| 高性能管线钢的组织及强韧化机理研究 | |
| Alternative Title | Study on Microstructure and Strengthening & Toughening Mechanism of High Performance Pipeline Steels |
| 王伟 | |
| Subtype | 博士 |
| Thesis Advisor | 杨柯 |
| 2009-05-24 | |
| Degree Grantor | 中国科学院金属研究所 |
| Place of Conferral | 金属研究所 |
| Degree Discipline | 材料加工工程 |
| Keyword | 针状铁素体管线钢 抗大变形管线钢 显微组织 Tmcp工艺 强韧化机理 |
| Abstract | 随着我国经济的持续高速发展，对能源的需求急剧增加。由于环保需求和能源结构调整的需要，大力发展石油、天然气代替煤炭是我国能源发展的必然趋势。管道输送是长距离输送石油、天然气最经济、高效、安全和环保的运输方式。对天然气能源需求的日益增加，刺激着天然气管道工业的快速发展。目前X70和X80级针状铁素体管线钢是国际上进行天然气管线建设的首选级别和品种，已经投入了工业化应用。但是，在针状铁素体复相组织的鉴别分析及其与强韧性能的关系方面还缺乏系统而深入的研究。此外，随着油气开发向极地、次极地环境或海底的发展，管线运输有时会经过地震敏感区、土壤滑坡地区、不连续永冻层以及海底等危险地段，管线的安全性越来越引起人们的关注。为此，发展抗大变形管线钢，进一步提高其抗变形性能是一个重要的发展方向。然而目前我国在此方面开展的相关研究还较少，鲜见报导。 本论文在国家自然科学基金“针状铁素体管线钢中的复相结构及其对强韧性能的影响”（50471106）、辽宁省科技攻关项目“石油天然气能源工业用超高强度管线钢研究”（2005210002 & 2005221002）、中信-CBMM铌钢研究和开发项目“含铌微合金钢显微组织的精确鉴别与分析”（2008RMJS-D030）等资助下，开展了针状铁素体管线钢中复杂的复相组织控制、鉴别分析及其与力学性能关系的研究工作。在舞阳钢铁有限责任公司的相关项目资助下，开展了抗大变形管线钢的成分设计、连续冷却相变规律、热模拟工艺、组织控制及力学性能等研究工作。 论文对比研究了针状铁素体管线钢和多边形铁素体－少珠光体管线钢的显微组织和强韧性能，结果表明：管线钢中不同的铁素体组织具有不同的形貌特征；针状铁素体管线钢的高强度归功于其细小的有效晶粒尺寸和高的小角度晶界含量，即细小的晶粒及高密度位错和亚结构；针状铁素体管线钢优异的韧性源于其更加细小的有效晶粒尺寸和断裂解理单元以及更加曲折的裂纹扩展路径。 论文研究了热机械控制加工（TMCP）工艺控制、针状铁素体复相组织鉴别分析及其与强韧性能的关系。研究结果表明，改变TMCP工艺条件，可以使超低碳C-Mn-Mo-Nb-V系管线钢获得不同组元比例（准多边形铁素体QF、粒状贝氏体铁素体GF和贝氏体铁素体BF）的针状铁素体（AF）复相组织，从而获得了不同的力学性能。在给定的终轧温度750～850℃、冷却速度15～25℃/s和模拟卷取温度500～600℃范围内，降低终轧温度导致有效晶粒尺寸明显减小，对AF管线钢的强韧性能都有贡献；冷却速度和模拟卷取温度的变化对有效晶粒尺寸没有明显影响。降低终轧温度、提高冷速，会由于AF复相组织中低温组织（GF和BF）的形成，尤其是BF含量的提高，而有利于提高AF管线钢的强度；提高模拟卷取温度增强了析出强化效果。提高模拟卷取温度增强的析出强化效果不如降低终轧温度导致的AF低温组织含量提高和晶粒细化对强度提高的贡献大。电子背散射衍射（EBSD）分析结果表明，随着终轧温度的下降，大角度晶界含量先提高后降低，在相变点以上40℃附近达到最高值。研究结果表明，在有效晶粒尺寸1.63～3.04μm之间，大角度晶界含量变化对韧脆转变温度的能量转变温度影响明显，大角度晶界含量越高，韧脆转变温度越低，低温韧性越好。 论文对不同Nb含量的低碳C-Mn-Mo-Nb-V-Ti系管线钢进行了静态和动态连续冷却相变规律研究以及工业化试制。研究结果表明，在未经热变形和热变形条件下，两种Nb含量管线钢的组织形貌变化存在明显差异。未经热变形时，高Nb管线钢的相变略被推迟，不利于形成AF组织。然而在热变形条件下，高Nb管线钢更加促进相变CCT曲线的右移，有利于形成AF组织，在较低的冷却速度下就可以获得BF为主的组织，具有高的显微硬度。在热变形条件下，高Nb管线钢在冷速10～30℃/s范围内可以获得细小的BF为主的针状铁素体复相组织，普通Nb管线钢则需在20～30℃/s的冷速范围方可获得细小的BF为主的组织。在连续冷却相变规律研究的基础上，结合实验室AF管线钢的TMCP工艺、组织和强韧性能的研究结果，针对两种Nb含量管线钢，提出了推荐的TMCP工艺，选取精轧开始温度940～910℃、终轧温度830～800℃，终轧后冷速分别为10～20℃/s和20～30℃/s，进行了工业化试制，均获得了细小的BF为主的X80级针状铁素体管线钢。 论文对设计成分为低碳C-Mn-Mo-Nb-V-Ti型抗大变形管线钢的静态和动态连续冷却相变的研究结果表明，为了获得满足抗大变形管线钢要求的铁素体+贝氏体组织，需首先以5℃/s以下的冷却速度进入两相区轧制以获得多边形铁素体（PF）组织，然后以20～30℃/s的冷却速度获得BF组织。两道次和三道次热模拟实验的相变点测试结果表明，在终轧前道次间冷速为1～5℃/s以及最后一道次工程应变速率为3～10/s的范围内，改变冷速和工程应变速率对BF转变的相变点没有明显影响；在相近的总变形量下，多道次轧制对BF转变开始点没有明显影响，但提高了BF转变结束点。在相近的总变形量下，经过多道次轧制、减少两相区终轧的变形量以及降低工程应变速率，有利于促进PF的形成。多道次热模拟实验结果表明，随着总变形量和终轧前两相区停留时间的增加，在最后一道次两相区轧制有利于形成PF组织。在连续冷却相变规律和热模拟工艺研究的基础上，选取精轧开始温度940～910℃、终轧温度730～700℃、终轧后冷速20～30℃/s，进行工业化试制，成功地制备出（PF+BF）复相组织管线钢。力学性能测试结果表明，真应力－真应变曲线呈圆屋顶形，具有低的屈强比、高的加工硬化系数以及高的延伸率，具有较低的韧脆转变温度和高的上平台能，性能达到国外X65级抗大变形管线钢的实物水平，满足DNV标准规定的海底承受塑性变形X65级管线钢要求。 |
| Pages | 120 |
| Language | 中文 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/17237 |
| Collection | 中国科学院金属研究所 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 王伟. 高性能管线钢的组织及强韧化机理研究[D]. 金属研究所. 中国科学院金属研究所,2009. |
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