X70管线钢中析出相的分析_孔萃敏

第3卷第1期2004年3月

材??料??与??冶??金??学??报JournalofMaterialsandMetallurgy

Vol??3No??1March2003

X70管线钢中析出相的分析

孔萃敏,蔡庆伍,余??伟

(北京科技大学??材料科学与工程学院北京100083)

摘??要:介绍了X70管线钢经过不同的控轧控冷工艺制度后,MC、M(C,N)相的粒度大小分布,以及对M(C,N)、Fe3N、AlN、MS等相的测定结果.试验结果表明,在适当范围内,增大轧制变形量和冷却速度有利于增大M(C,N)相粒子的析出量,且有利于M(C,N)相析出粒子的细化.关键词:管线钢;析出相;粒度

中图分类号:TG115??213????文献标识码:A????文章编号:1671-6620(2004)01-0067-05

AnalysisofprecipitationphaseingradeX70pipelinesteel

KONGCu-imin,CAIQing-wu,YUWei

(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,UniversityofScience

andTechnologyBeijing,Beijing,100083,China)

Abstract:ThesizeanddistributionofgranularityofMC、M(C,N)undervariousschedulesofcontrolledrollingandcontrolledcoolingareintroducedinthispaper.Theresultsshowthatinaproperrange,increasingtherollingreductionandcoolingvelocitycouldincreasetheamountofM(C,N)andrefinetheparticlesofM(C,N).Keywords:pipelinesteel;precipitationphase;granularity

????管线钢是指用于输送石油、天然气等的大口径焊接钢管用热轧卷板或宽厚板.管线钢在使用过程

中,除了要求具有较高的耐压强度外,还要求具有较高的低温韧性和优良的焊接性能.在低碳C-Mn钢或者C-Mn-Si钢中加入微量的Nb、V、Ti,经过控轧使得晶粒充分细化,并且出现显著的析出强化和位错亚结构强化效应,从而能够大幅度提高钢材韧性、强度和焊接性能.因此对微细析出相的定量研究,具有重要的意义.

X70管线钢属于C-Mn-Nb-V系微合金高强度钢.其合金元素Nb、V的质量分数均在0??05%左

右.本文主要是研究X70管线钢在控轧控冷工艺过程中,采用不同的轧制压下量、冷却速度得到的钢中

析出相的变化规律.

1??试验条件与方法

1??1??试样的化学成分及试样工艺(见表1、2)1??2??相分析方法

1??2??1??析出相电解制度的选择

常用于微合金化钢中相的提取的电解制度主要有两种[1,2].

表1??试样的化学成分

Table1??Chemiccomponentofsample化学成分(质量分数)(试样16、21、22相同)

C0??07

Si0??25

Mn1??52

P0??008

S0??003

Ni0??24

Cu0??16

Al0??035

Ti0??015

Mo0??21

V0??054

Nb0??064

%

??收稿日期:2004-02-15.

??作者简介:孔萃敏(1979-),女,江苏省常州市人,硕士研究生,E-mail:angellymm@http://wendang.chazidian.com;蔡庆伍(1955-),男,安徽省巢县

人,北京科技大学研究员.

68材料与冶金学报????????????????????????????第3卷

表2??轧制及冷却工艺

Table2??Rollingandcoolingschedules

加热温度

??120012001200

406060

变形量1??变形量2

%

406060

冷却速度????s-251025

1

试样号162122

工艺制度

均匀加热到指定温度后保温10min,在T1(1050??)进行第一次变形,在T2(900??)开始第二次变形,终轧温度为T3(830??),然后冷却到T4(780??)开始快冷,终冷温度为T5(540??),然后以3??/s控冷到室温

????根据本次研究的材料中S和Al的质量分数分别为0??003%和0??035%,需要定量测定MnS、AlN的百分含量.为此我们选用了下列两种电解制度,分别定量测定其合金所含的各种析出相的量.所用的电解制度为:A、5??0%氯化钾+0??5%~1%柠檬酸水溶液,i=0??025~0??03A/cm2,t=5~10??;B、10%乙酰丙酮+1%LiCl甲醇溶液,I=0??04~0??05A/cm,t=-5~-7??以下,总电流??0??7A.1??2??2??微细析出物的收集与洗涤方法

