［13］的研究表明Ｃ含量的 增加可以增加静态再结晶激活能．本文的实验材料 Ｎｂ含量与 0∙99％接近而 Ｃ含量约为 0∙06％因此 静态再结晶激活能比 338ｋＪ·ｍｏｌ －1略高说明实验 结果是合理的． 2∙2 Ｘ80管线钢的组织性能 在管线钢的控制轧制过程中静态再结晶的发 生将导致前期变形过程产生的位错消失从而不利 于变形的积累．因此在轧制过程尤其是精轧过程 中控制变形奥氏体的静态再结晶行为对组织细化 和均匀化程度的提高以及混晶等组织缺陷的避免十 ·446·
第4期 刘文斌等：热连轧生产厚规格X80管线钢的静态再结晶行为及工艺优化 ,447. 分重要，在X80管线钢的开发初期，试制的产品中 分布的MA岛状组织能阻碍位错运动和疲劳裂 经常出现组织混晶的现象，导致了低温韧性尤其是 纹扩展，不易因应力集中而诱发裂纹，并使其长 落锤性能的不合格.通过上述研究，对现场的工艺 度小于裂纹失稳扩展的临界尺寸，可提高钢材的 制度进行相应调整，如降低第2阶段开轧温度、加快 强度和DwTT值5-).在透射电镜下观察组织 轧制节奏以及缩短道次间歇时间，产品的组织性能 的精细结构，如图3（©）所示，针状铁素体板条组 得到了显著的改善 织的内部和晶界处可以观察到高密度的位错以 2.2.1X80管线钢的显微组织特征 及在位错上析出的第2相粒子，基体组织主要以 如图3(a)、(b)所示，X80管线钢的显微组织呈 块状铁素体和板条铁素体为主，板条大小从几百 现典型的针状铁素体特征：晶界方向各异，每个晶粒 纳米到几纳米不等；板条铁素体的晶体学方向各 都有各自的生长方向，呈混杂分布状态)，组织细 异，有利于抵抗裂纹的扩展，提高止裂韧性·高密 化与均匀化程度都很高，平均晶粒尺寸均在5“m左 度的位错结构不仅有利于提高针状铁素体的强 右；组织中细小的MA岛弥散分布于铁素体晶界上 度，还有助于材料在受到外力而发生变形时在裂 或晶粒内部，形状呈规则的球形，尺寸多为1~2m 纹的尖端产生发射位错，形成位错的胞状结构， 研究表明，适当提高细小MA岛的体积分数不仅对 及时钝化裂纹，使裂纹扩展受阻，从而对提高其 强度的提高起到了良好的辅助作用，同时细小弥散 强韧性非常有利). 20m 100m 500m 图3X80管线钢的显微组织.(a)光学组织；(b)SEM组织：(c)TEM组织 Fig 3 Microstruchures of X80 ppelne steel observed by (a)OM.(b)SEM.and (c)TEM 如图4所示，X80管线钢中的析出粒子分布弥 示，X80管线钢中典型的析出粒子形貌可以分为两 散，大多数粒子尺寸细小.粒子形貌主要是方形和 种：一类为复合析出类型，形貌上主要表现为方形的 椭球形，少数呈长条形或不规则形状，如图4(b)所 粒子一侧或周围复合析出球形或椭球形的粒子，能 200m 20 nm (e9)130 140r Nh 140 110 120 120 100 100 60 30 4680 46 10 468 能量keV 能量AeV 能量keV 图4X80管线钢的显微析出相.(a)分布；(b)形貌，(c)能谱 Fig 4 Precipitates in X80 pipeline steel (a)distribution (b)morphobgy (c)energy spectra
