微合金化针状铁素体型管线钢组织和性能研究.pdf
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1、上海交迥大掌博士掌位论文 微合金化针状铁素体型管线钢组织和性能研究 摘要 为降低管线的建设和运营成本、保证高压长距离输送天然气管线的安 全、可靠性,对所用钢材要求具有高强度、高韧性和良好的焊接陛能。材 料的强度与韧性、焊接性是一对矛盾。因此,对高压输气管线钢需采用较 以往“贫珠光体”组织特征的管线钢不同的组织和成分设计。本研究以微 合金化钢的晶粒细化、强韧化理论和T M C P 技术为基础,提出超低碳微合 金化管线钢的设计思想,系统地研究了西气东输工程用微合金化针状铁素 体型X 7 0 管线钢的组织和性能。 采用热模拟试验方法研究了针状铁素体型管线钢高温变形的热塑性、 变形抗力和奥氏体的连续冷
2、却转变。结果表明:变形速率为1 0 - V s 时,在 1 0 5 0 0 C 1 2 0 0 。C 范围内具有较好的高温塑性。加大冷却速度可促进形变奥 氏体向针状铁素体的转变,并细化组织。同样变形条件下,超低碳成分的 针状铁素体管线钢与低砀; ) 【7 0 管线钢的变形抗力值差别不大。 通过拉伸试验、夏比冲击试验、示波冲击试验、落锤撕裂试验( D W T T ) 和裂纹尖端张开位移( C T O D ) 断裂韧性试验研究了针状铁素体型X 7 0 管 线钢的强度、韧性。与传统低碳贫珠光体管线钢相比,超低碳针状铁素体 管线钢强度等级相近,在拉伸曲线上表现为连续屈服;具有更高的冲击韧 性和断裂韧性
3、、更低的夏比冲击韧脆转变温度和更低的落锤撕裂试验 ( D w T T ) 的韧脆转变温度,具有良好的抗低温动态撕裂能力;示波冲击 试验表明成分相同的情况下针状铁素体组织的试验钢较含少量珠光体组织 的试验钢具有更高的冲击韧性,对裂纹扩展具有更高的止裂能力。 采用光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜对微合金化针状 铁素体管线钢组织进行显微分析。针状铁素体管线钢组织均匀细小,珠光 体带状组织已消除,铁素体晶粒边界不平直,呈明显的形变特征,并分布 着一些M - A 组元。析出相主要是啊和N b 的碳氮化物,析出相尺寸从1 0 r i m 数量级到1 0 0 r i m 数量级不等,呈均匀分布和偏
4、聚于晶界等缺陷部位分布。 透射电镜下典型的针状铁素体精细组织呈片型的针状形态,且其中含与细 小析出相交互作用的高密度位错结构。显微组织的细化有利于提高材料的 强度和韧性。 焊接热模拟试验结果表明,试验钢粗晶区再加热脆化现象主要发生在 7 8 0 8 4 0 的再加热温度区。粗晶区脆化主要与大颗粒的M - A 组元有关。 临界再热粗晶区脆化与M - A 组元的分布形态和比例有关。随焊接线能量的 增加粗晶区的韧性下降。大线能量时形成大尺寸的M - A 组元是使韧性下降 的主要原因。M - A 组元中的残余奥氏体比例的增加有助于改善韧性。针状 铁素体X 7 0 管线钢具有好的焊接性能。 氢诱裂纹(
5、H I C ) 性能研究表明采用超低碳超低硫成分设计的针状铁素 体X 7 0 管线钢可具有良好的抗氢诱裂纹性能。由条状硫化物和带状珠光体 产生氢诱裂纹的因素已得到较好控制:引起针状铁素体X 7 0 管线钢氢诱裂 纹的主要因素是钢中局部的成分偏析或组织偏析。 微合金化针状铁素体管线钢具有高强度、高韧性、低的韧脆转变温度 和高的断裂韧性指标,对保证高压输气管线的安全性具有重要意义。 关键词:针状铁素体,管线钢,组织,性能,微合金 上海交通大掌博士学位论文 S T U D YO FM C R O S T R U C T U R EA N DP R O P E R T 匝S O F 加C R O A
6、L L o Y E DA C I C U L A RF E R R I T E p I P E L I N ES T E E L T h es t e e lu s e df o rh i g h - p r e s s u r e g a sp i p e l i n e m u s th a v eh i g h 曲嘲唱l I ,h i 曲 c r a c k - r e s i s t a n c et o u g l m e s sa n dg o o dw e l d a b i l 毋i no r d e rt og n a l t e et h es a f es e c u r
7、 i t ya n d r e l i a b i l i t y I ti sac o n t r a d i c t i o nt os n e n 酉ha n dt o u g h n e s s , w e l d a b i l 时o f am a t e r i a l T h e r e f o r e , a n e w d e s i g no f m i e r o s l r u c t m ea n dc o m p o s i t i o ni sn l d sf o rh i g h - p r e s s 嘴p i p e l i n es t e e l ,w
8、h i c hi s q u i t ed i f f e r e n tt ot h ep i p e l i n es t e e lw i t hp o o rp e a r l i t em i c r o s l r u c t u r e B a s e do l lt h et h e o r i e so f g r a i nr e f m i n 舀蜘舀h m ga n dt o u g h e n i n go f m i c r o a l l o y e ds t e e la n dt h et e c h n o l o g yo f T M C P , t h
