冷却速率对x80管线钢显微组织及力学性能的影响

性能。结果表明：随着冷却速率的降低，试验钢的强度和硬度降低，塑性增大，冲击功先增大后减 小；在较高速率下冷却（NaCl溶液和自来水）后，组织中生成了贝氏体铁素体和少量马氏体板条，马 氏体板条内有大量位错结构和少量碳化物，试验钢具有高的强度和低的变形能力；在较低速率下冷 却（空气）后，组织中形成了多边形铁素体、贝氏体铁素体和少量块状马氏体-奥氏体组织，试验钢的

强度和冲击韧性较低;在适中冷却速率下冷却（机油）后，组织中形成了贝氏体和铁素体的双相组 织，多位向分布的细小贝氏体和邻近贝氏体的高密度位错铁素体使得试验钢具有良好的综合力学

性能和较高的抗大变形能力。关键词：X80管线钢；冷却介质；显微组织；力学性能中图分类号：TG142.1

文献标志码：A

文章编号：1000-3738（2019）10-0053-06Effect of Cooling Rate on Microstructure and Mechanical Properties of

X80 Pipeline SteelMA Jing, LI Wei^jie, MA Anbo, ZHOU Peng, AN Na(School of Aeronautical Materials Engineering, Xi'an Aeronautical Polytechnic Institute, Xi'an 7100, China)Abstract: X80 pipeline steel was heated to above the austenitizing temperature (920 °C) , held for 7 min, and

cooled in different cooling media (10wt% NaCl solution, tap water, engine oil, air, cooling rate decreased in turn).

The microstructure and mechanical properties were studied. The results show that with decreasing cooling rate, the strength and hardness of the test steel decreased, the plasticity increased, and the impact energy increased first and

then decreased. After cooling at relatively high rates (in NaCl solution and tap water), bainite ferrite and a few martensite laths were formed in the microstructure, and many dislocation structures and a few carbides were found

in martensite laths; the test steel had high strength and low deformability. After cooling at a relatively low rate (in

air), polygonal ferrite, bainite ferrite and a few block martensite-austenite structures were formed in the microstructure； the strength and impact toughness of the test steel were low. After cooling at a moderate rate (in

engine oil) , a duplex structure of bainite and ferrite was formed in the microstructure； the multitude direction

distributed bainite and high density dislocation ferrite adjacent to bainite led to good comprehensive mechanical

properties and high resistance to large deformation of the test steel.Key words: X80 pipeline steel；cooling medium；microstructure；mechanical propertyo引言随着油气开采、运输逐渐向偏远和环境恶劣地收稿日期：2019-06-19；修订日期：2019-09-11基金项目：西安航空职业技术学院院级课题项目（17XHZH-006）；陕

西高校青年创新团队项目（2019-73）作者简介:马晶（199O-）女，陕西渭南人，讲师，硕士

区的延伸，长距离输送油气管道不可避免会穿越地 层活动断裂带、地震多发区，以及冻土、疏松黄土区 等地质活动复杂的地区。在地质因素作用下，管道

会因外部非正常载荷干扰而发生屈曲、拉裂、挤毁等 大变形失效〔闵。大变形管线钢就是为适应大位移

环境下管道建设的大变形性能需要而开发的新钢 种，其最常见的显微组织有两种：贝氏体+铁素体

53MATERIALS FOP MECHANICAL ENGINEERING马晶.等：冷却速率对X80空锂显微组织及力学性能的影响（B+F）双相组织、贝氏体+马氏体/奥氏体岛（B+

特性和良好的塑性变形能力。作者根据前期东北大

M-A）双相组织。目前高钢级管线钢一般采用热机械控制工艺

学和国内企业的研究理论，借鉴国外先进的超快冷 却技术原理，采用改变冷却介质实现冷却速率的变

（TMCP）生产,通过细晶强化提高强韧性。由于受

到设备能力、生产操作等条件的，目前TMCP 存在的主要问题是冷却能力不足以及对冷却路径的 控制缺乏灵活性，导致不能满足日益发展的产品开

化来研究不同冷却速率下X80管线钢的显微组织

和力学性能变化规律，为优化管线钢大变形性能提

供依据。发需要。区别于传统的TMCP,基于管线钢低碳、 超低碳的多元合金设计及控制轧制和加速冷却技术 的进步，适度加速冷却新工艺可使管线钢最终获得

1试样制备与试验方法试验材料为宝鸡钢管厂研制的应用于西气东输

二线、三线的X80管线钢板,厚度为18.4 mm,化学 成分见表E利用Linseis L75型热膨胀仪测得试

B+F双相组织;这种多位向分布细小贝氏体和高位 错密度铁素体的双相组织结构赋予了材料高的强韧

验钢的奥氏体化温度为880 °C。%表1试验钢的化学成分（质量分数）Table 1 Chemical composition of test steel (mass)

