高鋼級管線鋼韌性晶體學(xué)研究

根據(jù)對管道鋼的研究，鋼中重要的組織單元是有效的結(jié)晶尺寸。而且這種有效晶粒在不同的組織結(jié)構(gòu)中的含義是不同的。圖1表達(dá)的管線鋼中常見的有效晶粒的大小對裂紋的作用。可以看出貝氏體中的有效晶粒是不同位相的貝氏體鐵素體板條束。由于大角度束界的阻止作用,解理裂紋在板條束界偏斜(圖1a);另外,文獻(xiàn)認(rèn)為針狀鐵素體所以具有較高的韌性,是因?yàn)榱鸭y在擴(kuò)展中不斷受到彼此咬合、互相交錯(cuò)分布的針狀鐵素體的阻礙(圖1b)。隨著全世界對能源需求的不斷增加,和油氣田開發(fā)的重點(diǎn)已向邊遠(yuǎn)地區(qū)或海洋中轉(zhuǎn)移,輸氣條件逐漸變得惡劣,與此配套的管道也多在氣候惡劣、人煙稀少、高寒、地質(zhì)地貌復(fù)雜的地區(qū)服役,因而管線鋼也向高鋼級發(fā)展。目前管道的輸送壓力已從20世紀(jì)50年代的4.5MPa提高到現(xiàn)在的10～15MPa,相應(yīng)的管道級別也已從X42發(fā)展到X80甚至X100,X120。因而,隨著鋼級的發(fā)展,探討高鋼級管線鋼的有效晶粒尺寸,從而對鋼材處理規(guī)范提供參考和指導(dǎo)有著現(xiàn)實(shí)意義。1金相組織觀察實(shí)驗(yàn)所選用材料三個(gè)鋼級:X65,X70和X80,擁有不同組織且分別購自國內(nèi)外4個(gè)生產(chǎn)廠家,均為管線實(shí)際使用管材,或?yàn)楣芫€研究開發(fā)的管線鋼,化學(xué)成分見表1。鋼管規(guī)格為X65為?800mm×12.5mm;X70為?1016mm×21mm;X80為?1016mm×17.5mm,均為TMCP技術(shù)生產(chǎn)產(chǎn)品。金相樣品直接從實(shí)驗(yàn)鋼板上切取,金相組織觀察在MEF4M金相顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)上進(jìn)行,觀察面為平行軋向的樣品正面,經(jīng)粗磨、細(xì)磨、拋光和3%硝酸酒精腐蝕而成。EBSD(背散射)在QTS136XL掃描電鏡上進(jìn)行,在上述試樣電解拋光表面進(jìn)行觀察。EBSD工作參數(shù)為:步長0.3μm,掃描區(qū)域?yàn)?00×200個(gè)點(diǎn)。2結(jié)果與討論2.1位差影響下的晶界能金屬材料通常以多晶狀態(tài)存在,多晶體中不同取向的界面稱為晶界。晶界對于金屬材料的性能有重大的影響。在金屬的冶煉及熱處理過程中對晶粒的控制,是獲得優(yōu)質(zhì)材料的一個(gè)重要因素。由此可以窺見晶界的研究在實(shí)踐中的重要意義。一般的晶界是非共格的,即晶界兩側(cè)的點(diǎn)陣不存在明顯的對應(yīng)關(guān)系,晶界結(jié)構(gòu)基本上是無序的。對于晶界取向差小于2°的晶粒,稱為亞晶粒。亞晶粒的間接即亞晶界上錯(cuò)排的區(qū)域,集中在位錯(cuò)行列所在處,因而是半共格的。小角度晶界可以還原為位錯(cuò)的平行排列,這意味著晶界的失配可以通過馳豫集中于位錯(cuò)芯區(qū)之內(nèi);當(dāng)取向差增大時(shí),位錯(cuò)的間距縮小,到15°左右,相鄰的位錯(cuò)芯區(qū)發(fā)生重疊;即使取向差超過15°左右,位錯(cuò)行列的圖像仍可能在一定程度上被保留。在小角度的區(qū)域(θ<15°),晶界能是隨位相差增長的,即適合下列公式:E=E0θ(A-lnθ)(1)式(1)中,E0和A為兩個(gè)常數(shù)。在大角度范圍內(nèi),晶界能趨于一定值,和位相差無關(guān)。由圖2可知,晶界能在15°時(shí)取得最大值,當(dāng)晶界取相差大于15°以后,晶界能趨于一定值。