电解完毕的试样用0??5%~1%柠檬酸洗涤液浸泡2~3次,再用水浸泡2~3次(每次5~10min)之后将未脱溶的阳极沉淀直接刷入烧杯中,浸泡液

2

以及电解的阳极试液用0??2nm进口滤膜抽滤并洗净转入上述烧杯中,进行化学元素的定量测定.1??2??3??析出相的分离方法和测定

按照表3中1号分离方法,测定溶液中的Al含量,即可计算出AlN含量,用测定化合物中的总S量,可以计算出MnS的含量.同样的道理,用测定化合物中的总N量,减去NAlN可以得到MN+M(C,N)+Fe3N中的N含量.测定MC粒度时采用A电解制度.按照2号分离方法所得的MC+MN+M(C、N)粉末可以用来作定量分析,也可用来作MC+MN+M(C、N)粉末的粒度分析.其中,两种分离方法均都采用了A、B两种电解提取方法.

表3??相的分离测定方法

Table3??Determinationmethodofphaseseparation

编号1

相类型

Fe3N+MC+MN+M(C,N)+MnS+AlN

Fe3N+MC+MN+M(C,N)+MnS+AlN

解沉淀

10%盐酸+5%柠檬酸无水乙醇在室温20??左右放置4~6h,经常搅拌(或重复处理沉淀物2~3次)

Fe3N+MnS+AlN

分离方法

50~100mL王水在电炉上加热溶

溶解相

Fe3N+MC+MN+M(C,N)+MnS+AlN

MC+MN+M(C,N)

保留相

2

2??试验结果和讨论

2??1??X-射线衍射结构分析

采用菲利普APD-10型X-射线衍射仪在CPS:100或200,30mA,33kV,Cok??15~115??(2??)条件

下测定合金元素的各析出相[3],其结果见表4.由试样的相结构的测定分析可见,三种试样的相结构基本相同,只是衍射峰值略有差别.这表明,不同的轧制工艺对相结构几乎没什么影响.

试验用X70管线钢属于低碳钢,其中含有微量的氮.Nb、V、Ti等几种常用的微合金元素一般都和碳、氮具有强的相互作用,因此,微合金化钢中的析物和氮化物属于同晶型体,且它们的晶体常数极为

相似,它们可以在相当宽的范围内互溶,因此这些析出相是具有不同碳、氮含量的M(CxNy),M代表Nb、V、Ti.可见,在轧制过程中,虽然采用了不同的轧制变形量和冷却速度,但是并不改变析出相的类型与相结构.

2??2??试样中各析出相的定量分析结果

对三个试样中的析出物进行定量分析,分别得出铌、钒、钛的微合金碳氮化物的析出量占合金的质量分数(见表5)以及析出相的结构式(见表6),同时也测定了其他微合金元素的析出量(见表7).

由试样中各析出相的定量分析可见,当采用同样的轧制压下量不同的冷却速度时(如21#和22#,

第1期????????????????????孔萃敏等:X70管线钢中析出相的分析高冷却速度,可以阻止或者延迟了碳氮化物在冷却过程中的过早析出,易于生成弥散的析出物.当采用相同的冷却速度不同的轧制压下量时(如16#和22#试样),在奥氏体非再结晶区轧制,增大轧制压下量使得奥氏体晶内存在大量的位错等缺陷,为微合金元素的析出提供了更多的有利场所,所以析出相M(C,N)量较多.这说明,在适当范围

69

内,增大轧制压下量和冷却速度,有利于M(C,N)相的析出.

对析出相AlN的定量测定结果表明,当轧制压下量相同而冷却速度不同时,AlN析出相的量几乎没什么变化,而轧制压下量增大时,AlN析出量明显增多.这表明,适当的增大轧制压下量有利于AlN的析出,而冷却速度的变化对AlN的析出影响不大.

