螺旋埋弧焊管母材韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響因素

螺旋埋弧焊管母材韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響因素

0試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。在鋼管全尺寸爆破試驗(yàn)由于材料的耐脆變溫度（fatt）通常通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)v形溝截面熱敏電阻試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量，但由于v形溝截面熱敏電阻樣品的大小、延伸度和負(fù)荷，與材料的實(shí)際承受量不同，因此測(cè)量結(jié)果往往不同于材料的實(shí)際破壞狀態(tài)。而管線鋼落錘撕裂試驗(yàn)(DWTT)結(jié)果與鋼管全尺寸爆破試驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)吻合,更接近于管線鋼管的實(shí)際斷裂狀態(tài),因此成為評(píng)定高強(qiáng)度、高韌性管線鋼脆性斷裂和延性斷裂性能的重要方法。韌脆轉(zhuǎn)變溫度決定了管線鋼的低溫性能,是衡量管線鋼脆性轉(zhuǎn)變的重要指標(biāo),直接影響了管線鋼的使用范圍。筆者研究了螺旋埋弧焊管母材不同取樣方向?qū)WTT試驗(yàn)韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響,并分析了原因,研究結(jié)果對(duì)管線鋼管的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。1材料及組織分析某制管廠采用X70級(jí)1550mm×17.5mm規(guī)格卷板生產(chǎn)1016mm×17.5mm螺旋埋弧焊管時(shí),執(zhí)行Q/SYGJX0127—2007《西氣東輸二線管道工程用X70螺旋埋弧焊管技術(shù)條件》。根據(jù)技術(shù)條件要求,在母材距焊縫90°位置取管體橫向和管體縱向試樣,分別進(jìn)行DWTT系列溫度試驗(yàn),得到不同的韌脆轉(zhuǎn)變溫度,如圖1所示。從圖1中可以看出,橫向試樣的韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于縱向試樣的韌脆轉(zhuǎn)變溫度,橫向試樣的50%FATT在-40~-50℃,而縱向試樣的50%FATT在-30~-40℃。鋼管母材的化學(xué)成分及技術(shù)要求見(jiàn)表1。材料的晶粒度為12級(jí),組織成分為粒狀B+PF+MA+少量P,其金相組織如圖2所示。DWTT試樣的尺寸為76.2mm×305mm×B,B為壁厚,采用5mm的壓制型缺口,在量程為30000J的落錘試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)溫度為0℃,試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為SY/T6476—2007。2影響因素分析2.1材料尺寸對(duì)相加工的影響細(xì)化晶粒一直是增強(qiáng)材料韌性,避免脆斷的重要手段,韌脆轉(zhuǎn)變溫度與晶粒大小有如下定量關(guān)系:式中:β,B和C—常數(shù);d—晶粒尺寸;Tk—韌脆轉(zhuǎn)變溫度。從公式(1)可以看出,細(xì)化晶粒材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度降低。文獻(xiàn)的研究表明,材料50%FATT與晶粒尺寸的關(guān)系如圖3所示,圖中dmax是指材料斷裂方向上的晶粒尺寸。管線鋼制造過(guò)程采用熱機(jī)械控軋工藝(TM-CP),鋼卷的軋制過(guò)程造成管線鋼的晶粒并非等軸晶,沿軋制方向的晶粒尺寸較長(zhǎng)。采用X70級(jí)1550mm×17.5mm規(guī)格卷板生產(chǎn)1016mm×17.5mm螺旋埋弧焊管時(shí),焊管螺距為1775mm,可以計(jì)算出:對(duì)于橫向試樣,其撕裂方向與鋼卷軋制方向夾角約為60°;而對(duì)于縱向試樣,其撕裂方向與鋼卷的軋制方向夾角成30°。由于與軋制方向的夾角不同,造成了dmax的不同,縱向試樣的dmax大于橫向試樣,所以縱向試樣的韌脆轉(zhuǎn)變溫度高于橫向試樣的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。2.2影響鋼韌性的因素管線鋼的化學(xué)成分對(duì)其韌脆轉(zhuǎn)變溫度有較大的影響,因而相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)輸送鋼管的化學(xué)成分均有嚴(yán)格要求(見(jiàn)表1)。