關(guān)于該現(xiàn)象的解釋,賽格與肖脫基認(rèn)為,在大于15°時(shí)晶界能的主要來源是由于屏蔽效應(yīng)所引起的靜電能。不管大角度位相差引起晶界能變化原因何在,都可以看到,當(dāng)位相差接近15°后,晶界能達(dá)到最大值,并且保持不變,因而在該晶界角度,晶界的阻力最大。也就是說,當(dāng)裂紋擴(kuò)展到晶界取向差為大于等于15°的晶界時(shí),需要克服和消耗的能量最大,從而起到止裂的作用。因而推論到高鋼級管線鋼,對材料韌性有貢獻(xiàn)的晶界取向差應(yīng)該是大于15°的晶界。圖3為取向差分別從2°～60°變化時(shí),所測得大于其的平均晶粒尺寸數(shù)值。可以看到平均晶粒尺寸在取向差為2°～35°間變化時(shí),呈現(xiàn)略有增加的趨勢。但是在35°以后,平均晶粒尺寸變化規(guī)律性很差。考察原始數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)當(dāng)晶粒取向差大于35°后,平均晶粒計(jì)算所獲樣本數(shù)很小(<10)。從圖4不同晶粒取向差下所獲得的晶粒界面彩色圖可以看出,當(dāng)取向差選擇小于35°時(shí),所獲得晶界都能夠包絡(luò)一個(gè)完整的晶粒,所以能夠獲得準(zhǔn)確的平均晶粒尺寸;當(dāng)取向差選擇大于35°后,所獲得的晶界不能包絡(luò)一個(gè)完整的晶粒,因而選擇晶界夾角大于35°進(jìn)行有效晶粒的討論是無效的。其中,圖4中黑線是不同晶粒取向差下的晶界線,彩色圖中不同的顏色代表不同歐拉角的晶粒。2.2鐵素體有效晶粒尺寸的計(jì)算M.Diaz-Fuentes等人利用EBSD(ElectronBacksatteredDiffraction)研究了低碳鋼針狀鐵素體組織的韌性行為。他們利用EBSD分析了和-60℃夏比沖擊試樣相對應(yīng)的最小裂紋反射角,發(fā)現(xiàn)脆性裂紋只有在晶界取向差最小為15°及以上時(shí)才發(fā)生較顯著的反射。因而,在針狀鐵素體組織中起控制作用的是那些晶界取向差為15°以上的組織單元。由此,在高鋼級管線鋼中,由于管線鋼組織為以針狀鐵素體為主,只有那些晶界取向差大于15°的組織單元,即晶粒才是控制高鋼級管線鋼組織性能的有效晶粒。在本研究中,由此可以得到,對于X65,X70和X80,大于15°晶界晶界取向差的管線鋼有效晶粒尺寸見表1。由表1可知,系列管線鋼的有效晶粒是不同的,國產(chǎn)和進(jìn)口管線鋼的有效晶粒尺寸并沒有按照鋼級的高低進(jìn)行有序的分布。其中JLX80管線鋼有效晶粒尺寸明顯細(xì)化,其它X65,X70,X80管線鋼有效晶粒尺寸相差不明顯。為了進(jìn)一步區(qū)分這些管線鋼晶體學(xué)參量,將EBSD系統(tǒng)所得鐵素體晶粒取向差分布圖(圖5)作進(jìn)一步的研究,在該圖上,經(jīng)過對晶粒取向差大于15°和小于15°的晶粒數(shù)量作統(tǒng)計(jì)后求比值獲得了表2,可以看到不同管線鋼其大角度晶界和小角度晶界數(shù)量的比率有著較明顯的差別。另外,對圖5作進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理,獲得晶粒取向差歸一化曲線(見圖6)。對比不同管線鋼大角度晶粒取向差的歸一化分布圖,可以看到除JFX70外,其它管線鋼的晶粒取向差頻度分布曲線相似,只是取向的均勻化程度略有不同。根據(jù)有效晶粒尺寸、大角度與小角度比率、晶粒取向差歸一化曲線進(jìn)行以下這些晶體學(xué)參量與材料韌性的關(guān)系分析。2.3力學(xué)性能分析中的裂紋擴(kuò)展抗力對比圖7中系列高鋼級管線鋼的夏比沖擊韌性,可以看到JLX80韌性明顯高于其它試樣,HYX80,JFX80,JFX70的沖擊韌性分布在一個(gè)相近的范圍內(nèi)。X65雖然在-40℃以上韌性較高,但在該溫度以下,韌性急劇降低。