X65級含銅管線鋼的高溫塑性

李禹辰，史顯波，嚴(yán) 偉，單以銀，任 毅，沈明鋼，王一雍

(1.遼寧科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，鞍山 114051；2.中國科學(xué)院金屬研究所，沈陽 110016；3.海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國家重點實驗室，鞍山 114009)

0 引 言

微生物腐蝕(microbiologically influenced corrosion, MIC)是管線材料一種新的破壞和失效形式，近年來已引起國內(nèi)外相關(guān)企業(yè)、研究學(xué)者的廣泛關(guān)注[1]。管線材料的微生物腐蝕造成的經(jīng)濟損失巨大。新型含銅管線鋼的開發(fā)是針對微生物腐蝕導(dǎo)致的管線失效問題，從材料自身角度提出的一種方法[2]。鋼中加入銅不僅可以提高鋼的強度、耐腐蝕性能、抗菌性能、耐微生物腐蝕性能、抗疲勞性能、焊接及冷加工性能等，同時可充分利用含銅廢鋼資源，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益。由于鋼中加入較高含量的銅元素，管線鋼在連鑄或軋制過程中容易發(fā)生熱脆問題，這也是一直以來制約含銅鋼鐵材料發(fā)展和應(yīng)用的主要瓶頸之一。含銅鋼出現(xiàn)熱脆的根本原因是在高溫下鐵先被氧化，在表面形成一層氧化層，導(dǎo)致在氧化層下方形成液態(tài)銅的富集[3]；由于晶界處晶格錯配度高，富集的銅易沿晶界分布與擴散，導(dǎo)致晶界脆化，從而產(chǎn)生表面龜裂裂紋。自從研究[4]發(fā)現(xiàn)鎳可以減輕含銅鋼熱脆以來，研究人員主要通過在鋼中添加鎳元素的方法來改善含銅鋼的熱脆問題[5-6]，但鎳元素的價格昂貴，在鋼中添加一定含量的鎳元素會大大增加生產(chǎn)成本，所以如何在添加少量鎳元素的前提下提高含銅鋼板表面質(zhì)量成為研究的熱點。隨著冶金水平的提高和熱機械加工工藝的發(fā)展和完善，研究者逐漸意識到鋼鐵材料的高溫塑性決定著連鑄坯殼以及后續(xù)軋制后板材表面的冶金質(zhì)量。因此，研究含銅管線鋼的高溫塑性，對控制其連鑄坯表面裂紋的產(chǎn)生，改善連鑄坯質(zhì)量有重要意義?；诖耍髡吒鶕?jù)之前的研究成果自行設(shè)計開發(fā)出含質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.8%銅和1.0%鎳的X65級低碳低鎳含銅管線鋼，采用Gleeble-3800型熱模擬試驗機對該鋼進(jìn)行高溫拉伸試驗，研究了不同溫度下的高溫塑性，以期為含銅管線鋼的實際生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為自行設(shè)計開發(fā)的X65級低碳低鎳含銅管線鋼，其化學(xué)成分如表1所示，采用200 kg真空感應(yīng)冶煉爐熔煉而成，并澆注成鑄錠。鑄錠經(jīng)切冒口、表面處理后在1 150 ℃的熱處理爐中保溫2 h進(jìn)行鍛造，初鍛溫度為1 100 ℃，終鍛溫度為950 ℃，鍛造后空冷至室溫，試驗鋼的截面尺寸為100 mm×150 mm。鍛造后試驗鋼的顯微組織如圖1所示，可知其組織主要為多邊形鐵素體，晶粒尺寸在10～20 μm，晶粒大小不均勻。

表1 含銅管線鋼的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of Cu-bearing pipeline steel %

圖1 含銅管線鋼的顯微組織Fig.1 Microstructure of Cu-bearing pipeline steel

在試驗鋼上截取如圖2所示的熱拉伸試樣，在Gleeble-3800型熱模擬試驗機上進(jìn)行高溫拉伸試驗，先將試樣以10 ℃·s-1的速率加熱到1 300 ℃，保溫300 s，再以2 ℃·s-1的速率分別冷卻至850～1 300 ℃(間隔50 ℃)并保溫10 s，然后以10-1s-1的應(yīng)變速率拉伸試樣，拉斷后快速冷卻到室溫。在斷口附近取樣并制成金相試樣，經(jīng)研磨、拋光，并采用體積分?jǐn)?shù)4%硝酸酒精溶液腐蝕后，采用Zeiss LSM700型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織，利用Nova400Nano型場發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察熱拉伸試樣的斷口形貌。

