管線鋼是指用于輸送石油、天然氣等管道所用的一類具有特殊要求的鋼種，根據厚度和后續形成等方面的不同，可由熱連軋機組、中厚板軋機生產熱板，經螺旋焊接或直縫焊接形成大口徑鋼管。管線鋼應用環境可分為高寒、高硫地區和海底鋪設3類。這些工作環境惡劣的管線，線路長，又不易維護，對質量要求都很嚴格。管線鋼面臨的諸多挑戰包括：油氣田大部分在極地、冰原、荒漠、海洋地區，自然條件較為惡劣，或者為了提高運輸效率，管道的口徑不斷被擴大，輸送壓力不斷被提升。需要管線鋼具有良好的力學性能（厚壁、高強度、高韌性、耐磨性），還應具有大口徑、可焊接性、耐嚴寒低溫性、耐腐蝕性、抗海水和抗氫致開裂（HIC）、抗硫化物應力腐蝕（SSCC）性能等。隨著這些需求的增加管線鋼的級別由原來的X46、X52、X60、X65逐步發展到X70、X80甚至X100、X120等更高級別[1−4]，提高管線鋼的強度級別既能提升管道系統的抗壓能力，進而增加運輸量，又能降低管道壁的厚度，從而降低投入的建設成本，該兩點因素推動了高強管線鋼的研發與產業化。高強度管線鋼的設計一般采用較低的C含量，提高鋼材的塑性和可焊性能，通過添加微量合金元素Nb、V、Ti、Mo、B、Mn元素等[5]，改善鋼的各種性能，再通過控軋控冷工藝，獲得一定的硬化相，比如貝氏體、甚至微量的馬氏體，并通過晶粒細化、微合金的沉淀強化等手段獲得優良的強度和塑性綜合性能。本文以X80管線鋼為研究對象，采用了低C、微合金Nb、V、Ti、Cr、Ni、Mo的成分設計理念，通過實驗室模擬軋制過程和冷卻過程對鋼材組織的影響規律，匹配了多種熱軋的工藝控制方案，從而獲得不同的金相組織，為工業生產制定合理的控制軋制工藝提供制定依據。

1.   實驗材料和方法

應用多功能真空感應爐進行冶煉，獲得如表1所列成分的X80管線鋼鋼錠，然后對鋼錠進行機加工，獲得熱模擬需要的試樣塊，機加工采用帶鋸和線切割方式，最終獲得的試樣尺寸為10 mm×15 mm×20 mm的立方體，備用。

實驗方案：實驗在Gleeble3500動態熱模擬機上進行，模擬加熱爐加熱，粗軋過程、精軋過程等軋制過程，采用交叉實驗，重點模擬了精軋過程，選用不同的精軋開軋溫度、終軋溫度、冷卻速率，模擬不同的卷取溫度，緩冷至室溫，而后使用金相顯微鏡和透射電鏡檢測，觀察其組織和形貌，根據不同參數下得到的組織找到最優的關鍵參數。交叉實驗方案如表2，其中鑄坯加熱溫度為1180 ℃保溫3 min，粗軋1020 ℃變形30%，應變速率15 s–1，試樣壓下的最終厚度為4.0 mm。

2.   實驗結果與分析

通過金相顯微鏡觀察各個工藝的金相組織如圖1所示。

通過場發射掃描電鏡觀察各個工藝下不同試樣的組織形貌如圖2所示。

從以上金相顯微鏡和電鏡實驗檢測可以得出各個實驗條件下，產品的組織，具體見表3。

X80管線鋼若想獲得高的產品機械性能和高的低溫沖擊性能，較為理想的組織為針狀鐵素體（多邊形鐵素體、粒狀貝氏體、貝氏體鐵素體）和多邊形鐵素體的混合組織，隨著加速冷卻速率的提高，可能在組織中出現分布的MA島。

第1種實驗方式，采用相同的軋制工藝，比較不同的冷卻速度和卷取溫度獲得不同的組織（試樣1#~6#）。選用500 ℃卷取溫度時，無論是高冷速還是低冷速，均無法獲得針狀鐵素體，僅能得到貝氏體和先共析鐵素體，因此不適用生產X80產品，無法獲得良好的組織；根本原因是500 ℃卷取時，由于溫度較高，針狀鐵素體轉變難以進行完全，在緩冷過程中有可能形成多邊形鐵素體或發生塊狀轉變，然后在冷卻過程逐漸形成鐵素體和貝氏體的混合組織。

選用350 ℃卷取溫度時，采用冷速大于25 ℃/s，產品也無法獲得針狀鐵素體，僅能得到貝氏體和先共析鐵素體，隨著冷速的增大先共析鐵素體含量減少。而采用冷速為15 ℃/s，獲得的組織為貝氏體、鐵素體、針狀鐵素體、微量MA島，該工藝較為適用生產X80產品。根本原因由于針狀鐵素生成溫度高于貝氏體生成溫度，當350 ℃卷取時，如冷速較高（25 ℃/s以上），針狀鐵素體生成孕育時間不足，針狀鐵素體無法完全形成，僅能在后續冷許過程中生成貝氏體組織；如冷速較低（15 ℃/s），針狀鐵素體生成有充足的孕育時間，則針狀鐵素體組織生成量占主要部分，剩余的奧氏體轉變為貝氏體組織和微量MA島。

第二種實驗方式，采用低溫終軋的試樣方式（試樣7#和8#），無論采用高溫還是低溫的卷取溫度，均能獲得較為理想的組織，根本原因為隨著終軋溫度的降低，奧氏體相變溫度點降低，實驗鋼變形后獲得的組織缺陷及形變能累積作用明顯，針狀鐵素體的形核驅動力加大，形核率增加，從而提供更多的相變形核位置，針狀鐵素體轉變較完全，這時即使較大冷速（32 ℃/s）冷卻至卷曲溫度仍可以形成以針狀鐵素體為主的混合組織。

但是由于終軋溫度較低，對于熱軋機是個很大的挑戰，在產線能力具備的情況下，可以推廣使用，總體趨勢是，終軋溫度降低是有利于形成針狀鐵素體。

3.   結論

（1）采用第1#、4#熱軋工藝，可以得到的組織為貝氏體和少量先共析鐵素體。

（2）采用第2#、5#種熱軋工藝，可以得到先共析鐵素體和貝氏體的雙相組織

（3）采用第3#種熱軋工藝，可以得到的組織為貝氏體和先共析鐵素體和微量MA組織，存在碳化物析出，強度韌性會有所降低。

（4）采用第6#、7#、8#種熱軋工藝，可以得到的組織為貝氏體和鐵素體和針狀鐵素體和微量MA組織，為較理想組織狀態。該三種工藝方案可以實現X80管線鋼組織需求，但是結合軋機能力，第6#試樣方案是較為理想的熱軋工藝。

文章來源——金屬世界