C0.049Mn1.80Si0.23P0.006SAlNb0.0TiCuCrVMoB0.002 50.0270.0130.170.0180.006 90.28<0.000 1在试验钢板厚中部（沿板厚方向两边对称）横向 加工出尺寸分别为¢11 mmX80 mm和11 mmX

HSV-20型维氏硬度计测试硬度，载荷为98 N,加 载时间15 s。11 mmX60 mm的热处理试样，在DM-25-13型盐 浴炉中进行热处理,盐浴由70%（质量分数,下同）

2试验结果与讨论2.1显微组织BaCl2和30%NaCl组成，加热温度为920匸，保温 时间为7 min,随后分别置于10%NaCl溶液、自来 水、机油、空气等4种介质中冷却至室温。将试验 钢在10%NaCl溶液、自来水、机油、空气中的冷却 方式分别简称为盐水冷却、水冷、油冷和空冷，其

将试验钢升温至920 £奥氏体化并以不同方式

冷却后，原始奥氏体转变生成铁素体、贝氏体和马氏

体等相。由图1可以看出：不同方式冷却后的试验 钢组织均含有铁素体和贝氏体，但是空冷后的组织

冷却速率由高到低依次为盐水冷却、水冷、油冷和 空冷。以铁素体为主，油冷后的组织为铁素体和贝氏体的 双相组织，水冷和盐水冷却后的组织由大量贝氏体

在不同方式冷却后的试样上取样，经砂纸打 磨，机械抛光，用体积分数3%（体积分数,下同）硝 酸酒精溶液腐蚀后，在RECHART MEF3A型光

和少量马氏体组成。由此可见，贝氏体含量随着冷 却速率的增大而增加。由图2可以看出：不同冷却方式下，试验钢中均 生成了贝氏体铁素体（BF）,其特征为平行的板条,

学显微镜（OM）上观察显微组织；使用JSM-6390A 型扫描电镜（SEM）观察微观形貌。将试样机械减 薄至50 pm后，在10%高氯酸和90%醋酸混合溶

板条间为条状的M-A组元，冷却速率愈高,板条愈 细密,M-A组元愈细小。按照针状铁素体的定义和 管道工程界的工程术语页，贝氏体铁素体和粒状贝

液中进行双喷电解，使用JEM 200CX型透射电子 显微镜（TEM）观察微观形貌，电压为200 kVo将

氏体（GB）亦可称为针状铁素体。随着冷却速率增 大，铁素体含量减少，贝氏体含量增加。在空气中冷

不同方式冷却后的试样分别加工成尺寸为

¢10 mmX65 mm 的拉伸试样和 10 mmXlO mmX

却时，试验钢主要生成了多边形铁素体（PF）和少量 贝氏体;盐水冷却速率最大,试验钢中贝氏体含量最

55 mm的夏比冲击试样（开V型缺口），拉伸试样 的标距尺寸为¢5 mmX25 mm。根据ASTM

高-M-A组元最细小。A370,在MT&880型万能试验机上进行室温单轴 拉伸试验，拉伸速度为0.005 mm・minT；根据

由图3可以看出：盐水冷却时的冷却速率较高, 因此贝氏体不仅优先在原始奥氏体晶界形成，还在 过冷奥氏体晶内大量析出，贝氏体板条的尺寸在

ASTM E23,在JBC-500型电子测力冲击试验机上 进行夏比冲击试验，试验温度为一 20 °C。使用0.3-0.5 “m；进一步观察发现,组织中还含有少量的MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERING马晶，等：冷却速率对X80管线钢显微组织及力学性能的影响(c)油冷 (d)空冷图1不同方式冷却后试验钢的显微组织Fig. 1 Microstructures of test steel after cooling by different methods: (a) salt water cooling; (b) water cooling;

