X80管线钢不同组织形态的显微结构特征研究

李为卫 冯耀荣 高惠临

(1.中国石油集团石油管工程技术研究院 陕西 西安 710077;2.西安石油大学 陕西 西安 710065)



·试验研究·

X80管线钢不同组织形态的显微结构特征研究

李为卫1冯耀荣1高惠临2

(1.中国石油集团石油管工程技术研究院 陕西 西安 710077;2.西安石油大学 陕西 西安 710065)

现代管线钢是一种控轧、控冷状态的低碳微合金化钢。由于低碳、超低碳和多元的微合金化设计，以及在控轧、控冷过程中温度、变形量、冷却速度等不同工艺参数的变化，管线钢的显微组织形态呈现多样性和复杂性。在对西气东输二线工程中不同厂家生产的X80管线钢显微组织大量分析的基础上，总结出来X80管线钢显微组织类型、形成机理、形貌特征和鉴别方法。为便于从事研究开发和检验的人员对管线钢的组织进行分析和鉴别，文章简要介绍X80管线钢几种主要组织形态的显微结构特征。

管线钢；显微结构形态；特征

0 引 言

现代管线钢是一种控轧、控冷状态的低碳微合金化钢。由于低碳、超低碳和多元的微合金化设计，以及在控轧、控冷过程中温度、变形量、冷却速度等不同工艺参数的变化，管线钢的显微组织形态呈现多样性和复杂性。虽然管线钢的相变过程大多在类似于中碳钢典型贝氏体形成的温度范围内进行，然而由于管线钢含碳量较低，在其非平衡的相变产物中通常不含有渗碳体，而表现出一些特殊的组织形态特征[1～3]。

针状铁素体是现代管线钢中广泛使用的显微组织专用术语。在管线钢中的所谓针状铁素体，其实质是粒状铁素体、贝氏体铁素体或是粒状铁素体与贝氏体铁素体组成的复相组织。对针状铁素体形态的具体描述应该是：针状铁素体具有不规则的非等轴形貌，在非等轴铁素体之间存在M-A组元，在铁素体内具有高密度位错。近年来，在国内外有关管线钢的文献中，针状铁素体这一术语已逐渐被淡化，针状铁素体常被称为退化上贝氏体，或被称为粒状贝氏体[1～3]。

近几十年来，国际上对管线钢的显微组织结构经过长期的研究，对管线钢在不同微合金化和不同TMCP条件下形成的显微组织有过不同的理解和描述。西气东输二线工程大规模采用X80管线钢，由许多厂家生产，合金成分和轧制工艺也不尽相同，组织形貌各异。对该工程中使用的不同厂家生产的X80管线钢的显微组织进行了大量研究，总结了X80管线钢各种组织形态的形成机理、形态特征、亚结构及鉴别方法等，形成了专著，本文简要介绍主要几种组织形态的显微结构特征。

1 主要显微组织的特征及鉴别

1.1 多边形铁素体

多边形铁素体(PF)是在较高的转变温度，慢的冷却速度条件下形成。其形成机理特征为：扩散型转变；成分与原奥氏体的不同；优先在原奥氏体晶界形核，其生长表现为置换原子的快速迁移和碳原子的长程扩散，生长速度慢；接近平衡相；与母相有确定的关系，与母相共格或半共格；当应变小时，PF优先在原奥氏体晶界形核，随变形量增大，未再结晶区内部出现大量形变带，不仅在晶界上，在变形带上也形成PF；随冷却速度增加，PF相变受到抑制。

PF的形态特征为：优先从原奥氏体晶界形核，其生长可越过原奥氏体晶界，使原奥氏体界轮廓被掩盖；具有规则的晶粒外形，呈等轴或规则的多边形；晶界清晰、

光滑、平直；在光学显微镜和TEM下基体呈亮白色，晶界呈灰黑色；在SEM下，基体呈灰黑色，晶界呈亮白色。

PF中第二相，若碳含量超过PF的固溶度，在PF基体旁存在富碳区。富碳奥氏体较稳定，不形成PF，在继续冷却过程中发生复杂的转变。在光学显微下可见黑色蚀刻区，此黑色蚀刻区为M-A的退化组态，即珠光体(P)，退化珠光体(P′)或典型贝氏体(UB、LB)。

PF具有低的位错密度，没有明显的亚结构。从力学性能角度讲，PF具有较低的强度和硬度，较高的塑性。

图1为三种X80管线钢的光学显微组织照片。在光学显微镜下，PF为亮白色，呈规则的晶粒外形，或为等轴晶，或为规则的多边形。晶界呈黑色，清晰可辨。因三种管线钢成分设计和TMCP工艺的差异，PF含量不一。随淬透性合金元素的增加和冷却速度的增加，PF相变受到抑制。其中，图1中最后一种材料的组织以PF为主，强度水平低，未达到X80钢的技术要求。

