Abstrakt: Nahtloser Pipelinestahl API 5L, hohe Festigkeit, und Korrosionsbeständigkeit. In diesem Papier, Mithilfe optischer Mikroskopie wurde eine umfassende Analyse der Mikrostruktur und der mechanischen Eigenschaften des nahtlosen Pipelinestahls API 5L X70Q/L485Q durchgeführt (UM), Rasterelektronenmikroskopie (WHO), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), einachsiger Zugversuch, Charpy-Schlagtest, und Härteprüfung. Die Ergebnisse zeigen, dass die Mikrostruktur des nahtlosen Pipelinestahls API 5L X70Q/L485Q hauptsächlich aus nadelförmigem Ferrit besteht (VON), Polygonaler Ferrit (PF), und eine kleine Menge Bainit (B) und Martensit-Austenit (M-A) Inseln. Der nadelförmige Ferrit, mit seiner feinen und ineinandergreifenden Struktur, ist der Schlüsselfaktor für die hervorragenden umfassenden mechanischen Eigenschaften des Stahls. Die Ergebnisse des Zugversuchs zeigen, dass der Stahl eine Streckgrenze von hat 490-520 MPA, eine Zugfestigkeit von 620-650 MPA, und eine Verlängerung von 28%-32%, welches die Anforderungen von API 5L und GB/T vollständig erfüllt 9711 standards. Die Ergebnisse des Charpy-Schlagtests zeigen, dass die Schlagabsorptionsenergie des Stahls bei -20 °C größer ist als 120 j, Dies weist auf eine ausgezeichnete Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen hin. Die Härtetestergebnisse zeigen, dass die Rockwell-Härte (HRC) des Stahls liegt dazwischen 18 und 22, mit gleichmäßiger Härteverteilung. Außerdem, die Auswirkungen verschiedener Wärmebehandlungsverfahren (Normalisieren, Temperieren) Auch die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften des Stahls wurden untersucht. Es wurde festgestellt, dass die Normalisierungstemperatur angemessen ist (920-950℃) und Anlasstemperatur (600-650℃) kann die Mikrostruktur weiter verfeinern, den Anteil an nadelförmigem Ferrit verbessern, und verbessern so die mechanischen Eigenschaften des Stahls. Die Forschungsergebnisse liefern eine theoretische Grundlage und technische Unterstützung für die Produktion, Anwendung, und Leistungsoptimierung des nahtlosen Pipelinestahls API 5L X70Q/L485Q.

Schlüsselwörter: API 5L X70Q; L485Q; nahtloser Rohrleitungsstahl; Mikrostruktur; mechanische Eigenschaften; nadelförmiger Ferrit; Wärmebehandlung

Mit der rasanten Entwicklung der globalen Energiewirtschaft, Die Nachfrage nach Ferntransportpipelines für Öl und Gas steigt. Pipeline-Transport, als Tresor, effizient, und wirtschaftliche Art des Energietransports, ist zu einem wichtigen Teil der Energieversorgungskette geworden. Beim Bau von Fernleitungen, Rohrleitungsstahl ist das Kernmaterial, und seine Leistung wirkt sich direkt auf die Sicherheit aus, Zuverlässigkeit, und Lebensdauer des Rohrleitungssystems. Besonders in rauen Betriebsumgebungen wie kalten Regionen, Hochdruck-Öl- und Gasfelder, und Meeresgebiete, Rohrleitungsstahl muss hervorragende Gesamteigenschaften aufweisen, einschließlich hoher Festigkeit, gute Kältezähigkeit, Korrosionsbeständigkeit, und Schweißbarkeit.