圖2 熱拉伸試樣的尺寸Fig.2 Dimension of thermal tensile sample

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 高溫塑性

由圖3可以看出：含銅管線鋼的抗拉強度隨著試驗溫度的升高整體呈下降趨勢，在850 ℃拉伸時抗拉強度可達(dá)到105 MPa，而在1 300 ℃下的抗拉強度降至約30 MPa；隨著試驗溫度的升高，含銅管線鋼的斷面收縮率整體呈增大趨勢。當(dāng)試驗溫度高于1 050 ℃時，含銅管線鋼的斷面收縮率均在80%以上，表現(xiàn)出較好的高溫塑性，1 250 ℃時的斷面收縮率最大，超過95%，雖然1 300 ℃時的斷面收縮率有所下降，但仍然高于85%。當(dāng)試驗溫度高于1 250 ℃時，該溫度位于鋼的第Ⅰ脆性區(qū)，該區(qū)域發(fā)生的斷裂主要與液相的形成有關(guān)。由于該區(qū)域加熱溫度高，晶界熔化導(dǎo)致晶界處形成液膜，尤其當(dāng)晶界處富集低熔點雜質(zhì)時，晶界液膜會在更低的溫度下形成；在拉應(yīng)力作用下，隨著熔化區(qū)的擴大，空洞在晶界處形成并沿晶界生長，最終導(dǎo)致沿晶斷裂。因此該溫度區(qū)間含銅管線鋼的斷面收縮率有所降低。由此可見，在試驗溫度高于1 100 ℃時，含銅管線鋼具有良好的高溫塑性。850～1 000 ℃區(qū)間為管線鋼的熱機械軋制區(qū)間，對熱加工成型具有重要影響，此時斷面收縮率在60%左右。由鑄坯裂紋敏感性和斷面收縮率的經(jīng)驗關(guān)系[7-8]可知，當(dāng)斷面收縮率大于 60%時，坯料不會出現(xiàn)表面裂紋，而當(dāng)斷面收縮率小于60%時，易在坯料的表面下層出現(xiàn)裂紋。因此，該含銅管線鋼應(yīng)避免在850～1 000 ℃區(qū)間進(jìn)行大變形量變形。

圖3 含銅管線鋼的抗拉強度和斷面收縮率隨試驗溫度的變化曲線Fig.3 Curves of tensile strength (a) and percentage reduction of area (b) vs test temperature of Cu-bearing pipeline steel

由圖4可以看出，隨著試驗溫度的升高，含銅管線鋼的斷裂應(yīng)變先降低后增加。當(dāng)從850 ℃升高到900 ℃時，峰值應(yīng)力和斷裂應(yīng)變均大幅下降，而在900～1 300 ℃范圍，隨著試驗溫度的升高，斷裂應(yīng)變增加，峰值應(yīng)力先升高后降低。在高于1 000 ℃拉伸時，應(yīng)力達(dá)到最大值后試樣發(fā)生較大的變形后才斷裂，而在850～1 000 ℃拉伸時應(yīng)力達(dá)到最大值后試樣較快斷裂，說明含銅管線鋼在高于1 000 ℃拉伸時的塑性較好，與斷面收縮率的結(jié)果吻合。

圖4 含銅管線鋼在不同溫度拉伸過程中的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Engineering stress-strain curves of Cu-bearing pipeline steel during tension at different temperatures

2.2 斷口形貌

試樣的高溫塑性與斷口形貌密切相關(guān)，高溫塑性好的試樣頸縮量大，斷面收縮率大；斷口韌窩越大，塑性越好，而塑性差的試樣，斷口處直徑變化很小，韌窩小而淺，斷面較平，斷口呈現(xiàn)脆性斷裂特征，斷面收縮率很小[9]。由圖5可知：當(dāng)試驗溫度為900,1 050 ℃時，斷口中存在較大的韌窩，且斷口表面不平整，部分區(qū)域存在較深孔洞，說明其高溫塑性較好；而在1 250 ℃拉伸后，試樣因晶界熔化而被拉斷，斷口中未出現(xiàn)韌窩，但其頸縮量大，斷面收縮率大，斷口直徑小，說明高溫塑性更好。

