目前，管道輸送石油天然氣被普遍認為是經(jīng)濟合理的運輸方式[1]。隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，我國對石油天然氣等戰(zhàn)略能源需求也不斷增加，加大油氣管網(wǎng)建設(shè)和提高油氣長輸管道的輸送效率成為了近年來關(guān)注的熱點，由于石油天然氣管道輸送能力同管徑和輸送壓力成正比[2-3]，為了提高管道的設(shè)計輸送能力，長輸油氣管道用管線鋼開始采用X65級別或更高級管線鋼發(fā)展。

傳統(tǒng)X65級別管線鋼大多采用低碳的鈮、釩微合金化復(fù)合強化設(shè)計，由于我國鈮、釩資源稀少，含鈮、釩的X65管線鋼合金成本較高[4]。鉻元素由于可以提高鋼材的淬透性被廣泛應(yīng)用在鋼材的熱處理加工中，本文通過對比含鉻與不含鉻X65管線鋼在不同卷取溫度下的力學(xué)性能和微觀組織，研究了鉻對X65級別管線鋼的組織性能影響，提出了一種低成本X65管線鋼的合金設(shè)計方法。

1. 實驗材料及方法

實驗材料分別為含鉻含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為0.30%和不含鉻的X65管線鋼，具體成分見表1。兩種試驗鋼均來自國內(nèi)某鋼廠工業(yè)化生產(chǎn)的X65管線鋼，具體的煉鋼生產(chǎn)流程為：鐵水脫硫預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐脫碳處理→爐外精煉合金化（LF）→板坯保護澆注。兩種試驗鋼軋制方案為：將試驗鋼在步進式加熱爐中加熱至1200 ℃，保溫3 h，使試驗鋼完全奧氏體化，在2300熱連軋機組將已加熱的X65試驗鋼坯軋制成14 mm厚度熱軋鋼板，終軋溫度控制在830 ℃，最后將每一種X65管線鋼都通過層流冷卻分別冷卻到550 ℃和450 ℃進行卷取。

對不同卷取溫度下的兩種成分設(shè)計的X65試驗鋼板按照GB/T 2975—2018標(biāo)準(zhǔn)沿垂直于軋制方向取寬向樣，編號分別標(biāo)記為1#、2#、3#、4#。四個試樣根據(jù)GB/T 228.1加工成標(biāo)距為50 mm的拉伸試樣，在Zwick-600萬能拉伸試驗機進行拉伸實驗。利用JBW-500型擺錘式?jīng)_擊試驗機測定試樣的沖擊韌性，在JL-30000落錘試驗機根據(jù)SY/T 6476分別對試樣進行落錘實驗，根據(jù)GB/T 4340.1—2009的標(biāo)準(zhǔn)采用維氏硬度儀對四個試樣進行顯微硬度測試，試樣經(jīng)體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，利用OLYMPUS-GX71型倒置式光學(xué)金相顯微鏡觀察顯微組織。

2. 實驗結(jié)果與分析

1#~4#試驗鋼的拉伸實驗、硬度實驗結(jié)果見表2。

2.1 卷取溫度對X65鋼力學(xué)性能影響

熱軋卷板在終軋結(jié)束后會在冷卻輥道上冷卻（通常是噴水層流冷卻）到指定的溫度，然后經(jīng)卷取機卷成鋼卷，這一過程被稱為卷取過程，鋼卷在卷取過程的溫度即是卷取溫度。由于同一厚度的鋼板在冷卻輥道的移動時間基本相同，所以如果終軋溫度不變，那么鋼板的卷取溫度越低，鋼板在冷卻輥道的冷速就越快。通過表2和圖1可以看出，對于不含Cr的1#和3#試驗鋼，由于3#鋼的卷取溫度更低，3#鋼相比于1#鋼層流冷卻時冷速更大，3#鋼的強度和硬度比1#鋼均有所升高，低溫下3#鋼的沖擊功降低，但比較落錘實驗結(jié)果相差不大。觀察圖2的金相組織發(fā)現(xiàn)，相比于1#鋼，在3#鋼的組織中發(fā)現(xiàn)了貝氏體組織，這說明由于低溫卷取溫度加快了鋼板的冷卻速度，導(dǎo)致鋼板的組織從鐵素體和珠光體組織開始轉(zhuǎn)變?yōu)楦毿〉蔫F素體和貝氏體組織，從而使鋼板的強度得到提高，但細晶強化手段并不會造成鋼材塑韌性的降低，所以3#鋼的塑性和韌性均沒有明顯的降低。