第 4期 刘文斌等： 热连轧生产厚规格 Ｘ80管线钢的静态再结晶行为及工艺优化 分重要．在 Ｘ80管线钢的开发初期试制的产品中 经常出现组织混晶的现象导致了低温韧性尤其是 落锤性能的不合格．通过上述研究对现场的工艺 制度进行相应调整如降低第 2阶段开轧温度、加快 轧制节奏以及缩短道次间歇时间产品的组织性能 得到了显著的改善． 2∙2∙1 Ｘ80管线钢的显微组织特征 如图 3（ａ）、（ｂ）所示Ｘ80管线钢的显微组织呈 现典型的针状铁素体特征：晶界方向各异每个晶粒 都有各自的生长方向呈混杂分布状态 ［14］．组织细 化与均匀化程度都很高平均晶粒尺寸均在 5μｍ左 右；组织中细小的 Ｍ／Ａ岛弥散分布于铁素体晶界上 或晶粒内部形状呈规则的球形尺寸多为1～2μｍ． 研究表明适当提高细小 Ｍ／Ａ岛的体积分数不仅对 强度的提高起到了良好的辅助作用同时细小弥散 分布的 Ｍ／Ａ岛状组织能阻碍位错运动和疲劳裂 纹扩展不易因应力集中而诱发裂纹并使其长 度小于裂纹失稳扩展的临界尺寸可提高钢材的 强度和 ＤＷＴＴ值 ［15--16］．在透射电镜下观察组织 的精细结构如图 3（ｃ）所示针状铁素体板条组 织的内部和晶界处可以观察到高密度的位错以 及在位错上析出的第 2相粒子基体组织主要以 块状铁素体和板条铁素体为主板条大小从几百 纳米到几纳米不等；板条铁素体的晶体学方向各 异有利于抵抗裂纹的扩展提高止裂韧性．高密 度的位错结构不仅有利于提高针状铁素体的强 度还有助于材料在受到外力而发生变形时在裂 纹的尖端产生发射位错形成位错的胞状结构 及时钝化裂纹使裂纹扩展受阻从而对提高其 强韧性非常有利 ［17］． 图 3 Ｘ80管线钢的显微组织．（ａ） 光学组织；（ｂ） ＳＥＭ组织；（ｃ） ＴＥＭ组织 Ｆｉｇ．3 ＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｆＸ80ｐｉｐｅｌｉｎｅｓｔｅｅｌｏｂｓｅｒｖｅｄｂｙ（ａ） ＯＭ（ｂ） ＳＥＭａｎｄ（ｃ） ＴＥＭ 图 4 Ｘ80管线钢的显微析出相．（ａ） 分布；（ｂ） 形貌；（ｃ） 能谱 Ｆｉｇ．4 ＰｒｅｃｉｐｉｔａｔｅｓｉｎＸ80ｐｉｐｅｌｉｎｅｓｔｅｅｌ：（ａ） ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ；（ｂ） ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ；（ｃ） ｅｎｅｒｇｙｓｐｅｃｔｒａ 如图 4所示Ｘ80管线钢中的析出粒子分布弥 散大多数粒子尺寸细小．粒子形貌主要是方形和 椭球形少数呈长条形或不规则形状．如图 4（ｂ）所 示Ｘ80管线钢中典型的析出粒子形貌可以分为两 种：一类为复合析出类型形貌上主要表现为方形的 粒子一侧或周围复合析出球形或椭球形的粒子能 ·447·
,448 北京科技大学学报 第32卷 谱分析表明其主要为高温析出的TN粒子以及在其 图5为现场生产的53批次X80级板卷30取 一侧复合析出的球状NbC:另一种尺寸较小的单个 样方向的棒状试样拉伸实验统计结果，结果表明： 析出粒子呈较规则的方形或球形，主要是NbC粒 板卷屈服强度平均值574MPa较标准要求555MPa 子.大量细小析出物的析出强化为X80管线钢的强 富裕近20MPa抗拉强度平均值676MPa富裕量达 度提高起到了十分重要的作用. 