(c) oil cooling and (d) air cooling(c)油冷 (d)空冷图2不同方式冷却后试验钢的SEM形貌Fig.2 SEM morphology of test steel after cooling by different methods: (a) salt water cooling; (b) water cooling;

(c) oil cooling and (d) air cooling的马氏体组织，由于马氏体转变温度较低，马氏体板 盐水冷却后的有所增大，宽度约为0.5 pm,板条间 存在着一定量的薄膜状或条状的M-A组元;预先析

条比贝氏体板条细密，尺寸在0.10-0.14 pm；在马 氏体板条内还能观察到大量位错结构，板条间分布 有少量呈魏氏组态的自回火碳化物。因自来水冷却 后的形貌与盐水冷却后的相似，因此未作解释说明»

出的铁素体对原奥氏体的分割作用，促使贝氏体板 条更加短小细密，且多表现为多位向贝氏体板条束

的相互交叉,从而有效降低了晶粒尺寸;在奥氏体向

由图4可以看出：油冷后的贝氏体板条尺寸较 贝氏体转变的切变应力和体积膨胀的作用下，在邻55马晶，等：冷却速率对X80管线钢显微组织及力学性能的影响MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERING(a)奥氏体晶界贝氏体板条 (b)奥氏体晶内贝氏体板条 (¢)马氏体板条(d)马氏体板条内的位错组态 (e)马氏体板条内的碳化物图3盐水冷却后试验钢的TEM形貌Fig.3 TEM morphology of test steel after salt water cooling: (a) bainite lath at austenite grain boundary: (b) bainite lath in austenite grain；(c) martensite lath； (d) dislocation configurations in martenite lath and (e) carbides in martensite lath(a) BF和GB的多位向分布形态(b)铁素体内位错图4油冷后试验钢的TEM形貌Fig.4 TEM morphology of test steel after oil cooling: (a) multitude direction distributed BF and GB and (b) dislocations in ferrite近贝氏体的铁素体中产生了高密度的位错。表2中:尺站为总应变量为0.5%的屈服强度；

由图5可知:空冷后生成的多边形铁素体晶粒 Rm为抗拉强度;A为断后伸长率;Z为断面收缩率；

粗大,晶内位错密度较低;与较高冷速下(盐水冷却) Au为均匀伸长率，通过选择与拉伸试验机配套的 的相比，空冷后形成的少量贝氏体铁素体板条束明 标距25 mm的引伸计测定得到；\"为形变强化指

显变宽、变短;在铁素体之间、铁素体与贝氏体板条

数，根据GB/T 5028-2008,由工程应力-应变曲线 束之间存在大量的块状M-A组元。一般认为，块状 计算得到；H为硬度;Acvn为冲击功。由表2可知： M-A组元的存在会降低材料的强度和冲击韧性刀。 随着冷却速率的增加，试验钢的抗拉强度和屈服强

2.2力学性能度增大，断后伸长率、均匀伸长率、断面收缩率呈现

由图6可知:不同方式冷却后试验钢的工程应 下降趋势，冲击功先增后降;不同方式热处理后试验 力-应变曲线都没有屈服平台,试验钢在拉伸过程中

钢的屈强比(Re.5/Rm)均小于热处理前的，形变强 为连续屈服;应力-应变曲线均呈拱型(round house

化指数均大于热处理前的，说明热处理后的试验钢

type),曲线平滑，试验钢具有高的应变硬化倾向；最 具有较好的塑性和较高的大变形能力。大应力附近存在较宽的平坦区，说明试验钢具有较

在盐水冷却条件下,冷却速率较高，试验钢中形 大的均匀变形能力。成了较细密的马氏体板条，在马氏体板条内存在大56MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERING马 晶，等：冷却速率对X80管线钢显微组织及力学性能的影响(a)铁素体(b)贝氏体板条(c) PF间的M-A组织 (d) PF和BF间的M-A组织图5空冷后试验钢的TEM形貌Fig.5 TEM morphology of test steel after air cooling: (a) ferrite; (b) bainite lath: (c) M-A microstructure distributed in PF and (d) M-A