比較這幾種牌號(hào)管線鋼,可以看到,最主要的區(qū)別是有效晶粒度。在以上管線鋼中,JLX80有效晶粒參量明顯小于其他管線鋼,由此決定了該管線鋼擁有優(yōu)異的韌性。晶粒細(xì)化是鋼中最主要的強(qiáng)化方式之一,同時(shí),也是目前所知的唯一既提高強(qiáng)度,又提高韌性的強(qiáng)韌化方式。N.J.Petch研究了晶粒大小對韌脆轉(zhuǎn)變溫度的作用,提出了下列計(jì)算式Tk=A+BlnD?1/2(2)Τk=A+BlnD-1/2(2)式中:Tk為韌脆轉(zhuǎn)變溫度(℃);D為晶粒直徑(mm);A,B為常數(shù)。韌性代表了材料抵抗變形和斷裂的能力。晶粒細(xì)小時(shí),外力可以由更多細(xì)小的晶粒所承受,晶粒內(nèi)部和晶界附近的應(yīng)變度相差小,因而材料受力均勻,應(yīng)力集中較小,裂紋不易產(chǎn)生。即使產(chǎn)生了微裂紋,由于晶粒細(xì)小,晶界較多,而且相鄰晶粒具有不同的位相,于是當(dāng)塑性變形或微裂紋由一個(gè)晶粒穿越晶界進(jìn)入另一晶粒時(shí),塑性變形或微裂紋將在晶界受阻。同時(shí),一旦塑性變形或微裂紋穿過晶界后,滑移方向或裂紋擴(kuò)展方向發(fā)生改變,必然消耗更多的能量。J.P.Naylor在對有效晶粒的分析中,用數(shù)學(xué)式描述了裂紋通過這種有效晶粒的晶界時(shí)所需要的裂紋擴(kuò)展抗力σ,即σ=[1.4EacWDd]12(3)σ=[1.4EacWDd]12(3)式中:E為彈性模量;ac為裂紋臨界尺寸;W為板條界上偏斜塑性功;D為板條束寬度;d為板條寬度。可見,裂紋擴(kuò)展抗力σ與有效晶粒尺寸D-1/2具有線性關(guān)系,反映在韌脆轉(zhuǎn)變溫度曲線上,就是隨著有效晶粒尺寸的減小,韌脆轉(zhuǎn)變溫度降低。觀察圖7中各管線鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度,可以知道,系列高鋼級管線鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度正是隨著有效晶粒度的降低,即X65>HYX80>JFX70>JFX80>JLX80,韌脆轉(zhuǎn)變溫度依次降低。對于有效晶粒尺寸相差不大的管線鋼JFX80,JFX70,HYX80,X65,由圖6可知,它們的晶粒取相差分布JFX80,HYX80,X65比較接近,而JFX70表現(xiàn)出較強(qiáng)的織構(gòu)。在JFX70中,這種形變織構(gòu)導(dǎo)致管線鋼的織構(gòu)強(qiáng)化,同樣也使韌性發(fā)生變化,一般認(rèn)為織構(gòu)的存在使得管線鋼的上階能降低,但是考慮到表2中所得該管線鋼大角度晶界和小角度晶界的比值很高,所以該管線鋼表現(xiàn)出較好的韌性。對于X65和HYX80,前者的大角度晶界和小角度晶界比率大于后者,可以看到,前者在韌脆轉(zhuǎn)變溫度以上表現(xiàn)出較高的沖擊功,但是,大角度和小角度頻度比率對沖擊韌性的影響不像有效晶粒參量那么規(guī)律性強(qiáng)。只作為在相同金相組織下韌性比較的一個(gè)參考。因?yàn)閷Ω咪摷壒芫€鋼來說,影響其韌性的因素還跟組織中貝氏體含量、尺寸等有關(guān)。另外,對上平臺(tái)能和圖6晶粒取向差的頻度分布來說,有一定的對應(yīng)性。當(dāng)有效晶粒度接近時(shí),在圖中50°以上晶粒的頻度越高,其上平臺(tái)能也越高。在圖6中,大角度晶粒頻度分布從低到高的順序是JFX80<HYX80<X65,對應(yīng)在圖7中上平臺(tái)能由低到高的順序相同。這可能是高角度晶粒去相差,在裂紋擴(kuò)展中起到更加重要的作用,裂紋在這樣的晶界上擴(kuò)展時(shí),要耗費(fèi)更大的功,而