表4??试样的相结构分析结果

Table4??Resultsofphaseconfigurationanalysis

试样编号

析出相类型NbCTi(C,N)(l两种)

NbNFe3N

16、21、22

(Ti,Nb)(C,N)

TiC

TiNVN(痕)VC(痕)Fe3C(痕)

点阵常数a0=0??445-0??446

a0=0??426-0??427,a0=0??425-0??426

a0=0??440-0??441

a0=0??2695,c0=0??4362a0=0??436-0??437a0=0??431-0??432a0=0??422-0??423a0=0??410-0??411

a0=0??418

a0=0??4530,b0=0??5080,c0=0??6772

晶系面心立方面心立方面心立方六方面心立方面心立方面心立方面心立方面心立方正交

表5??M(C,N)相定量测定结果

Table5??ResultsofquantitativedeterminationofM(C,N)phase

编号162122

Mo0??00180??00210??0017

Ti0??01630??01650??0172

M(C,N)相中各元素占合金的质量分数VNbC0??00140??00170??0017

0??01430??01510??0164

0??00140??00200??0023

N0??00590??00560??0055

??%0??04110??04300??0448

%

表6??M(C,N)相结构式

Table6??ConfigurationofM(C,N)phase

M(C,N)相组成结构式

16

2122

(Mo0??035Ti0??634V0??050Nb0??286)(C0??217N0??783)(Mo0??039Ti0??610V0??058Nb0??288)(C0??293N0??707)(Mo0??031Ti0??615V0??057Nb0??303)(C0??327N0??673)表7??其他合金元素析出量(质量分数)

Table7??Quantityofprecipitationofotheralloyelements

编号162122

AlN

??Al??????N??????AlN??0??00120??00190??0020

0??00060??00100??0010

0??00180??00290??0030

0??01410??01310??0069

33??Fe??????N??????Fe3N??

0??00120??00110??0006

0??01530??01420??0075

MS

??Fe??????Mn??????S????????MS??0??00220??00270??0029

0??00070??00070??0007

0??00170??00200??0021

0??00460??00540??0057

%

70

2??3??MC相粒度测定2??3??1??测定条件

材料与冶金学报????????????????????????????第3卷

的平均粒径xv,便可以分别按照下边的式(4),(5),(6),(7)计算出来.

??j

q3,j=??(j=1,2,????,n)(4)

????k??xk

k=1

3014X-射线衍射仪-Kratky小角测角仪+Fe滤光,射线:Cok??;负荷:35kV,30mA;狭缝:0??04mm0??1mm0??02mm.其计算结果均以质量为权,粒度分布及平均粒度不包括大于300nm粒度的贡献.2??3??2??测定方法[4]

本试验采用的是X射线小角度衍射来测定试样中细小析出相的粒度及分布.其基本原理和计算方法如下.

当一束极细的X射线穿过一超细粉末层时,经颗粒内电子的散射,就在原光束附近的极小角域内分散开来,此现象叫X射线小角散射,??处的散射强度为:

I(??)=C

??Q3,j=qv??xj??100%??(j=1,2,????,n)

(5)

Q3,j=

n

k=0

????Q3,K??

2

j

(j=1,2,????,n)xj)

(6)

xv=

j=1

????Q3,j(xj-1+

??(j=1,2,????,n)

(7)

??

??

-??

F(t)dt

??

n

x

2??3??3??测定结果

按照上述测定方法,测出三个试样的析出相的粒子分布分别如图1、2、3所示.

x0

??(x)x3??2(??)dx(1)

+t??

3

??(??)=3(sin??-??cos??)/??

????式中,x0??????最小颗粒直径,xn??????最大颗粒直径;??(x)??????以体积或者质量为权的粒度分布函数(未经归一化);C??????综合常数.

根据所测粒子大致粒度范围(x0-xn),将其分割成n份,分割间隔随着粒度尺寸的增大而增大.以分布频度??j表示区间xj-1-xj内的分布函数段??(x)的平均值,这样在作式(1)的计算时即可将??1,??2,????,??j,??????n提出积分符号之外.同时????其中:??=

根据相应的分割间隔,近似按照下边的关系式(2)确定n个合适的散射角进行散射强度测量,测得n个散射强度I(??i).??(i)=

()??(i=1,2,????,n)??xi+xi-1

图1??16#试样析出相粒度分布图Fig??1??Granularitydistributionofprecipitation

phaseinsample16

1(1-5);2(5-10);3(10-18);4(18-36);5(36-60);6(60-96);7(96-140);8(140-200);

9(200-300);单位:nm

(2)

????于是,可将(1)式转化为如下的n元线性方程组:

I(??i)=

j=1

????-??

n

??

