X70級彎管制備中二次加熱對其組織與強韌性的影響研究

張小立

（中原工學院，鄭州450007）

X70級彎管制備中二次加熱對其組織與強韌性的影響研究

張小立

（中原工學院，鄭州450007）

對X70級彎管熱彎過程的二次加熱熱處理過程進行了模擬試驗，研究了母管鋼管材二次加熱過程中的強韌性能和組織的變化關系，并討論了熱處理制度和材料組織的變化規律.結果表明，X70級彎管制備中主要體現為強度和韌性2個指標間的矛盾；控制馬氏體的生成是獲得強韌性合理匹配的高性能X70級彎管的關鍵.

彎管；熱加工；強韌性；馬氏體；西氣東輸工程

在長輸管道建設中，彎管通常用來改變方向.為了制備高強度彎管，通常情況下感應彎制技術得到應用，這時母管的二次加熱過程不可避免.高強感應加熱彎管通常有3種制備過程：完全淬火、局部淬火和回火、完全淬火和回火［1］.最常用的方法是局部淬火和回火過程，也就是說淬火應用于彎制部位，并且整個管子包括直管段都進行回火.這表明，在高鋼級管線鋼彎管的制備過程中，管線鋼需要再次加熱，材料組織和強韌性等力學性能都將發生重要的變化，并且和母管存在差異.由于技術資料的保密，關于彎管制備的二次加熱過程工藝研究的文獻少見報道.

本文將對X70鋼級彎管制備所需的母管材進行二次加熱的熱過程進行模擬，探討該過程中組織和強韌性的變化規律，從而為彎管制備所需管線鋼二次加熱的熱工藝規范研究奠定試驗基礎，為西氣東輸二線建設工程做好選材研究的前期準備.

1 試驗材料和試驗過程

選擇2種成分不同，同時Di（臨界淬透直徑）也不同，而Pcm、Ceq接近（見表1）的母管材進行彎管制備的熱處理過程模擬試驗.在本研究中，母管分別在900℃、950℃、1000℃和1050℃下進行淬火，并隨后分別于350℃、450℃、550℃和650℃下進行回火處理.

表1 原材料的化學成分參量 Wt%

用于組織研究的樣品取自管體橫向垂直于軋制方向.樣品經機械拋光、3%硝酸酒精腐蝕后進行金相顯微鏡分析.金相組織觀察在MEF4M金相顯微鏡及圖像分析系統上進行.

從試驗鋼板端部垂直于軋制方向切取沖擊樣坯，經機床加工成10mm×10mm×55mm的夏氏V型缺口沖擊試樣.在0℃、－10℃、－20℃、－30℃4種溫度條件下，分別按照GB 2975—82、GB／T 229294標準規定，在JB 2300B機械式半自動沖擊試驗機上進行沖擊試驗.

拉伸試樣均采用?12.5mm的試樣，并按ASTM A370—2002標準規定，在MTS 810—15自動拉伸試驗機上進行.

參考Q／CNPC 108—2004《西氣東輸管道工程直縫埋弧焊管技術條件》和QSY XQ16 2003《西氣東輸管道工程用感應加熱彎管技術條件》對材料性能進行評述.

2 結果與討論

2.1 X70級彎管制備中母管二次加熱熱處理制度與力學性能的關系

2.1.1 二次加熱后X70管材的強度性能

試驗材料047和G7在不同熱處理條件下的強度性能分別如圖1－圖4所示.

從圖1－圖4可以看出，材料047和G7的抗拉強度≥570MPa，符合X70彎管技術條件的要求.

但是材料047屈服強度只有在淬火溫度≥1000℃和回火溫度為550℃時，才滿足X70彎管技術條件的要求（≥485MPa）.同樣，G7在二次加熱后，在所有熱處理制度范圍內，所有試樣的屈服強度都滿足X70彎管的技術條件的要求；抗拉強度和屈服強度在淬火溫度小于1000℃時，隨淬火溫度的升高而升高；在1050℃時淬火，以上2個力學性能會下降或保持不變.

材料047的屈強比均能滿足X70彎管技術條件的要求，在350℃、450℃時回火，屈強比隨淬火溫度的升高而升高.材料G7在單純回火后，屈強比和原始母材接近；但是，在350℃和450℃時回火后，試樣屈強比大于0.92.其他情況下均滿足要求.

可以看出，在彎管材料的二次加熱過程中，達到其標準要求強度指標并不困難.這是因為X70管材二次加熱后，淬火和回火工藝都能使強度指標升高［2－3］.而這2種X70彎管材料的屈服強度和抗拉強度性能間的差異主要是由于它們的臨界淬透直徑Di的不同造成的（Di是指鋼材在某種介質中淬冷后，心部得到全部馬氏體或馬氏體組織時的最大直徑）.一些鋼的臨界淬透直徑一般可以通過在油或水中的50%淬透性試驗來獲得.在本研究中，材料047的臨界淬透直徑略高于材料G7，這使得2種彎管母材二次加熱后強度性能不同.

2.1.2 二次加熱后X70材料的韌性性能

研究表明，材料047和G7的夏比沖擊韌性在900℃時正常（見圖5），但在淬火溫度≥950℃時開始出現分散點（見圖6和圖7）.由此可見，這2種材料二次加熱后，其力學性能主要體現為CVN和屈服強度之間的矛盾.

其中，047在淬火溫度950℃以下，其全部韌性值符合X70彎管韌性值≥120J的要求.沖擊韌性測試溫度愈低，CVN分散（一組數據中存在極低數值點的現象）愈嚴重.