圖5 不同溫度下熱拉伸試樣的斷口宏觀形貌Fig.5 Macroscopic fracture morphology of thermal tensile samples at different temperatures

由圖6可以看出：當(dāng)試驗溫度為900，1 050 ℃時，斷口中存在大小不等、深淺不一的韌窩，晶界處有明顯的撕裂棱，因此斷裂方式為微孔聚集型斷裂。大韌窩是由析出的第二相顆?；驃A雜物形成的，第二相顆粒或夾雜物與基體的結(jié)合力較弱，在外應(yīng)力作用下，這些位置更容易產(chǎn)生微孔，微孔的聚集長大最終導(dǎo)致試樣斷裂；小韌窩是由大韌窩之間發(fā)生互相撕裂后連接而形成的[10-13]。當(dāng)試驗溫度為1 250 ℃時，由于該溫度下發(fā)生的斷裂主要與液相的形成有關(guān)，雖然斷面收縮率較大，但斷口并不是由大量韌窩組成，而是沿晶形成的平坦斷口。

圖6 不同溫度下熱拉伸試樣的斷口微觀形貌Fig.6 Microscopic fracture morphology of thermal tensile samples at different temperatures

2.3 斷口組織

由圖7可以看出，當(dāng)試驗溫度為900 ℃時，斷口附近的組織沿變形方向呈拉長形貌，未發(fā)生再結(jié)晶，而1 050 ℃拉伸后，可明顯觀察到再結(jié)晶晶粒從原變形晶粒的界面上開始生長，因此高溫塑性有所提高。當(dāng)試驗溫度升高至1 250 ℃時，大部分組織均發(fā)生再結(jié)晶，此時斷面收縮率最大。結(jié)合斷面收縮率的變化規(guī)律可以看出，在試驗溫度高于1 050 ℃時，含銅管線鋼高溫塑性的提高與動態(tài)再結(jié)晶有關(guān)[14]。而當(dāng)試驗溫度為1 300 ℃時，發(fā)生的晶界熔斷提前結(jié)束了塑性變形，造成斷面收縮率下降[15]。在整個溫度范圍內(nèi)斷口附近組織中未觀察到銅的析出，這說明管線鋼中的銅依然固溶在基體中，而不是擴散到晶界或鋼/氧化皮界面處形成銅的偏聚。由于含銅管線鋼中含有較多的鎳，鎳在銅中有較快的擴散速率[16]，并且鎳能提高銅在奧氏體中的溶解度，減少銅在奧氏體晶界的析出；同時鎳可以改變氧化層中富銅相的組成，與銅和鐵元素形成熔點超過1 200 ℃的Ni-Cu-Fe相并以固態(tài)顆粒形式保留在氧化層內(nèi)，從而有效改善含銅管線鋼的熱塑性[6，17]。

3 結(jié) 論

(1) 含銅管線鋼的抗拉強度隨著試驗溫度的升高整體呈下降趨勢，在850 ℃拉伸時的抗拉強度可達(dá)到105 MPa，而在1 300 ℃時降至約30 MPa；隨著試驗溫度的升高，含銅管線鋼的斷面收縮率整體呈增大趨勢，當(dāng)試驗溫度高于1 050 ℃時，斷面收縮率均在80%以上，表現(xiàn)出較好的高溫塑性，850～1 000 ℃區(qū)間斷面收縮率在60%左右，應(yīng)避免在該溫度區(qū)間對該管線鋼進(jìn)行大變形量變形。

(2) 當(dāng)試驗溫度為900，1 050 ℃時，斷口中存在大小不等、深淺不一的韌窩，晶界處存在明顯的撕裂棱，斷裂方式為微孔聚集型斷裂，當(dāng)試驗溫度為1 250 ℃時，斷口為沿晶形成的平坦斷口；在試驗溫度高于1 050 ℃時，含銅管線鋼高溫塑性的提高與動態(tài)再結(jié)晶有關(guān)；在連鑄溫度范圍(1 100～1 250 ℃)內(nèi)，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%鎳的含銅管線鋼具備優(yōu)異的高溫塑性，可以保證連鑄坯的冶金質(zhì)量。