F(t)dt

??

j

x

xj-1

x3??2(??)dx??j

图2??21#试样析出相粒度分布图Fig??2??Granularitydistributionofprecipitation

phaseinsample21

1(1-5);2(5-10);3(10-18);4(18-36);5(36-60);6(60-96);7(96-140);8(140-200);

9(200-300);单位:nm

??(i=1,2,????,n)(3)????可见,对于给定的准直光路和入射波长??,相应于由式(2)所限定的衍射角,方程组的各个系数为一系列常数.在测出仪器的狭缝高度权重函数后,就可以借助于计算机用数值积分法将线性方程组的(n??n)个系数aij逐一计算出来.求解线性方程组(3),即可得出各区间粒度分布函数??j.因此,相应于各个区间的粒度分布频度q3,j,体积百分数??Q3,j,以

j????通过对MC相粒度的测定可以看出,当采用相同的冷却速度不同的轧制压下量时(如16#和22#试样),16#试样的MC相粒子的平均尺寸为84??2nm,22#试样MC相粒子的平均尺寸为

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第1期????????????????????孔萃敏等:X70管线钢中析出相的分析71

较大冷却速度的22#试样较21#试样中的微合金碳氮化物析出相的平均尺寸变小.

通过对三个试样的MC相粒度的测定分析表明,在适当范围内,增大轧制压下量和冷却速度,均有利于MC相颗粒的细化,从而有利于提高钢材的强度.

图3??22#试样析出相粒度分布图Fig??3??Granularitydistributionofprecipitation

phaseinsample22

1(1-5);2(5-10);3(10-18);4(18-36);5(36-60);6(60-96);7(96-140);8(140-200);

9(200-300);单位:nm

3??结????论

(1)对三个试样中的析出相的类型的测定表明,

在控轧控冷过程中,微合金元素将以不同碳、氮含量的M(CxNy)形式析出.不同的轧制变形量和冷却速度对析出相的类型基本上没什么影响,但是对析出相的尺寸和数量有着一定的影响.

(2)对三个试样中析出物数量的定量分析表明,轧制变形量的增大有利于微合金碳氮化物M(C、N)相的析出,且析出粒子尺寸变小.

(3)对三个试样中析出相粒度的定量分析表明,在适当的范围内,提高冷却速度有利于析出颗粒的细化,可以使钢的强度增加.参考文献:

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强度低合金钢的基础研究(研究报告论文集)(1999年1月-2000年6月)[C].北京:钢铁研究总院,2000,7.

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年学术报告论文集[C].北京:钢铁研究总院分析测试研究所,中国金属学会分析测试分会,2002,11.

70??9nm.这是因为在形变而未再结晶的奥氏体中应变诱导析出时,晶界、亚晶界和位错上形核沉淀占

绝对优势.在轧制过程中,适当地加大变形量,可以有效地增加位错密度且这些位错不易运动而形成位错网络,可显著地增大位错形核沉淀所占的相对份量.而位错线上形核沉淀的微合金碳氮化物质点较晶界上的质点的粗化速率小,因而其尺寸比较小且分布均匀.因此,22#试样中析出的微合金碳氮化物粒子尺寸比16#试样细小且分布均匀.

当轧制压下量相同时,采用的冷却速度为10??/s时(21#试样),粒子的平均尺寸为72??5nm,而当采用的冷却速度为25??/s时(22#试样),粒子的平均尺寸为70??9nm.随着温度的降低,将发生奥氏体向铁素体转变,由于微合金元素在铁素体中的溶解度低于在奥氏体中的溶解度,因此微合金元素将以碳化物、氮化物或者碳氮化物的形式沉淀析出.沉淀温度将影响沉淀相质点的平均尺寸,随着沉淀温度的降低,沉淀质点的尺寸略有减小.因而,采用