图1 三种X80管线钢的光学显微组织照片

图2为一种X80管线钢在扫描电镜(SEM)下的显微组织照片。在不同放大倍数下，PF呈灰暗色，白色的晶界宛如交织的网络。局部区域可见白色斑点状的P或P′。

图3为PF在透射电镜(TEM)下的典型形貌。PF为接近平衡的组织结构，晶界平直，在三叉晶界处相互呈120°，内部位错密度较低，没有明显亚结构形成。

图2 一种X80管线钢SEM照片

图3 一种X80管线钢PF组织TEM照片

1.2 准多边形铁素体

准多边形铁素体(QF)形成的转变温度较PF低，而冷却速度快。其机理特征为：属块状转变，因此QF又称块状铁素体(Massive Ferrite，简写为MF)；不需长程扩散，新相与母相成分相同；原子的置换和迁移发生在界面上，生长受界面上的短程扩散所控制，转变速度快；转变产物与母相非共格，且无一定的位向关系，大角度晶界。

QF的形态特征为：在母相晶界或晶内形成；生长可越过原奥氏体晶界，使原奥氏体晶界轮廓被掩盖；形态不规则，呈无特征的碎片，大小参差不齐；边界粗糙、模糊，凸凹不平，呈锯齿状或波浪状。

QF中的第二相偶尔可见黑色蚀刻区，为M-A组元。QF的亚结构具有较高的位错密度，比PF中的位错密度高一个数量级。QF的力学性能特点为：较好的强度、塑性，低的屈强比和高的应变硬化能力。

图4为两种X80管线钢的光学显微组织照片，其中含有部分QF。QF与PF极为相近，但仔细观察，其间仍有不同。在光学显微镜下，QF与PF的主要差别是：(1)PF为等轴晶或规则的多边形；QF的形态则高度不规则。(2)PF呈明亮白色；QF则相对较暗。(3)PF的内部洁净；QF则可见稀疏的黑色点状蚀刻区。(4)PF的晶界清晰、完整、光滑、平直；QF晶界则相对模糊、不连续、呈锯齿状。

图5为一种X80管线钢在不同放大倍数下的SEM照片，含较多的QF。在SEM下，QF呈灰黑色，形状高度不一致；晶界为白色，呈不连续的锯齿状。QF 的形状和晶粒大小参差不一。

图4 两种X80管线钢的光学显微组织照片

图5 一种X80管线钢SEM照片

图6 一种X80管线钢QF组织TEM照片

1.3 粒状贝氏体铁素体[4～6]

粒状贝氏体铁素体(GB或GF)形成的转变温度较QF低，冷却速度快，其形成机理为切变和扩散混合型转变。GB在原奥氏体晶界部分存在，有二类形态：(1)伸长的铁素体条，具有板条的轮廓并排列成束。板条间为小角度晶界，板条束间为大角度晶界。由于同一板条束中的条具有相同的晶体学位向(位向差约为6°～8°)，板条之间为小角度晶界，对侵蚀不敏感，板条界不清晰，因而在光学显微镜下GB为块状。板条的形态需借助TEM分辨。(2)不规则、无特征的外形。与QF较为相似，因此也称为粒状组织。在管线钢中，以第一类GB为主，第二类GB在中温相变区的较高温度下形成。

GB中的第二相在铁素体板条间或不规则外形铁素体边界上存在M-A岛状组织，在光学显微镜下，M-A呈粒状或点状，在SEM和TEM下，M-A呈块状或条状。GB具有高的位错密度的亚结构。在管线钢材料中，由于M-A组元细小，GB组织有较好的强韧特性。

图7为两种X80管线钢的光学显微组织照片，主要组织形态为GB。GB主要呈伸长的条状，条之间为小角度晶界。然而这种小角度晶界不易侵蚀，因而在光学显微镜下，GB表现为不规则的块状。在亮白色的块状GB内部和边界可见M-A岛状组织。在块状边界的岛状组织多呈亮白的粒状，在块状内的岛状组织多呈细小的黑色点状。TEM观察表明，块状内的这种岛状组织实际上位于GB板条之间。

图7 两种X80管线钢的光学显微组织照片

图8为一种X80管线钢在不同放大倍数下GB的SEM组织形态。黑色背景为GB基体，亮白色为GB的晶界和M-A岛状组织。由亮白色的晶界和M-A颗粒勾勒出GB的外部特征，或呈板条状，或呈不规则块状。

图9为TEM下一种X80管线钢中GB的典型组织形态。以板条状形态特征的GB成束分布，GB板条之间为块状或条状的M-A组元。一般认为，在同一板条束中，相邻板条间的位向差为6°～8°，为小角度晶界。