因而，若材料047在1000℃時淬火并在450℃時回火，均能得到滿足X70級彎管韌性和強度指標的試驗結果.在該試驗條件下，材料組織為B（心部和一表面）或B＋M＋少量PF，晶粒度為5級.材料G7在900℃時淬火并在450℃時回火后，其強韌性指標均能達到X80母管的水平，此時金相組織為：心部為PF＋B＋P，表面為M；在950℃時淬火并在550℃時回火后，其強韌性指標能夠達到X70彎管技術條件的要求，此時金相組織為：心部為B粒，表面為PF＋B＋P或同時有少量M.

圖7 G7試樣在950℃時淬火后的沖擊功

2.2 二次加熱后影響彎管強韌性指標的材料組織變化規律

分別對比不同材料在不同淬火溫度下CVN的變化及強度變化和組織的關系，結果發現，當組織中有馬氏體出現時，二次加熱試樣組織的韌性將下降，但強度的變化與之相反.

以G7為例，對不同熱處理條件下材料組織和力學性能間的關系進行比較分析.

圖8所示為不同熱處理制度下的組織分布.

圖8 G7試樣在不同熱處理制度下的組織分布

圖9顯示，當組織中M增多后，CVN將出現分散點.

圖9 G7試樣在CVN分散情況下所對應的二次加熱材料組織

二次加熱后，當組織為PF＋B＋P或同時有少量M出現時，將可能獲得最佳的強韌性組合，如圖10所示.

圖10 最佳熱處理制度下所對應的二次加熱材料組織

G7試樣在最佳熱處理工藝下，試樣心部和表面金相組織如圖11和圖12所示.

G7試樣在CVN分散情況下對應的金相組織如圖13和圖14所示.

由圖8－圖14可知，在彎管制備的二次加熱中，控制M（馬氏體）的形成是獲得強韌性指標匹配的關鍵因素.這是因為二次加熱后，淬火處理使得馬氏體含量增多，馬氏體的增多使得材料的強度指標大大提高，完全可以滿足工藝標準中強度指標的規定，但是馬氏體的增多使得材料的韌性下降.這都表現在二次加熱后材料的強度指標上，尤其是屈服強度和韌性的矛盾關系上.因此，二次加熱能使彎管得到馬氏體組織，但馬氏體組織并不是熱處理要得到的最終組織.同時，回火處理使得材料彈性和強韌性增加.但是，為了最終緩解屈服強度和韌性指標間的矛盾，就需要控制馬氏體的形成.而二次加熱后，X70彎管的組織優化為PF＋B＋P或同時有少量M，這是因為多邊鐵素體是一個韌性相；同時珠光體是鐵素體和滲碳體的的共析混合物，相當于珠光體是由滲碳體增強的鐵素體，它是具有很好的強度和韌性性能的物相.而貝氏體，在本研究中主要是粒狀貝氏體，是馬氏體和殘余奧氏體的混合物，其特性為具有高的強度、韌性和耐磨性能，因而針對X70彎管強韌性匹配的要求，它也是X70級彎管的理想的相組成.正因為多邊鐵素體、貝氏體及其珠光體是強韌性相，能夠完全滿足X70級彎管對韌性指標的需求，緩解強度指標大大升高所帶來的韌性指標變差的趨勢，所以該物相組合為X70級彎管理想的相組合.但若在該級別（X70級）彎管中，二次加熱后帶來馬氏體的增多，就會使強度指標大大提高，而韌性指標大大降低，從而帶來屈服強度和韌性之間矛盾的增加.因而，控制馬氏體的形成，是制備X70級彎管的關鍵.

圖14 G7試樣表面組織M（500×）

3 結 語

（1）對2種不同的X70級彎管熱處理過程的研究表明，當淬火溫度≥950℃時，管材CVN開始出現分散點.因而，對于X70級彎管，最佳熱處理制度一般為淬火溫度≤950℃；

（2）在X70級彎管制備中，主要表現為強度和韌性2個指標間的矛盾.對不同母管材二次加熱后組織和力學性能數據的分析研究表明，控制馬氏體的形成是獲得強韌性合理匹配的彎管的關鍵.

［1］ Joe Knodo，Masaaki Takagishi.Development of Induction Bend Pipe［C］／／.Proceedings of Proceedings of OMAE＇02：21st International Conference on Offshore Mechanics and Artic Engineering June 23－28.Oslo，Norway：OMAE，2002.

［2］ 張小立，馮強，劉迎來，等.二次加熱對高鋼級管線鋼韌性及其組織的影響［J］.材料熱處理學報，2008（6）：66－69.

［3］ 張小立，劉迎來，馮耀榮，等.高鋼級管線鋼二次加熱后韌性指標變化規律及其與組織關系探討［J］.材料開發與應用，2008（1）：1－4.

Study on the Relationship between Microstructure and Obdurability of Reheat Treatment in X70 Bend Pipe Preparation

ZHANG Xiao－li
（Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007，China）

The thermal simulation of mother pipes in the reheating process in bend pipe producing is carried out，in which the relationship between the performance and microstructure of bending pipes are studied.By the research on the relationship between microstructure and properties of two steel with different critical quenching diameter（Di）in reheating process，the relationship between heat treating regime of X70grade bend pipes at heat process and its strength and toughness are discussed，also the regularity of microstructure of these selected materials after heat treat are showed in this paper.The results indicate that the main problem in producing of X70bends is the conflict between strength and toughness，controlling of content of formed martensite is the key points in gainning high quality X70grade bend pipes.

bend pipe；heat process；strength－toughness；martensite；west－east gas project

TG142.1

A

10.3969／j.issn.1671－6906.2012.02.005

1671－6906（2012）02－0023－05

2011－10－08

國家一等博士后基金項目（2006390319）

張小立（1969－），女，甘肅武威人，高級工程師，博士.