摘 要:采用 Gleeble-3800型熱模擬試驗(yàn)機(jī)對含質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.8%銅和1.0%鎳的 X65級低碳低 鎳含銅管線鋼進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn),研究不同溫度(850~1300 ℃)下的高溫塑性。結(jié)果表明:含銅 管線鋼的抗拉強(qiáng)度隨著試驗(yàn)溫度的升高整體呈下降趨勢,在850℃拉伸時(shí)抗拉強(qiáng)度達(dá)到105MPa, 而在1300℃時(shí)的抗拉強(qiáng)度降至約30MPa;隨著試驗(yàn)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(yàn)溫度高于1050 ℃時(shí),斷面收縮率均在80%以上,表現(xiàn)出較好的高溫塑性,850~ 1000℃區(qū)間斷面收縮率在60%左右,應(yīng)避免在850~1000℃區(qū)間對該管線鋼進(jìn)行大變形量變形; 在試驗(yàn)溫度高于1050 ℃時(shí),含銅管線鋼高溫塑性的提高與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶有關(guān);在連鑄溫度范圍 (1100~1250 ℃),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。

關(guān)鍵詞:含銅管線鋼;高溫塑性;斷面收縮率;動(dòng)態(tài)再結(jié)晶

中圖分類號:TG142.33 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:1000-3738(2022)07-0090-05

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(jì)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(qiáng)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(shí)可充分利用含銅廢鋼資源, 降低生產(chǎn)成本,提高經(jīng)濟(jì)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(cuò)配度高,富集的銅易沿晶界分布與擴(kuò)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(jià)格昂貴,在鋼中添加一定 含量的鎳元素會(huì)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(diǎn)。隨著冶金水平的提高和熱機(jī)械加工工 藝的發(fā)展和完善,研究者逐漸意識(shí)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?作者根據(jù)之前的研究成果自行設(shè)計(jì)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(yàn)機(jī)對該 鋼進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn),研究了不同溫度下的高溫塑 性,以期為含銅管線鋼的實(shí)際生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為自行設(shè)計(jì)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200kg 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1150 ℃的熱處理爐中保溫 2h進(jìn)行 鍛 造,初 鍛 溫 度 為 1100 ℃,終 鍛 溫 度 為 950 ℃,鍛造后空冷至室溫,試驗(yàn)鋼 的 截 面 尺 寸 為 100mm×150 mm。鍛造后試驗(yàn)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10~20μm,晶粒大小不均勻。

在試驗(yàn)鋼上截取如圖2所示的熱拉伸試樣,在 Gleeble-3800型熱 模 擬 試 驗(yàn) 機(jī) 上 進(jìn) 行 高 溫 拉 伸 試 驗(yàn),先將試樣以10 ℃·s -1的速率加熱到1300 ℃, 保溫300s,再以2 ℃·s -1的速率分別冷卻至850~ 1300 ℃(間隔50 ℃)并保溫10s,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。

2 試驗(yàn)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(qiáng)度隨著 試驗(yàn)溫度的升高整體呈下降趨勢,在850 ℃拉伸時(shí) 抗拉強(qiáng)度可達(dá)到105 MPa,而在1300 ℃下的抗拉 強(qiáng)度降至約30MPa;隨著試驗(yàn)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(yàn)溫度高 于1050℃時(shí),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,1250℃時(shí)的斷面收縮率 最大,超過95%,雖然1300 ℃時(shí)的斷面收縮率有所 下降,但仍然高于85%。當(dāng)試驗(yàn)溫度高于1250℃ 時(shí),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(diǎn) 雜質(zhì)時(shí),晶界液膜會(huì)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(kuò)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(yàn)溫 度高于1100 ℃時(shí),含銅管線鋼具有良好的高溫塑 性。850~1000℃區(qū)間為管線鋼的熱機(jī)械軋制區(qū)間, 對熱加 工 成 型 具 有 重 要 影 響,此 時(shí) 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(yàn) 關(guān)系[7-8]可知,當(dāng)斷面收縮率大于 60%時(shí),坯料不會(huì) 出現(xiàn)表面裂紋,而當(dāng)斷面收縮率小于60%時(shí),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850~1000℃區(qū)間進(jìn)行大變形量變形。

由圖4可以看出,隨著試驗(yàn)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(shí),峰值應(yīng)力和斷裂應(yīng)變均大幅下降,而在 900~1300 ℃范圍,隨著試驗(yàn)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1000 ℃ 拉伸時(shí),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850~1000 ℃拉伸時(shí)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1000 ℃ 拉伸時(shí)的塑性較好,與斷面收縮率的結(jié)果吻合。

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(yàn) 溫 度 為 900,1050 ℃時(shí),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1250 ℃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。

由圖6可以看出:當(dāng)試驗(yàn)溫度為900,1050 ℃ 時(shí),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?；驃A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(yàn) 溫 度 為 1250 ℃時(shí),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。

2.3 斷口組織

由圖7可以看出,當(dāng)試驗(yàn)溫度為900℃時(shí),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1050 ℃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(yàn)溫度升高至1250 ℃時(shí),大部分組織均 發(fā)生再結(jié)晶,此時(shí)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(yàn)溫度高于1050 ℃ 時(shí),含銅管 線 鋼 高 溫 塑 性 的 提 高 與 動(dòng) 態(tài) 再 結(jié) 晶 有 關(guān)[14]。而當(dāng)試 驗(yàn) 溫 度 為 1300 ℃ 時(shí),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(gè)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(kuò)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(kuò)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(shí)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(diǎn)超過1200 ℃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(qiáng)度隨著試驗(yàn)溫度的升 高整體呈下降趨勢,在850 ℃拉伸時(shí)的抗拉強(qiáng)度可 達(dá)到105MPa,而在1300 ℃時(shí)降至約30 MPa;隨 著試驗(yàn)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(yàn)溫度高于1050 ℃時(shí),斷面收縮 率均在80% 以 上,表 現(xiàn) 出 較 好 的 高 溫 塑 性,850~ 1000 ℃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(yàn)溫度為900,1050 ℃時(shí),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(yàn)溫度為 1250 ℃時(shí),斷口為沿晶形成的平坦斷口;在試驗(yàn)溫 度高于1050℃時(shí),含銅管線鋼高溫塑性的提高與動(dòng) 態(tài)再結(jié)晶有關(guān);在連鑄溫度范圍(1100~1250 ℃) 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。

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<文章來源 > 材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 機(jī)械工程材料 > 46卷 > 7期 (pp:90-94)>