API 5L X70Q/L485Q nahtloser Rohrleitungsstahl ist eine Art hochfeste Niedriglegierung (HSLA) Stehlen, welches speziell für die Anforderungen des modernen Fernleitungsbaus entwickelt wurde. die “Q” in der Sorte weist darauf hin, dass der Stahl eine ausgezeichnete Tieftemperaturzähigkeit aufweist, Dadurch eignet es sich für den Einsatz in kalten Regionen, in denen die Temperatur bis zu -20 °C oder sogar darunter betragen kann. Im Vergleich zu gewöhnlichem X70/L485-Rohrleitungsstahl, X70Q/L485Q-Stahl weist eine höhere Zähigkeit und eine bessere Beständigkeit gegen Sprödbruch auf, Dadurch können Pipeline-Unfälle, die durch Sprödrisse bei niedrigen Temperaturen verursacht werden, wirksam verhindert werden. Außerdem, Die nahtlose Struktur des X70Q/L485Q-Rohrleitungsstahls vermeidet die Mängel von Schweißverbindungen, die Zuverlässigkeit und Sicherheit der Pipeline weiter zu verbessern.

Die Mikrostruktur von Rohrleitungsstahl ist der grundlegende Faktor, der seine mechanischen Eigenschaften bestimmt. Für HSLA-Rohrleitungsstahl, der Typ, Morphologie, GRÖßE, und Verteilung mikrostruktureller Komponenten (wie Ferrit, Bainit, Martensit, und zweite Phasen) haben einen erheblichen Einfluss auf seine Stärke, Zähigkeit, und Duktilität. Daher, Eine eingehende Analyse der Mikrostruktur des nahtlosen Pipelinestahls API 5L X70Q/L485Q und ihrer Beziehung zu den mechanischen Eigenschaften ist von großer Bedeutung für die Optimierung des Produktionsprozesses des Stahls, Verbesserung seiner Leistung, und Gewährleistung des sicheren Betriebs der Pipeline.

Derzeit, Viele Wissenschaftler haben Untersuchungen zum Pipelinestahl der Serie X70/L485 durchgeführt. Zum Beispiel, Einige Studien haben sich auf die Wirkung von Legierungselementen auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften von X70-Stahl konzentriert, und fand heraus, dass Elemente wie Nb, V, und Ti kann die Körner verfeinern und die Festigkeit und Zähigkeit des Stahls durch Kornverfeinerung und Ausscheidungsverstärkung verbessern. Andere Studien haben den Einfluss von Wärmebehandlungsprozessen auf die Leistung von X70-Stahl untersucht, und schlug optimale Wärmebehandlungsparameter vor, um hervorragende umfassende Eigenschaften zu erhalten. allerdings, Es gibt relativ wenige systematische Studien zur Mikrostruktur und den mechanischen Eigenschaften des nahtlosen Pipelinestahls API 5L X70Q/L485Q, insbesondere die detaillierte Analyse der nadelförmigen Ferritstruktur und ihrer Auswirkung auf die Tieftemperaturzähigkeit. Außerdem, Die Forschung zum Zusammenhang zwischen Mikrostruktur und mechanischen Eigenschaften von X70Q/L485Q-Stahl unter verschiedenen Wärmebehandlungsbedingungen ist nicht ausreichend.

Daher, In diesem Artikel wird eine umfassende Studie zur Mikrostruktur und den mechanischen Eigenschaften des nahtlosen Pipelinestahls API 5L X70Q/L485Q durchgeführt. Die Mikrostruktur des Stahls wird mittels OM beobachtet und analysiert, WHO, und TEM. Die mechanischen Eigenschaften werden durch Zug geprüft, Charpy-Einschlag, und Härteprüfungen. Der Zusammenhang zwischen Mikrostruktur und mechanischen Eigenschaften wird diskutiert. Außerdem, Die Auswirkungen von Normalisierungs- und Anlassprozessen auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften des Stahls werden untersucht, um eine theoretische Grundlage für die Herstellung und Anwendung des nahtlosen Rohrleitungsstahls X70Q/L485Q zu schaffen.