2.2 Cr對X65鋼力學(xué)性能影響

通過表2和圖1可以看出，在550 ℃卷取溫度下，2#鋼（含Cr）的屈服強度和抗拉強度分別僅比1#鋼（不含Cr）增加了14 MPa和6 MPa，硬度和塑韌性也相差不大。Cr原子與Fe原子的半徑相近，所以在冷速不大時，Cr在固溶在鋼中以置換固溶體形式存在，由于置換固溶體對Fe原子造成的晶格畸變較小，對位錯運動阻礙也小[5]。所以在其他成分相同時，含0.30%Cr的X65鋼在550 ℃卷取溫度下強度提升并不明顯，并且由于Cr作為固溶“雜質(zhì)”原子的出現(xiàn)，試驗鋼的低溫韌性也出現(xiàn)了一定程度的降低。

但在450 ℃卷取時，Cr對X65鋼的力學(xué)性能的影響更加明顯。通過表2和圖1可以看出，同樣在卷取溫度450 ℃的情況下，含Cr的4#試驗鋼比不含Cr的3#鋼的屈服強度和抗拉強度分別提升了68 MPa和49 MPa，同時4#鋼的硬度也達到了212 HV10。4#鋼的塑性略有降低，韌性在常溫時和0 ℃時下降不明顯，滿足X65鋼的基本要求，但在低溫時韌性卻有明顯的降低，特別在−40 ℃時，落錘撕裂面積降到了60%以下。這說明含Cr的X65鋼在450 ℃卷取時，鋼板強度在獲得很大程度的提升時，韌性也在降低。由于Cr在鐵素體基體中具有較好的擴散性，易與C結(jié)合而形成碳化物，能夠降低馬氏體、奧氏體轉(zhuǎn)變溫度，提高鋼的淬透性，使鋼在冷卻時更易得到馬氏體組織[6]，觀察2#鋼和4#鋼的金相組織發(fā)現(xiàn)(圖2)，4#鋼的組織中出現(xiàn)了馬氏體，馬氏體組織是一種硬而脆的相，它可以顯著提高鋼的強度，同時也會造成鋼材韌性一定程度的降低[6]，這與4#鋼板所得到的性能基本一致。所以在常溫環(huán)境服役時，對于X65級別管線鋼可以通過添加一定量的Cr并配合較低的卷取溫度來實現(xiàn)鋼材強度的大幅提升，這樣通過在鋼中形成馬氏體相變強化來部分代替通過添加鈮、釩合金實現(xiàn)的細晶強化和沉淀析出強化，從而減少鈮、釩合金的使用量，降低X65鋼的合金成本。

3. 結(jié)束語

（1）對于Nb、V微合金化的X65管線鋼，卷取溫度由550 ℃降低至450 ℃后，鋼板內(nèi)部逐漸形成貝氏體組織，但鋼板強度的提升和塑韌性的降低均不明顯。

（2）采用550 ℃卷取溫度時，添加的0.30%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Cr主要以固溶體形式存在，對X65試驗鋼強度提升作用并不明顯，并且對低溫韌性造成了一定程度的降低。

（3）采用450 ℃卷取溫度時，添加一定量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.30%）的Cr可以實現(xiàn)X65鋼強度的大幅提升，滿足在常溫環(huán)境下的服役要求，通過加入一定量的Cr可以部分代替鈮、釩微合金化作用，減少鈮、釩合金的使用量。

文章來源——金屬世界