分享：X65级含铜管线钢的高温塑性

李禹辰1,2,史显波2,严 伟2,单以银2,任 毅3,沈明钢1,王一雍1

 (1.辽宁科技大学材料与冶金学院,鞍山 114051;2.中国科学院金属研究所,沈阳 110016; 3.海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室,鞍山 114009) 

摘 要:采用 Gleeble-3800型热模拟试验机对含质量分数1.8%铜和1.0%镍的 X65级低碳低 镍含铜管线钢进行高温拉伸试验,研究不同温度(850~1300 ℃)下的高温塑性。结果表明:含铜 管线钢的抗拉强度随着试验温度的升高整体呈下降趋势,在850℃拉伸时抗拉强度达到105MPa, 而在1300℃时的抗拉强度降至约30MPa;随着试验温度的升高,含铜管线钢的断面收缩率整体呈 增大趋势,当试验温度高于1050 ℃时,断面收缩率均在80%以上,表现出较好的高温塑性,850~ 1000℃区间断面收缩率在60%左右,应避免在850~1000℃区间对该管线钢进行大变形量变形; 在试验温度高于1050 ℃时,含铜管线钢高温塑性的提高与动态再结晶有关;在连铸温度范围 (1100~1250 ℃),含铜管线钢具备优异的高温塑性,可以保证连铸坯的冶金质量。

 关键词:含铜管线钢;高温塑性;断面收缩率;动态再结晶 中图分类号:TG142.33 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)07-0090-05

0 引 言

 微 生 物 腐 蚀 (microbiologically influenced corrosion,MIC)是管线材料一种新的破坏和失效 形式,近年来已引起国内外相关企业、研究学者的广 泛关注[1]。管线材料的微生物腐蚀造成的经济损失 90 李禹辰,等:X65级含铜管线钢的高温塑性 巨大。新型含铜管线钢的开发是针对微生物腐蚀导 致的管线失效问题,从材料自身角度提出的一种方 法[2]。钢中加入铜不仅可以提高钢的强度、耐腐蚀 性能、抗菌性能、耐微生物腐蚀性能、抗疲劳性能、焊 接及冷加工性能等,同时可充分利用含铜废钢资源, 降低生产成本,提高经济效益。由于钢中加入较高 含量的铜元素,管线钢在连铸或轧制过程中容易发 生热脆问题,这也是一直以来制约含铜钢铁材料发 展和应用的主要瓶颈之一。含铜钢出现热脆的根本 原因是在高温下铁先被氧化,在表面形成一层氧化 层,导致在氧化层下方形成液态铜的富集[3] ;由于晶 界处晶格错配度高,富集的铜易沿晶界分布与扩散, 导致晶 界 脆 化,从 而 产 生 表 面 龟 裂 裂 纹。自 从 研 究[4]发现镍可以减轻含铜钢热脆以来,研究人员主 要通过在钢中添加镍元素的方法来改善含铜钢的热 脆问题[5-6],但镍元素的价格昂贵,在钢中添加一定 含量的镍元素会大大增加生产成本,所以如何在添 加少量镍元素的前提下提高含铜钢板表面质量成为 研究的热点。随着冶金水平的提高和热机械加工工 艺的发展和完善,研究者逐渐意识到钢铁材料的高温 塑性决定着连铸坯壳以及后续轧制后板材表面的冶 金质量。因此,研究含铜管线钢的高温塑性,对控制 其连铸坯表面裂纹的产生,改善连铸坯质量有重要意 义。基于此,作者根据之前的研究成果自行设计开发 出含质量分数1.8%铜和1.0%镍的 X65级低碳低镍 含铜管线钢,采用 Gleeble-3800型热模拟试验机对该 钢进行高温拉伸试验,研究了不同温度下的高温塑 性,以期为含铜管线钢的实际生产提供指导。