Ausländische Wissenschaftler haben seit den 1980er Jahren eingehende Forschungen zu hochfestem Pipelinestahl wie X70 durchgeführt. Frühe Studien konzentrierten sich auf die Entwicklung mikrolegierter Rohrleitungsstähle, und fanden heraus, dass die Zugabe von Mikrolegierungselementen wie Nb, V, und Ti kann die Festigkeit und Zähigkeit des Stahls deutlich verbessern. Zum Beispiel, Nb kann die Rekristallisation von Austenit beim Warmwalzen verzögern, die Körner verfeinern, und bilden Nb(C,n) Fällungen zur Stärkung der Matrix. V kann VC-Niederschläge bilden, die eine starke niederschlagsverstärkende Wirkung haben. Ti kann TiN-Ausscheidungen bilden, Dies kann das Wachstum von Austenitkörnern während des Erhitzens verhindern.

In den letzten Jahren, Ausländische Wissenschaftler haben der Mikrostrukturkontrolle und Leistungsoptimierung von Pipelinestahl mehr Aufmerksamkeit geschenkt. Einige Studien haben kontrolliertes Rollen und kontrolliertes Kühlen übernommen (TMCP) Technologie zur Erzielung einer feinkörnigen Mikrostruktur bestehend aus nadelförmigem Ferrit und vieleckigem Ferrit, Dadurch wird die Kältezähigkeit des Stahls deutlich verbessert. Zum Beispiel, Smith et al. nutzte die TMCP-Technologie zur Herstellung von X70-Pipelinestahl mit nadelförmigem Ferrit als Hauptmikrostruktur, und die Aufprallabsorptionsenergie bei -20℃ erreichte mehr als 150 j. Außerdem, Ausländische Wissenschaftler haben auch die Korrosionsbeständigkeit von X70-Pipelinestahl in rauen Umgebungen wie CO₂ und H₂S untersucht, und schlug verschiedene Korrosionsschutzmaßnahmen vor.

Die inländische Forschung zu X70/L485-Pipelinestahl begann relativ spät, hat sich aber rasant entwickelt. Inländische Stahlunternehmen und Forschungseinrichtungen haben durch unabhängige Forschung und Entwicklung sowie technische Einführung erfolgreich X70/L485-Pipelinestahl entwickelt, der internationalen Standards entspricht. Einige Studien haben sich auf die Wirkung von Legierungselementen auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften von X70-Stahl konzentriert. Zum Beispiel, Li et al. untersuchten die Auswirkung des Nb-Gehalts auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften von X70-Pipelinestahl, und fand heraus, dass der Nb-Gehalt ist 0.03%-0.06%, Der Stahl verfügt über die besten Gesamteigenschaften. Andere Studien haben den Einfluss von Wärmebehandlungsprozessen auf die Leistung von X70-Stahl untersucht. Zum Beispiel, Wang et al. untersuchten die Auswirkung der Normalisierungstemperatur auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften von X70-Stahl, und stellte fest, dass die optimale Normalisierungstemperatur 920-950℃ beträgt.

allerdings, Es gibt noch einige Mängel in der aktuellen Forschung. Einerseits, Bei den meisten Forschungsobjekten handelt es sich um geschweißten Rohrleitungsstahl, und die Forschung zu nahtlosem Rohrleitungsstahl ist relativ gering. Andererseits, Die Forschung zur Mikrostruktur und den mechanischen Eigenschaften von X70Q/L485Q-Stahl mit ausgezeichneter Tieftemperaturzähigkeit ist nicht systematisch genug, insbesondere die detaillierte Analyse der nadelförmigen Ferritstruktur und ihrer Auswirkung auf die Tieftemperaturzähigkeit. Daher, Es ist notwendig, die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften des nahtlosen Pipelinestahls API 5L X70Q/L485Q eingehend zu untersuchen.

Die Hauptziele dieses Papiers sind wie folgt: (1) Beobachtung und Analyse der Mikrostruktur von nahtlosem Pipelinestahl API 5L X70Q/L485Q mithilfe von OM, WHO, und TEM, und bestimmen Sie den Typ, Morphologie, GRÖßE, und Verteilung mikrostruktureller Komponenten. (2) Zur Prüfung der mechanischen Eigenschaften des Stahls durch Zug, Charpy-Einschlag, und Härteprüfungen, und bewerten Sie seine Leistung gemäß API 5L und GB/T 9711 standards. (3) Diskussion des Zusammenhangs zwischen Mikrostruktur und mechanischen Eigenschaften des Stahls, und klären Sie die Rolle jeder mikrostrukturellen Komponente bei der Bestimmung der mechanischen Eigenschaften. (4) Untersuchung der Auswirkungen von Normalisierungs- und Anlassprozessen auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften des Stahls, und schlagen optimale Wärmebehandlungsparameter vor.