9、ed e s i g ni d e ao fu l t r a - l o wc , a o o r lm i e r o a l l o y e dp i p e l i n es t e e li sp u tf o r w a r d , a n dt h e m i e r o s t m e t u r ea n d p r o p e r t i e so f m i c r o a l l o y e da e i c u l a rf e r r i t eX 7 0p i p e l i n es t e e lw h i c hu s e df o r t h e w E
10、s l :E A s T G 豁P i p e l i n e P r o j e c t h a v e b e e ns t u d i e d B yh e a ts i m u l a t i o n , t h el 蜘p l a s t i c 酊a th i g ht e m p e r a t u r e , d e f o r m a t i o ns t r e s sa n dC C T C U l V eo f a e i c u l a rf e n i t ep i p e l i n es t e e la f cs t u d i e d T h er e s
11、u l t ss h o wt h a tt h es t e e lh a sg o o dh o t p l a s t i c i t yw h e nd e f o r m i n gb e t w e e n1 0 5 0 0 C 1 2 0 0 0 Ca t1 0 “| ss l r a i nr a t e ,i n c r e a s i n gc o o l i n g r a t e 蛐a c c e l e r a t ed e f o r m e da u s t e n i t et r a n s f o r m a t i o nt oa c i c u l a
12、rf e r d t ea n dr e f i n i n g m i c r o s m m u r c T h ed i f f e r e n c eo f d e f o r m i n gs t r e s sa th i g ht e m p e r a t u r eb c t w e E l lt h es t e e lw i t h u l t r a - l o wc 印f b o f Ia n dt h es t e e lw i g hl o wc a r b o ni sn o t t o om u c h B yu s i n gt e n s i l et e
13、 s t , C l I a 哪V - n o t c hi m p a c tt e s t , i n s l n n n c n ti m p a c tt e s t , D 、 广r ( a t o p w e i g h t t e a r t e s t ) a n d C T O D f i a c n a e t o u g h n 鹤t e s t , t h e 蛐t n g l l l a n d t o u g h n e s s o f a e i e u l a r f e r r i t e X T 0p i p e l i n es t e e l 勰s t
14、u d i e d C o m p a r i n gt ot r a d i t i o n a lp i p e l i n es t e e lw i t hp o o r 删j 把,武 s a m es t e e lg r a d et h eu l t r a - l o wc a r b o na e i e u l a rf e r r i t ep i p e l i n es t e e lh a v eC O R t i n U I R I Sy i e l d i n g t e n s i l ec u r v e , h i g h e rC h a r y 自m
15、p a e tt o u g h n e s sa tl o w 缸1 1 p e 咖Ba n d f r a c t u r e 细曲n e 黯l o w e r F A T T o f C h a r p y t e s t a n d D r r t 瞬tw h i c h s h o w t h e 瓣l h a s g o o d a b i l 晦t o r e s i s t a n tt h ed y n a m i c :c r a c kt e a r i I l ga tl o wt c l n p c 相n l 哼T h er e s u l to fi n s l l
16、 a 蛐e r l ti m p a c tt e s t A B S T R A C T s h o w st h a tt h es t e e lw i l ha c i c u l a rf e r r i t eh a sh i g h e ri m p a c t 锄e 叼f l l a n 衄s t e e lw i t hp e a r I i t ea t s a m ec o m p o s i t i o n T h es t e e lw i t ha e i e u l a rf e r r i t eh a sh i g l l e ra b i l i t yt