图8 一种X80管线钢SEM照片

图9 一种X80管线钢GF组织TEM照片

1.4 贝氏体铁素体[4～6]

贝氏体铁素体(BF)形成条件较GB更低的转变温度，更快的冷却速度。其形成机理为切变和扩散混合型转变。BF的形态特征为：原奥氏体晶界被保留；铁素体呈板条状平行排列，形成板条束，板条间为小角度晶界，板条束界为大角度晶界；相对于GB，板条长、窄，板条界明晰；铁素体板条在光学显微镜下依稀可见，在TEM下可清晰辨认；不同位向的板条束将原奥氏体晶粒分割成不同区域，勾勒出原奥氏体晶界；当形成温度高时，板条不发达或发生回复，板条界则不清晰。

布鲁氏杆菌病的临床特征与其他传染病十分接近，因此，仅将临床症状或者病例变化作为诊断的依据，诊断效果不理想。目前对牛羊是否感染布鲁氏杆菌病进行诊断，有必要借助于血清学以及细菌学等病例反应，使病情诊断的准确度得到切实提升。如利用病菌学对病理进行诊断时，可将牛群或者羊群中怀疑感染布鲁氏杆病菌的胎衣、病变位置、流产胎儿等进行膜片染色镜检，如检查的染色镜转变为红色则证实该牛或者羊已感染布鲁氏杆菌病。

BF中的第二相为铁素体板条间分布着薄膜状或针状M-A组元，亚结构具有高的位错密度。BF组织有较好的强韧特性，板条的大小和长宽比对强韧性产生影响。

图10为两种X80管线钢的光学显微组织照片。主要为粒状贝氏体组织，在局部区域偶尔可发现BF，隐约可见亮白色的BF成束分布。BF板条间分布着针状或薄膜状M-A组元。

图10 两种X80管线钢的光学显微组织照片

图11为一种X80管线钢在不同放大倍数下的SEM照片。局部区域可见BF成束分布，板条BF成暗黑色，板条界和M-A呈亮白色。

图12为BF组织在TEM下的典型形态。相对GB而言，由于BF在低温高应变的过冷奥氏体形成，致使BF板条清晰可辨，BF板条内有高密度的位错，板条间的M-A呈针状或薄膜状分布。

图11 一种X80管线钢SEM显微照片

图12 一种X80管线钢BF组织TEM照片

1.5 马氏体-奥氏体组元

管线钢中马氏体-奥氏体组元(M-A)大量出现，且对性能有重要影响。M-A是在连续冷却过程中，过冷奥氏体转变成铁素体而形成。铁素体对碳的固溶度较低，超过固溶度的碳被排除到尚未转变的奥氏体，致使奥氏体富聚碳。在随后的冷却过程中，富碳的过冷奥氏体转变为马氏体，少量奥氏体因转变不完全而被保留，即形成马氏体-奥氏体(M-A)组织，亦称为M-A组元。

M-A的形态特征为：M-A分布在铁素体边界之间，也存在于原奥氏体晶界；M-A具有不同的形态，通称为M-A岛状组织，在光学显微镜下，较大尺寸的M-A呈颗粒状呈亮白色，较小尺寸的M-A呈点状的灰黑色；在SEM下M-A为亮白色，在TEM下M-A为黑色，呈块状、条状、针状和薄膜状等多种形状。

M-A具有退化形态。当冷却速度较小，富碳奥氏体在较Ms高的温度发生转变时，则可能形成Fe3C。含有Fe3C的转变产物可为珠光体(P)、退化珠光体(P′)或典型的贝氏体(UB、LB)。在光学显微镜中为黑色蚀刻区，在SEM和TEM下，可辨认其中的铁素体和Fe3C。在退化珠光体(P′)中，Fe3C不连续，呈断续状。在一定条件下，富碳奥氏体可全部保留至室温。在M-A的M中，可观察到局部孪晶的亚结构特征。

图13为两种X80管线钢的光学显微组织照片。在以GB为主的组织形态中，可发现M-A岛状组织或为亮白色颗粒，或为黑色点状分别分布于亮白色块状GB的边界和内部。如前所述，GB板条间的小角度晶界不易侵蚀，在光学显微镜下难以分辨。因而在光学显微镜下所观察到的块状GB实质是一束晶体学位向大致相同的GB板条。亮白色颗粒和黑色点状的M-A岛状组织实质上分别分布于GB的板条束界和板条界。

图14为两种X80管线钢的SEM照片，由图可见M-A在不同放大倍数下的形态和大小。图14a)白色粒状和白色块状为M-A组元。图14b)为以PF和QF为主的一种X80管线钢，可以发现以退化珠光体P′或B为形态特征的岛状组织。