Der Forschungsumfang dieser Arbeit umfasst: (1) Der nahtlose Pipelinestahl API 5L X70Q/L485Q im Lieferzustand. (2) Der Stahl nach verschiedenen Wärmebehandlungsprozessen (Normalisierung bei 880-980℃, Anlassen bei 550-700℃). (3) Die Mikrostrukturanalyse des Stahls mittels OM, WHO, und TEM. (4) Die Prüfung der mechanischen Eigenschaften des Stahls erfolgt mittels einachsigem Zugversuch, Charpy-Schlagtest, und Härteprüfung.

Dieses Papier ist in sechs Kapitel unterteilt. Kapitel 1 ist die Einleitung, in dem auf den Forschungshintergrund und die Bedeutung eingegangen wird, fasst den Forschungsstand im In- und Ausland zusammen, klärt die Forschungsziele und den Umfang, und stellt den Aufbau der Arbeit vor. Kapitel 2 stellt die Materialeigenschaften des nahtlosen Rohrleitungsstahls API 5L X70Q/L485Q vor, einschließlich seiner chemischen Zusammensetzung und seines Herstellungsprozesses. Kapitel 3 beschreibt die experimentellen Methoden, inklusive der Probenvorbereitung, Methoden zur Mikrostrukturbeobachtung, und Prüfmethoden für mechanische Eigenschaften. Kapitel 4 analysiert die Mikrostruktur des erhaltenen und wärmebehandelten Stahls. Kapitel 5 testet und analysiert die mechanischen Eigenschaften des Stahls, und diskutiert die Beziehung zwischen Mikrostruktur und mechanischen Eigenschaften. Kapitel 6 ist der Schluss und Ausblick, Darin werden die wichtigsten Forschungsergebnisse zusammengefasst, weist auf die Mängel der Forschung hin, und freut sich auf die zukünftige Forschungsrichtung.

API 5L X70Q/L485Q nahtloser Rohrleitungsstahl ist ein hochfester niedriglegierter Stahl, und seine chemische Zusammensetzung wird durch API 5L und GB/T streng reguliert 9711 standards. Die chemische Zusammensetzung des in dieser Studie verwendeten nahtlosen Pipelinestahls API 5L X70Q/L485Q im Lieferzustand wurde mit einem direkt ablesbaren Spektrometer ermittelt, und die Ergebnisse sind in der Tabelle aufgeführt 1 (Massenanteil, %).

ELEMENT

C

Si

MN

P

S

NB

V

Ti

Cr

Mo

Ni

Cu

Fe

Inhalt

0.08

0.35

1.60

0.015

0.005

0.045

0.030

0.020

0.15

0.10

0.20

0.10

Bal.

API 5L-Grenze

≤0.10

≤0.40

1.20-1.80

≤0,025

≤0,010

0.02-0.06

0.01-0.04

0.01-0.03

≤0.30

≤0.30

≤ 0,50

≤0.30

Bal.

Es ist aus der Tabelle ersichtlich 1 dass die chemische Zusammensetzung des in dieser Studie verwendeten nahtlosen Pipelinestahls API 5L X70Q/L485Q die Anforderungen des API 5L-Standards vollständig erfüllt. Die wichtigsten Legierungselemente und ihre Funktionen sind wie folgt:

(1) KOHLENSTOFF (C): Kohlenstoff ist ein wichtiges Element, das die Festigkeit von Stahl verbessert. Der richtige Kohlenstoffgehalt kann die Festigkeit des Stahls durch Mischkristallverfestigung erhöhen. allerdings, Ein zu hoher Kohlenstoffgehalt verringert die Zähigkeit und Schweißbarkeit des Stahls. Daher, Der Kohlenstoffgehalt von X70Q/L485Q-Stahl wird im Folgenden streng kontrolliert 0.10%.