microstructure distributed between PF and BF韧性也有所增强，具有较高的综合强韧性水平。经

过油冷适度加速冷却处理后的试验钢获得了 B+F

双相组织。多位向分布的贝氏体板条束相互交叉， 降低了晶粒尺寸，邻近贝氏体的铁素体中存在的高

密度位错保证了试验钢的高强韧性。在这些因素的 共同作用下，试验钢具有较高的强度、良好的塑性和 韧性,表现出优良的强韧匹配凶。此外，双相组织中

图6不同冷却方式热处理前后试验钢的工程应力■应变曲线

Fig.6 Engineering stress-strain curves of test steel before and

after treatment by different cooling methods

的铁素体具有强度小、塑性高,在外力作用下易变形 等特点，有利于降低试验钢的屈服强度，提高均匀伸

长率和形变强化指数，因此油冷后的试验钢具有较

量位错结构，板条间分布有少量呈魏氏组态的自回 火碳化物;位错结构和碳化物的析出有利于试验钢

强的大变形能力。当冷却速率较低(空冷)时，试验钢的强度较盐

强度的提高，但马氏体中过饱和碳所引起的晶格畸 变不利于试验钢塑性和韧性的提高。试验钢以油冷方式加速冷却时,其强度较盐水

水冷却和水冷方式下的出现较大幅度的下降，且未

达到对应钢级的最低强度。这是因为空冷后试验钢

组织中形成了多边形铁素体组织，其内部位错密度 较小;多边形铁素体的无序排布增大了断裂因子，缩

冷却和水冷方式下的有所降低，但塑性大大提高,且

表2不同冷却方式热

Table 2 Mechanical properties of test steel before and after heat-treatment by different cooling methods条件Rto.5/MPa575Rm/MPaR(0.5/RmA/%26.319.81&8z/%76.5Au/%&0H/HV281.0

308.5nAcvn/J热处理前68558480.840.770.770.730.630.100.120.130.150.18350281盐水冷却水冷油冷68865055037377.57&84.85.113.516.0279.0

245.430633875359027.830.079.37&8空冷187.831357马晶，等：冷却速率对X80管线钢显微组织及力学性能的影响MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERING短了裂纹扩展时的自由路径;同时，空冷下的贝氏体 小贝氏体呈多位向分布，邻近贝氏体的铁素体中存 铁素体组织与更高冷却速率下的相比更粗短，M-A 在高密度位错，这种组织特征赋予了试验钢良好的

组织以块状分布在多边形铁素体间或多边形铁素体 综合力学性能和较高的抗大变形能力。和贝氏体铁素体间。在这些因素的共同作用下，空

参考文献：冷后试验钢的强度和冲击韧性降低。[1] 张斌，钱成文,王玉梅，等.国内外高钢级管线钢的发展及应用

3结论[J1 石油工程建设，2012, 38(1):1-4.[2] NOBUYUKI I, MISTSSUHIRO O, KONDO J, et al. Design

(1) 不同方式冷却后试验钢中均形成了铁素体 concept and production of high deformability linepipe [C] 〃 和贝氏体相，随着冷却速率的增大，试验钢中的铁素

Proceedings of the 6th International Pipeline Conference.

体含量减少、贝氏体含量增加；随着冷却速率的降 Calgary： ASME, 2006： 1-&低，试验钢的抗拉强度、屈服强度和硬度降低，塑性 [3] 高惠临•管线钢与管线钢管[M].北京：中国石化出版社，

2012： 25-58.增加，冲击功先增大后减小。[4] 李鹤林，李霄，吉玲康，等.油气管道基于应变的设计及抗大变

(2) 在10%NaCl溶液和自来水中冷却(高冷 形管线钢的开发与应用[J]・石油科技论坛,2008(2):19-25.却速率)后，试验钢组织中生成了贝氏体铁素体和

[5] SANTPFIMIA M J, ZHAO L, PETROV R, et al.

少量马氏体板条，马氏体板条内存在大量位错结 Microstructure development during the quenching and

构和少量碳化物，试验钢具有较高的强度和较低 partitioning process in a newly designed low-carbon steel [J].

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(3) 在空气中冷却(低冷却速率)后，试验钢组 [MJ西安：陕西科学技术出版社，2008： 11-84.织中主要形成了多边形铁素体、贝氏体铁素体和少 [7] 王卫卫，刘浏，李光源.冷轧双相钢中残余奥氏体稳定性的研

量块状M-A组织，试验钢的强度和冲击韧性较低。究[J1 轧钢，2019(2)； 37-40.(4) 在机油中冷却(冷却速率适中)后,试验钢 [8] 聂文金，尚成嘉，关海龙，等.铁素体/贝氏体(F/E)双相钢组

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