图13 两种X80管线钢的光学显微组织照片

图14 两种X80管线钢的SEM照片

图15是在TEM下一种X80管线钢中M-A岛状组织的典型形态。M-A以一定尺寸的块状和粒状分布在GB板条界。M-A是由高碳马氏体和奥氏体组成，在金属薄膜制样过程中，不易接受腐蚀，在TEM下电子束不易通过，因而M-A在TEM下通常显现暗黑色。

由于M-A的亚结构主要为孪晶，故随M-A含量增加，材料的强度增加，韧性下降。M-A的形态、数量、大小及分布对强韧性产生重要影响，小、匀、圆的M-A有利于强韧性提高。图16是利用图像处理软件对一种X80管线钢M-A的定量金相分析图，图中白色背景主要为GB，黑色和红色主要为M-A，M-A含量的分析结果为17.5%。

2 结束语

管线钢的显微组织受合金成分、轧制工艺等多种因素的影响，类型多，形态复杂，鉴别难度大。显微组织是决定材料性能的内在因素，为了提高管线钢的性能，改进工艺和进行产品检验，必须对其显微组织结构进行分析和鉴别。受篇幅的限制，本文只介绍X80管线钢典型钢种的主要组织形态，详细的研究和鉴别可以参考文献[1]。该文献结合管线钢组织中各种组织组成物的形成机理，阐述了X80管线钢的组织特征及鉴别方法，从事高性能管线钢研究开发、组织分析鉴别和工程检验的科技人员可以参考。

图15 一种X80管线钢MA组织TEM显微照片

图16 一种X80管线钢M-A定量金相分析图

[1] 冯耀荣，高惠临，霍春勇，等.管线钢显微组织的分析与鉴别[M]，西安：陕西科学技术出版社，2008：11-83.

[2] 高惠临. 管线钢与管线钢管[M].北京：中国石化出版社，2012：60-77.

[3] 李鹤林，郭生武，冯耀荣，等. 高强度微合金管线钢显微组织分析与鉴别图谱[M]. 北京：石油工业出版社，2001：8-10.

[4] 康沫狂.贝氏体相变理论研究工作的重要回顾[J].金属热处理学报，2000，21(2)：1-7.

[5] Araki T., 1991, “Microstructure Aspects of Bainite and Bainite-Like Ferrite Structure of Continuously Cooled Low Carbon Steels,” Materials Trans JIM, 32(8),729-736.

[6] Ohmori Y., 1995, “Bainite Transformations in Extremly Low Carbon steels,” ISIJ Inter, 35(8), 962-968.

·专利技术·

专利名称：一种随钻声波测井仪器及测井方法

专利申请号：CN201210155064.X 公开号：CN102720484A

申请日：2012.05.18 公开日：2012.10.10

申请人：中国海洋石油总公司;中海油田服务股份有限公司

本发明公开了一种随钻声波测井仪器及测井方法，克服目前采用在钻铤刻槽和镶嵌重金属来实现隔声要求所导致的损害钻铤强度且隔声效果有限的不足，其中该方法包括：产生声波信号；采集该声波信号在地层中传播而感应出的震电信号。本发明的实施例不需要对设备结构设计隔声体，仪器结构简单，测量精度和可靠性高，制作成本低，进而极大优化随钻声波测井仪器的结构设计，降低设备制造成本，提高随钻声波测井技术的应用水平。

(王元荪 提供)

Study on the Feature of X80 Pipeline Steel Microstructural Morphologies

LI Weiwei1FENG Yaorong1GAO Huilin2

(1.CNPCTubularGoodsResearchInstitute,Xi’an，Shaanxi710077,China; 2.Xi’anShiyouUniversityXi’an，Shaanxi710065,China)

Modern pipeline steel is a kind of low-carbon and micro-alloy steel which makes use of controlled rolling & controlled cooling process technology. Due to low carbon and multi micro-alloy design and the variety of the parameters such as temperature, deformation and cooling speed during the process of controlled rolling and controlled cooling, the pipeline steel microstructures exhibit the character of diversity and complexily. On the basis of great amount analysis of the X80 pipeline steel by different pipe mills in the 2ndwest-east gas transmission pipeline project, the type, formation mechanism, morphology feature and identification method of the X80 pipeline steel are concluded. In order to analyze and identify the microstructure of pipeline steel, this thesis introduces microstructure morphologies features of X80 pipeline steel.

pipeline steel， micro structural morphologies， feature

李为卫，男，1965年生，硕士，高级工程师。1988年毕业于西安交通大学焊接专业，主要从事油气输送管材料研究及标准化工作。E-mail：liweiwei001@cnpc.com.cn

TG142

A

2096-0077(2015)01-0036-07

2014-12-18 编辑：马小芳)