(2) Silizium (Si): Silizium ist ein Desoxidationsmittel und kann auch die Festigkeit von Stahl durch Mischkristallverfestigung verbessern. Der Siliziumgehalt von X70Q/L485Q-Stahl wird zwischen kontrolliert 0.10% und 0.40%.

(3) Mangan (MN): Mangan ist ein wichtiges austenitisierendes Element und kann die Festigkeit und Zähigkeit von Stahl deutlich verbessern. Mangan kann außerdem die Körner verfeinern und die Härtbarkeit des Stahls verbessern. Der Mangangehalt von X70Q/L485Q-Stahl wird zwischen kontrolliert 1.20% und 1.80%.

(4) Phosphor (P) und Schwefel (S): Phosphor und Schwefel sind schädliche Verunreinigungselemente. Phosphor verringert die Zähigkeit von Stahl, besonders kältezäh, und Kältesprödigkeit verursachen. Schwefel bildet MnS-Einschlüsse, Dies verringert die Duktilität und Zähigkeit des Stahls und führt zu Heißsprödigkeit. Daher, Die Gehalte an Phosphor und Schwefel werden im Folgenden streng kontrolliert 0.025% und 0.010% beziehungsweise.

(5) Niob (NB), Vanadium (V), Titan (Ti): Dabei handelt es sich um Mikrolegierungselemente, die eine wichtige Rolle bei der Kornverfeinerung und der Verbesserung der Festigkeit und Zähigkeit von Stahl spielen. Nb kann die Rekristallisation von Austenit beim Warmwalzen verzögern, die Körner verfeinern, und bilden Nb(C,n) Fällungen zur Stärkung der Matrix. V kann VC-Niederschläge bilden, die eine starke niederschlagsverstärkende Wirkung haben. Ti kann TiN-Ausscheidungen bilden, Dies kann das Wachstum von Austenitkörnern während des Erhitzens verhindern.

(6) Chrom (Cr), Molybdän (Mo), Nickel (Ni), Kupfer (Cu): Diese Elemente können die Härtbarkeit und Korrosionsbeständigkeit von Stahl verbessern. Durch die richtige Zugabe dieser Elemente können die umfassenden Eigenschaften von X70Q/L485Q-Stahl weiter verbessert werden.

Der Produktionsprozess von nahtlosem Pipelinestahl API 5L X70Q/L485Q umfasst hauptsächlich das Schmelzen, Gießen, stechend, Roll, Wärmebehandlung, und Abschluss. Der spezifische Produktionsprozess ist wie folgt:

(1) Schmelzen: Der Stahl wird in einem Sauerstoffofen geschmolzen (BOF) oder Elektrolichtbogenofen (EAF), und dann im Pfannenofen verfeinert (LF) und Vakuumentgasung (VD) um den Gehalt an Verunreinigungen und Gas zu reduzieren, und passen Sie die chemische Zusammensetzung an die Anforderungen an.

(2) Gießen: Der geschmolzene geschmolzene Stahl wird im Stranggussverfahren zu Knüppeln gegossen. Die Stranggussbarren haben eine einheitliche chemische Zusammensetzung und eine dichte Struktur, was eine gute Grundlage für die spätere Verarbeitung legt.

(3) stechend: Die Stranggussbarren werden in einem Heizofen auf 1200–1250 °C erhitzt, und dann von einem Locher in hohle Rohlinge gestochen. Der Lochvorgang ist ein wichtiger Schritt bei der Herstellung nahtloser Stahlrohre, Dies bestimmt die Wandstärke und den Innendurchmesser der Hohlblöcke.