到了50MPa以上；与标准要求的0.94相比，屈强比 2.2.2X80管线钢的力学性能 富裕量较大，平均值在0.85左右 b 最大值643MPa 20 最大值773MPa 最小值555MP 最小值635MPa 平均值574MPa 平均值676MPa 15 5 560 58060 620640 620640660680700720740760780 屈服强度MP: 抗拉强度MPa 10d 最大值265% 最小值213% 最大值0.88 平均值24.1% 8最小值0.81 8 平均值0.85 6 22 23242526 27 0.80 0.82 0.84 0.86 0.88 伸长声你 屈强比 图5X80板卷力学性能统计直方图(n=53)(a)屈服强度；(b)抗拉强度：(c)伸长率：(d)屈强比 Fig5 Mechanical pmoperties histognms of X80 pipeline steel (n-53):(a)yield strength (b)tensile strength (c)elngation:(d)yield- strength ratio 图6为板卷30方向一20℃夏比冲击韧性与 切面积除极少数为8%以外，大部分值都达到了 一15℃落锤性能统计结果.冲击功最低293J最高 100%,产品的低温韧性十分良好. 425J平均362J远高于标准要求的240 J DWTT剪 14a 最大值425」 50 12 最小值293」 平均值362」 最大值100% 最小值93% 平均值99.9% 8 岁30 20 10 80 320 360 400 440 84 92 96 冲击功小 DWTT/ 图6X80板卷冲击(a)与落锤性能(b)统计直方图(n=53) Fig 6 mpact (a)and DWTT pmperties (b)histogrms of X80 pipelne steel (n=53)
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 谱分析表明其主要为高温析出的 ＴｉＮ粒子以及在其 一侧复合析出的球状 ＮｂＣ；另一种尺寸较小的单个 析出粒子呈较规则的方形或球形主要是 ＮｂＣ粒 子．大量细小析出物的析出强化为 Ｘ80管线钢的强 度提高起到了十分重要的作用． 2∙2∙2 Ｘ80管线钢的力学性能 图 5为现场生产的 53批次 Ｘ80级板卷 30°取 样方向的棒状试样拉伸实验统计结果．结果表明： 板卷屈服强度平均值 574ＭＰａ较标准要求 555ＭＰａ 富裕近 20ＭＰａ；抗拉强度平均值 676ＭＰａ富裕量达 到了 50ＭＰａ以上；与标准要求的 0∙94相比屈强比 富裕量较大平均值在 0∙85左右． 图 5 Ｘ80板卷力学性能统计直方图 （ｎ＝53）．（ａ） 屈服强度；（ｂ） 抗拉强度；（ｃ） 伸长率；（ｄ） 屈强比 Ｆｉｇ．5 ＭｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｈｉｓｔｏｇｒａｍｓｏｆＸ80ｐｉｐｅｌｉｎｅｓｔｅｅｌ（ｎ＝53）： （ａ） ｙｉｅｌｄｓｔｒｅｎｇｔｈ； （ｂ） ｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈ； （ｃ） ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ； （ｄ） ｙｉｅｌｄ- ｓｔｒｅｎｇｔｈｒａｔｉｏ 图 6为板卷 30°方向 －20℃夏比冲击韧性与 －15℃落锤性能统计结果．冲击功最低 293Ｊ最高 425Ｊ平均 362Ｊ远高于标准要求的 240Ｊ；ＤＷＴＴ剪 切面积除极少数为 85％以外大部分值都达到了 100％产品的低温韧性十分良好． 图 6 Ｘ80板卷冲击 （ａ）与落锤性能 （ｂ）统计直方图 （ｎ＝53） Ｆｉｇ．6 Ｉｍｐａｃｔ（ａ） ａｎｄＤＷＴＴｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ（ｂ） ｈｉｓｔｏｇｒａｍｓｏｆＸ80ｐｉｐｅｌｉｎｅｓｔｅｅｌ（ｎ＝53） ·448·