含碳(C)量對(duì)鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度有很大的影響,隨著鋼中含C量的增加,材料塑性抗力增加,韌脆轉(zhuǎn)變溫度明顯提高,轉(zhuǎn)變的溫度范圍也加寬,鋼中含C量增大對(duì)韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響,主要?dú)w結(jié)為珠光體的增加加大了鋼的脆性。管線鋼中的錳(Mn)可以抑制鐵素體-珠光體的轉(zhuǎn)變,促進(jìn)貝氏體的形成,從而提高管線鋼的韌性,隨著Mn含量的增加,韌脆轉(zhuǎn)變溫度降低。鉬(Mo)可以細(xì)化晶粒和形成第二相質(zhì)點(diǎn),以此來(lái)提高鋼的韌性,影響韌脆轉(zhuǎn)變溫度。硫(S)、磷(P)等雜質(zhì)易偏聚于晶界,降低晶界表面能,產(chǎn)生沿晶斷裂,同時(shí)降低脆性斷應(yīng)力,影響韌脆轉(zhuǎn)變溫度。硅(Si)對(duì)韌性有不良影響,Si含量的控制對(duì)于韌脆轉(zhuǎn)變溫度的降低也起到一定的作用。鈮(Nb)在熱軋過(guò)程中有沉淀強(qiáng)化的作用,使管線鋼的強(qiáng)度增大,韌性減小,但同時(shí)Nb又能細(xì)化晶粒,從而改善鋼的強(qiáng)度和韌性。鈦(Ti)由于其與氮(N)有很強(qiáng)的親和力,結(jié)合形成TiN,能固定鋼中氮元素,TiN在鋼中以細(xì)小彌散狀質(zhì)點(diǎn)分布,可以降低板坯加熱奧氏體化溫度,控制奧氏體晶粒長(zhǎng)大,從而達(dá)到細(xì)化晶粒的目的,有效改善材料韌性。釩(V)和鋁(Al)在鋼中有沉淀強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化和晶界強(qiáng)化作用,從而有利于韌脆轉(zhuǎn)變溫度降低。2.3材料的臨界受載速度增加應(yīng)變速度會(huì)降低材料的塑性能力,進(jìn)而使得材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度升高,所有材料都有一個(gè)臨界受載速度,在臨界速度以上,材料呈現(xiàn)類似玻璃的脆性。因此,對(duì)于DWTT試驗(yàn),根據(jù)SY/T6476—2007要求,錘擊速度的最大值必須控制在9m/s以內(nèi),以避免由于高應(yīng)變速度而造成明顯的韌脆轉(zhuǎn)變溫度的升高。2.4鐵素體的組成在給定強(qiáng)度下,鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度取決于轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。就X70管線鋼中各種組織來(lái)說(shuō),珠光體有最高的脆化溫度,脆化溫度由高到低的順序依次為:珠光體,貝氏體,多邊鐵素體。此外,材料內(nèi)部的尖銳缺陷也能引起韌脆轉(zhuǎn)變溫度的升高,當(dāng)裂紋擴(kuò)展到尖銳缺陷處時(shí),該處就相當(dāng)于一個(gè)尖銳缺口,此時(shí)應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變,缺陷越尖銳,尖端的應(yīng)力就越大,應(yīng)力變化的梯度也越大,從而在材料中部的裂紋尖端處產(chǎn)生很高的三向應(yīng)力狀態(tài),使得材料形成解理斷裂形貌,即引起韌脆轉(zhuǎn)變溫度的升高。3化學(xué)元素對(duì)管線鋼低溫韌性的影響(1)X70級(jí)1016mm×17.5mm螺旋埋弧焊管母材橫向試樣的韌脆轉(zhuǎn)變溫度要低于縱向試樣的韌脆轉(zhuǎn)變溫度,橫向試樣的50%FATT在-40~-50℃,而縱向試樣的50%FATT在-30~-40℃。(2)管線鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度受晶粒度、化學(xué)成分、應(yīng)變速度、顯微組織和缺陷形狀的影響。細(xì)化晶粒對(duì)材料的韌性有利,能降低管線鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。不同的化學(xué)元素對(duì)管線鋼的低溫韌性有不同的影響,提高管線鋼的低溫韌性,首先應(yīng)該從改善鋼的本質(zhì)出發(fā),純凈鋼質(zhì),減少鋼中夾雜物含量,嚴(yán)格控制S和P含量;其次,利用Nb,V和Al等微合金化技術(shù),配合控制軋制工藝或熱處理工藝,得到細(xì)晶組織。此外,通過(guò)鈦處理技術(shù)等對(duì)夾雜物進(jìn)行變性處理,也可以使鋼板獲得較高的韌性。增加材料的應(yīng)變速度,造成塑性變形