(4) Roll: Die Hohlblöcke werden in einem kontinuierlichen Walzwerk oder einem Dornwalzwerk zu nahtlosen Stahlrohren der erforderlichen Größe gewalzt. Während des Rollvorgangs, Temperatur und Walzgeschwindigkeit werden streng kontrolliert, um Maßgenauigkeit und Oberfläche sicherzustellen Qualität der Stahlrohre.

(5) Wärmebehandlung: Die gewalzten nahtlosen Stahlrohre werden einer Wärmebehandlung unterzogen (wie Normalisierung, Temperieren) zur Anpassung der Mikrostruktur und Verbesserung der mechanischen Eigenschaften. Der Wärmebehandlungsprozess hat einen erheblichen Einfluss auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften von X70Q/L485Q-Stahl.

(6) Finishing: Die wärmebehandelten Stahlrohre werden Endbearbeitungsprozessen wie dem Richten unterzogen, Schneiden, und Oberflächenbehandlung, um die Anforderungen des Endprodukts zu erfüllen.

Der Produktionsprozess von nahtlosem Rohrleitungsstahl API 5L X70Q/L485Q ist komplex und erfordert eine strenge Kontrolle jedes Prozessparameters, um sicherzustellen, dass Qualität des Endprodukts. Darunter, Der Wärmebehandlungsprozess ist das entscheidende Glied zur Anpassung der Mikrostruktur und der mechanischen Eigenschaften des Stahls.

Das in dieser Studie verwendete Versuchsmaterial war nahtloser Rohrleitungsstahl API 5L X70Q/L485Q mit einem Außendurchmesser von 114 mm und eine Wandstärke von 10 mm. Die Proben wurden aus dem Stahlrohr im Lieferzustand und dem Stahlrohr nach verschiedenen Wärmebehandlungsprozessen geschnitten.

Für Mikrostrukturbeobachtungsproben: Die Proben wurden zerschnitten 10 mm × 10 mm × 5 mm Stück. Die Proben wurden mit gemahlen 400#, 800#, 1200#, und 2000# Schleifpapier der Reihe nach, Anschließend mit Diamantpolierpaste poliert (Partikelgröße 1.5 µm), und schließlich mit geätzt 4% Salpetersäure-Alkohollösung für 5-10 Sekunden. Die geätzten Proben wurden mit Alkohol gereinigt und zur Mikrostrukturbeobachtung getrocknet.

Für Testproben der mechanischen Eigenschaften: (1) Zugversuchsproben: Die Zugproben wurden nach GB/T verarbeitet 228.1-2010 Standard, mit einer Messlänge von 50 mm, einen Messdurchmesser von 10 mm, und eine Gesamtlänge von 150 mm. (2) Proben des Charpy-Schlagtests: Die Aufprallproben wurden gemäß GB/T verarbeitet 229-2020 Standard, mit einer Größe von 10 mm × 10 mm × 55 mm, und eine V-förmige Kerbe (Kerbtiefe 2 mm, Kerbwinkel 45°, Wurzelradius 0.25 mm). (3) Härtetestproben: Die Proben wurden zerschnitten 10 mm × 10 mm × 10 mm Stück, und die Oberfläche wurde geschliffen und poliert, um eine glatte Oberfläche zu gewährleisten.

Für Wärmebehandlungsproben: Die erhaltenen Proben wurden einer normalisierenden und anlassenden Wärmebehandlung unterzogen. Die Normalisierungstemperatur wurde auf 880℃ eingestellt, 920℃, 950℃, und 980℃, und die Haltezeit war 30 Minuten, dann luftgekühlt. Die Anlasstemperatur wurde auf 550℃ eingestellt, 600℃, 650℃, und 700℃, und die Haltezeit war 60 Minuten, dann luftgekühlt.

Die Mikrostruktur der Proben wurde mit drei Arten von Mikroskopen beobachtet:

(1) Optische Mikroskopie (UM): Zur Beobachtung der makroskopischen Mikrostruktur der Proben wurde ein optisches Mikroskop Olympus GX71 verwendet, und die Korngröße wurde unter Verwendung der linearen Schnittpunktmethode gemäß GB/T gemessen 6394-2017 Standard.