17、oa r r e s tc r a c ke n l a r g i n g B yO E M ,S E Ma n dT E M ,m i c r o s t r u e t u r eo fm i c r o a l l o y e dp i p e l i n es 矧w i t ha e i e u l a r f e t r i t ei sa n a l y z e d T h em i 甜o s 虮J c | L H i sf i n ea n dt h e r ei sn Op e a r l i t eb a n d T h eg 曲b o u n d a r i e s o
18、ft h ef e r r i t ea p p e a rc u r l yw i t hd e f o r m e dc h a r a c t e r i s t i cc o m p a r i n gt h em i e r o s l r u c t u mo f p o l y g o n a lf e r r i t ei nt h es t e e lw i t hf e r r i t ea n dp e a r l i t e T h e r ea f es o l n ed e f o r m e db a n d sa n dM A s t r u c t u r e
19、 w i t h i n t h e f e r r i t e T h e r e a t e a l a w n u m b e r o f v e r y f i n e p r e c i p i t a t e d l 商t i c l e s , w h i c h i s m a i n l y 啊a n dN be a d 煳i t r i d e D i s t r i b u t i o no f t l l ci J a r t i c l e si su n i f o r ma n dg a t J l e r i n ga tg r a i n b o u n d
20、a r i e s T h es i z eo ft h ep a r t i c l ei sf r o ml O n mt ol O O n m T h ef m em i c r o s t r u c n I r eo ft i l e a c i c u l a rf e r r i t ea p p e a r st h i na c i c u l a rs I a p e ,i nw h i c ht h e r ea h i g h - d e n s i t yd i s l o c a t i o n st h a t i n t e r a c tw i t hf i
21、n ep r e c i p i t a t e dp a r t i c l e s 1 1 帕s t r e n g t ha n dt o u g h n e s so fs t e e l sc a I lb e n e f i tf r o m u n i f o r ma n df m em i e r o s l r u e t t R T h er e s u l to f w e l dh e a ts i m u l a t i o ns h o w st h a tb r i t t l eo h e n o m e n o na f t e rr e h e a t i
22、 n ga tc o a 嘲 g r a i nz o n eo f 磕h es t e e lD c c l 】l sb c | 陆蚴7 8 1 ) - - 8 4 0 “ C ,B r i t t l e n e s so f c o a r s eg r a i nz o n e :i sr e l a t e dt o l a r g es i z eM - Au n i t B r i t t l e n e s so fc r i t i c a lr e h e a t i n gc o a 批g r a i nz o n ei sr e l a t e d 幻t h e d i
23、 s l r i b u t i o n 锄dt h es c a l eo f M - At m i t T h et o u g h n e s so f c r s eg r a i n7 0 1 1 ed e c r e a s ew i t hh e a t i n p u t 廿l 键yi f l 蝴s i 哼1 n h el a r g es i z eM Au n i tf o r m e db yh i g hh e a ti n p u ti sl h em a i nc a u s eo f 船t o u g h n e s sd e c r e a s i n g n
24、ep e r c e n to fa u s t e n i t ei nM Au n i ti n c r e a s i n gc a ni m p r o v e 龇 t o u g h n e s s A c i c u l a rf e r r i t eX 7 0p i p e l i n es t e e lh a sg o o dw e l da b i l i t y A e i e u l a rf e r r i t eX 7 0p i p e l i n es t e e lw i t hu l l r , h l o wc a r b o na n du l t r
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- 合金 针状 体型 管线 组织 性能 研究
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