1 试样制备与试验方法

 试验材料为自行设计开发的 X65级低碳低镍 含铜管线钢,其化学成分如表1所示,采用200kg 真空感应冶炼炉熔炼而成,并浇注成铸锭。铸锭经 切冒口、表面处理后在1150 ℃的热处理炉中保温 2h进行 锻 造,初 锻 温 度 为 1100 ℃,终 锻 温 度 为 950 ℃,锻造后空冷至室温,试验钢 的 截 面 尺 寸 为 100mm×150 mm。锻造后试验钢的显微组织如 图1所示,可知其组织主要为多边形铁素体,晶粒尺 寸在10~20μm,晶粒大小不均匀。 表1 含铜管线钢的化学成分 Table1 ChemicalcompositionofCu-bearing pipelinesteel % 元素 C Si Mn P S Ni Cu 质量分数 0.027 0.19 0.59 0.009 0.0019 1.03 1.82 图1 含铜管线钢的显微组织 Fig.1 MicrostructureofCu-bearingpipelinesteel 在试验钢上截取如图2所示的热拉伸试样,在 Gleeble-3800型热 模 拟 试 验 机 上 进 行 高 温 拉 伸 试 验,先将试样以10 ℃·s -1的速率加热到1300 ℃, 保温300s,再以2 ℃·s -1的速率分别冷却至850~ 1300 ℃(间隔50 ℃)并保温10s,然后以10 -1s -1 的应变速率拉伸试样,拉断后快速冷却到室温。在 断口附近取样并制成金相试样,经研磨、抛光,并采 用体积分数 4% 硝酸酒 精 溶 液 腐 蚀 后,采 用 Zeiss LSM700 型 光 学 显 微 镜 观 察 显 微 组 织,利 用 Nova400Nano型场发射扫描电镜(SEM)观察热拉 伸试样的断口形貌。 图2 热拉伸试样的尺寸 Fig.2 Dimensionofthermaltensilesample 

2.1 高温塑性 

由图3可以看出:含铜管线钢的抗拉强度随着 试验温度的升高整体呈下降趋势,在850 ℃拉伸时 抗拉强度可达到105 MPa,而在1300 ℃下的抗拉 强度降至约30MPa;随着试验温度的升高,含铜管 线钢的断面收缩率整体呈增大趋势。当试验温度高 于1050℃时,含铜管线钢的断面收缩率均在80%以 上,表现出较好的高温塑性,1250℃时的断面收缩率 最大,超过95%,虽然1300 ℃时的断面收缩率有所 下降,但仍然高于85%。当试验温度高于1250℃ 时,该温度位于钢的第Ⅰ脆性区,该区域发生的断裂主 要与液相的形成有关。由于该区域加热温度高,晶界 熔化导致晶界处形成液膜,尤其当晶界处富集低熔点 杂质时,晶界液膜会在更低的温度下形成;在拉应力 91 李禹辰,等:X65级含铜管线钢的高温塑性 图3 含铜管线钢的抗拉强度和断面收缩率随试验温度的变化曲线 Fig 3 Curvesoftensilestrength a andpercentagereductionofarea b vstesttemperatureofCu-bearingpipelinesteel 图5 不同温度下热拉伸试样的断口宏观形貌 Fig.5 Macroscopicfracturemorphologyofthermaltensilesamplesatdifferenttemperatures 作用下,随着熔化区的扩大,空洞在晶界处形成并沿 晶界生长,最终导致沿晶断裂。因此该温度区间含铜 管线钢的断面收缩率有所降低。由此可见,在试验温 度高于1100 ℃时,含铜管线钢具有良好的高温塑 性。850~1000℃区间为管线钢的热机械轧制区间, 对热加 工 成 型 具 有 重 要 影 响,此 时 断 面 收 缩 率 在 60%左右。由铸坯裂纹敏感性和断面收缩率的经验 关系[7-8]可知,当断面收缩率大于 60%时,坯料不会 出现表面裂纹,而当断面收缩率小于60%时,易在坯 料的表面下层出现裂纹。因此,该含铜管线钢应避免 在850~1000℃区间进行大变形量变形。 由图4可以看出,随着试验温度的升高,含铜管 线钢的断裂应变先降低后增加。当从850℃升高到 900 ℃时,峰值应力和断裂应变均大幅下降,而在 900~1300 ℃范围,随着试验温度的升高,断裂应 变增加,峰值应力先升高后降低。在高于1000 ℃ 拉伸时,应力达到最大值后试样发生较大的变形后 才断裂,而在850~1000 ℃拉伸时应力达到最大值 后试样较快断裂,说明含铜管线钢在高于1000 ℃ 拉伸时的塑性较好,与断面收缩率的结果吻合。 2.2 断口形貌 

