铬元素对 X65 管线钢力学性能和微观组织的影响

目前，石油、天然气管道运输被普遍认为是一种经济合理的运输方式[1]。随着国民经济的不断发展，我国对石油、天然气等战略能源的需求也不断增加。加大油气管道建设、提高长距离油气管道运输效率成为近年来的热点问题。由于油气管道的输送能力与管径、输送压力成正比[2-3]，为提高管道的设计输送能力，长距离油气管道用管线钢已开始采用X65级或更高等级的管线钢。

传统的X65级管线钢多采用低碳铌、钒微合金化复合强化设计，由于我国铌、钒资源稀缺，含铌、钒的X65管线钢合金成本较高[4]。铬因能提高钢的淬硬性而被广泛应用于钢的热处理中。本文通过对比含铬和无铬X65管线钢在不同卷取温度下的力学性能和组织，研究铬对X65级管线钢组织与性能的影响，提出X65管线钢低成本合金设计方法。

1.材料和方法

实验材料分别为铬含量(质量分数)为0.30%的X65管线钢和不含铬的X65管线钢，具体成分见表1。两种实验钢均为国内某钢厂工业化生产的X65管线钢，具体炼钢生产工艺流程为：铁水脱硫预处理→转炉脱碳→炉外精炼合金化(LF)→板坯保护连铸。两种实验钢的轧制方案为：实验钢在步进梁加热炉中加热至1200 ℃，保温3 h，使实验钢完全奥氏体化。将加热后的X65实验钢坯在2300热轧机组中轧制成14 mm厚的热轧钢板，终轧温度控制在830 ℃。最后每根X65管线钢分别采用层流冷却至550 ℃和450 ℃进行卷取。

按照GB/T 2975-2018，垂直于轧制方向截取两种成分设计、不同卷取温度下的X65试验钢板宽度试样，编号分别为1#、2#、3#、4#。将4个试样按照GB/T 228.1加工成标距长度为50 mm的拉伸试样，在Zwick-600万能拉伸试验机上进行拉伸试验。采用JBW-500摆锤冲击试验机测量试样的冲击韧性，按照SY/T 6476，在JL-30000落锤试验机上进行试样的落锤试验。按照GB/T 4340.1-2009，采用维氏硬度计测试4个试样的显微硬度。样品经体积分数为4%的硝酸酒精溶液腐蚀后,采用OLYMPUS-GX71倒置光学金相显微镜观察组织结构。

2.实验结果与分析

1#~4#试验钢的拉伸试验和硬度试验结果如表2所示。

2.1卷取温度对X65钢力学性能的影响

热轧卷在终轧后，将在冷却辊上冷却（通常采用喷水层流冷却）到规定温度，再由卷取机卷成钢卷。这个过程称为卷取过程，卷取过程中钢卷的温度即为卷取温度。由于同一厚度的钢板在冷却辊上的移动时间基本相同，若终轧温度不变，钢板的卷取温度越低，钢板在冷却辊上的冷却速度越快。由表2和图1可以看出，对于不含Cr的1#和3#试验钢，由于3#钢的卷取温度较低，在层流冷却过程中，3#钢的冷却速度大于1#钢，3#钢的强度和硬度均高于1#钢。3#钢在低温下冲击功有所降低，但落锤试验结果相差不大。通过观察图2金相组织发现，与1#钢相比，3#钢的组织中出现了贝氏体组织。这说明低温卷取温度加快了钢板的冷却速度，使钢板的组织由铁素体+珠光体组织转变为更细小的铁素体+贝氏体组织，从而提高了钢板的强度。但细晶强化方式并不会引起钢材塑性和韧性的下降，因此3#钢的塑性和韧性并没有明显降低。

2.2 Cr对X65钢力学性能的影响

从表2和图1可以看出，在卷取温度550 ℃时，2#钢（含Cr）的屈服强度和抗拉强度仅比1#钢（不含Cr）分别高14 MPa和6 MPa，硬度和塑性韧性差别不大。Cr原子的半径与Fe原子相近，因此在冷却速度不大时，Cr在钢中以置换固溶体的形式存在。由于置换固溶体对Fe原子引起的晶格畸变较小，对位错运动的阻碍作用也不大[5]。因此，在其他成分相同的情况下，含0.30%Cr的X65钢在卷取温度550 ℃时强度并没有明显提高，而且由于Cr以固溶体“杂质”原子的形式出现，试验钢的低温韧性也有一定程度的降低。

但在450 ℃卷取时，Cr对X65钢力学性能的影响更为明显。由表2和图1可以看出，在同样的卷取温度450 ℃下，含Cr的4#试验钢的屈服强度和抗拉强度比无Cr的3#钢分别高68 MPa和49 MPa，同时4#钢的硬度也达到了212 HV10。4#钢的塑性略有降低，在室温和0 ℃下韧性没有明显下降，满足X65钢的基本要求，但在低温下韧性明显降低，特别是在-40 ℃时，落锤撕裂面积降低到60%以下。这说明含Cr的X65钢在450 ℃卷取时，钢板的强度有很大的提高，而韧性也随之降低。由于Cr在铁素体基体中具有良好的扩散性能，易与C结合形成碳化物，可以降低马氏体和奥氏体的转变温度，提高钢的淬硬性，使钢在冷却时更容易获得马氏体组织[6]。对2#钢和4#钢金相组织观察可知，4#钢组织中出现了马氏体（图2）。马氏体组织是一种硬脆相，可以明显提高钢的强度，但同时也会造成钢的韧性一定程度的降低[6]。这与4#钢板的性能基本一致。因此，在室温环境下服役时，对于X65级管线钢，可以添加一定量的Cr并采用较低的卷取温度，以获得钢强度的明显提高。这样，通过添加铌、钒合金所实现的细晶强化和沉淀强化，可以部分替代钢中的马氏体相变强化，从而减少铌、钒合金的使用量，降低X65钢的合金成本。

3. 结论

（1）对于Nb、V微合金化X65管线钢，当卷取温度由550 ℃降低至450 ℃时，钢板内部逐渐形成贝氏体组织，但钢板强度的提高和塑性、韧性的降低并不明显。

(2)当卷取温度为550 ℃时，添加的0.30% (质量分数) Cr主要以固溶体形式存在，对提高X65试验钢强度作用不明显，且造成一定程度的低温韧性降低。

（3）当卷取温度为450 ℃时，添加一定量的Cr（质量分数0.30%），可明显提高X65钢的强度，并满足室温下的服役要求；添加一定量的Cr可部分取代铌、钒的微合金化作用，从而减少铌、钒合金的使用量。