试样的高温塑性与断口形貌密切相关,高温塑 性好的试样颈缩量大,断面收缩率大;断口韧窝越 图4 含铜管线钢在不同温度拉伸过程中的工程应力-应变曲线 Fig.4 Engineeringstress-straincurvesofCu-bearingpipeline steelduringtensionatdifferenttemperatures 大,塑性越好,而塑性差的试样,断口处直径变化很 小,韧窝小而浅,断面较平,断口呈现脆性断裂特征, 断面收缩 率 很 小[9]。由 图 5 可 知:当 试 验 温 度 为 900,1050 ℃时,断口中存在较大的韧窝,且断口表 面不平整,部分区域存在较深孔洞,说明其高温塑性 较好;而在1250 ℃拉伸后,试样因晶界熔化而被拉 断,断口中未出现韧窝,但其颈缩量大,断面收缩率 大,断口直径小,说明高温塑性更好。 由图6可以看出:当试验温度为900,1050 ℃ 时,断口中存在大小不等、深浅不一的韧窝,晶界处 有明显的撕裂棱,因此断裂方式为微孔聚集型断裂。 大 韧窝是由析出的第二相颗粒或夹杂物形成的,第 92 李禹辰,等:X65级含铜管线钢的高温塑性 图6 不同温度下热拉伸试样的断口微观形貌 Fig.6 Microscopicfracturemorphologyofthermaltensilesamplesatdifferenttemperatures 二相颗粒或夹杂物与基体的结合力较弱,在外应力 作用下,这些位置更容易产生微孔,微孔的聚集长大 最终导致试样断裂;小韧窝是由大韧窝之间发生互 相 撕 裂 后 连 接 而 形 成 的[10-13]。 当 试 验 温 度 为 1250 ℃时,由于该温度下发生的断裂主要与液相 的形成有关,虽然断面收缩率较大,但断口并不是由 大量韧窝组成,而是沿晶形成的平坦断口。 

2.3 断口组织 

由图7可以看出,当试验温度为900℃时,断口 附近的组织沿变形方向呈拉长形貌,未发生再结晶, 而1050 ℃拉伸后,可明显观察到再结晶晶粒从原 变形晶粒的界面上开始生长,因此高温塑性有所提 高。当试验温度升高至1250 ℃时,大部分组织均 发生再结晶,此时断面收缩率最大。结合断面收缩 率的变化规律可以看出,在试验温度高于1050 ℃ 时,含铜管 线 钢 高 温 塑 性 的 提 高 与 动 态 再 结 晶 有 关[14]。而当试 验 温 度 为 1300 ℃ 时,发 生 的 晶 界 熔断 提 前 结 束 了 塑 性 变 形,造 成 断 面 收 缩 率 下 降[15]。在整个温度范围内断口附近组织中未观察 到铜的析出,这 说 明 管 线 钢 中 的 铜 依 然 固 溶 在 基 体中,而不是扩散到晶界或钢/氧化皮界面处形成 铜的偏聚。由 于 含 铜 管 线 钢 中 含 有 较 多 的 镍,镍 在铜中有较快的扩散速率[16],并且镍能提高铜在 奥氏体中的溶解度,减少铜在奥氏体晶界的析出; 同时镍可以 改 变 氧 化 层 中 富 铜 相 的 组 成,与 铜 和 铁元素形成熔点超过1200 ℃的 Ni-Cu-Fe相并以 固态颗粒形 式 保 留 在 氧 化 层 内,从 而 有 效 改 善 含 铜管线钢的热塑性[6,17]。

3 结 论 

(1)含铜管线钢的抗拉强度随着试验温度的升 高整体呈下降趋势,在850 ℃拉伸时的抗拉强度可 达到105MPa,而在1300 ℃时降至约30 MPa;随 着试验温度的升高,含铜管线钢的断面收缩率整体 呈增大趋势,当试验温度高于1050 ℃时,断面收缩 率均在80% 以 上,表 现 出 较 好 的 高 温 塑 性,850~ 1000 ℃区间断面收缩率在60%左右,应避免在该 温度区间对该管线钢进行大变形量变形。 (2)当试验温度为900,1050 ℃时,断口中存 在大小不等、深浅不一的韧窝,晶界处存在明显的撕 裂棱,断裂方式为微孔聚集型断裂,当试验温度为 1250 ℃时,断口为沿晶形成的平坦断口;在试验温 度高于1050℃时,含铜管线钢高温塑性的提高与动 态再结晶有关;在连铸温度范围(1100~1250 ℃) 内,添加质量分数1.0%镍的含铜管线钢具备优异的 高温塑性,可以保证连铸坯的冶金质量。 

来源：材料与测试网