(2) Rasterelektronenmikroskopie (WHO): Ein Zeiss Sigma 300 Mithilfe eines Rasterelektronenmikroskops wurde die detaillierte Mikrostruktur der Proben beobachtet, wie zum Beispiel die Morphologie von Ferrit, Bainit, und M-A-Inseln, und die Verteilung von Einschlüssen. Die Beschleunigungsspannung betrug 20 kV.

(3) Transmissionselektronenmikroskopie (TEM): Zur Beobachtung der feinen Mikrostruktur der Proben wurde ein JEOL JEM-2100 Transmissionselektronenmikroskop verwendet, wie zum Beispiel die Kristallstruktur von Ferrit, die Morphologie und Größe der Niederschläge, und die Versetzungsstruktur. Die Beschleunigungsspannung betrug 200 kV. Die TEM-Proben wurden durch Schneiden hergestellt 3 mm × 3 mm-Scheiben aus den Mikrostrukturbeobachtungsproben, Schleifen Sie sie auf eine Dicke von 100 µm, dann einschlagen 3 Scheiben mit mm Durchmesser, und schließlich mit einem Doppelstrahl-Elektrolytpolierer bis zur Transparenz verdünnen. Die elektrolytische Polierlösung war eine gemischte Lösung aus 5% Perchlorsäure und 95% Ethanol, Die Poliertemperatur betrug -20℃, und die Polierspannung war 20 V.

Die mechanischen Eigenschaften der Proben wurden mit den folgenden Methoden getestet:

(1) einachsiger Zugversuch: Zur Durchführung des Zugversuchs bei Raumtemperatur wurde eine Universalprüfmaschine Zwick/Roell Z100 verwendet (25℃) mit einer Ladegeschwindigkeit von 2 mm/min. Für jede Bedingung wurden drei Proben getestet, und der Durchschnittswert wurde ermittelt. die Streckgrenze (σₛ), Zugfestigkeit (σᵦ), und Dehnung (D) wurden nach GB/T gemessen 228.1-2010 Standard.

(2) Charpy-Schlagtest: Zur Durchführung des Charpy-Schlagversuchs bei -20 °C wurde eine Schlagprüfmaschine HIT50P von Zwick/Roell verwendet. Für jede Bedingung wurden drei Proben getestet, und der Durchschnittswert wurde ermittelt. Die Aufprallabsorptionsenergie (Aₖᵥ) wurde nach GB/T gemessen 229-2020 Standard.

(3) Härte-Test: Zur Durchführung der Härteprüfung wurde ein Rockwell-Härteprüfgerät mit einer Belastung von verwendet 150 kgf und einer Haltezeit von 15 Sekunden. Für jede Probe wurden fünf Messpunkte genommen, und der Durchschnittswert wurde ermittelt. Die Rockwell-Härte (HRC) wurde nach GB/T gemessen 230.1-2018 Standard.

Figur 1 zeigt das OM, WHO, und TEM-Bilder des nahtlosen Pipelinestahls API 5L X70Q/L485Q im Lieferzustand. Es ist aus der Abbildung ersichtlich 1(A) (ÜBER Bild) dass die Mikrostruktur des Stahls im Lieferzustand aus nadelförmigem Ferrit besteht (VON), Polygonaler Ferrit (PF), und eine kleine Menge Bainit (B). Die Körner sind fein und gleichmäßig, und die durchschnittliche Korngröße beträgt ca 8 µm. Der nadelförmige Ferrit ist die wichtigste mikrostrukturelle Komponente, Buchhaltung für ca 65%-70%. Der polygonale Ferrit macht etwa aus 20%-25%, und der Bainit macht etwa aus 5%-10%.

Figur 1(B) (REM-Bild) zeigt die detaillierte Morphologie der Mikrostruktur. Der nadelförmige Ferrit hat eine feine nadelförmige Form, und die Nadeln sind miteinander verzahnt, eine dichte Netzwerkstruktur bilden. Der Polygonferrit hat eine regelmäßige Polygonform, und die Korngrenzen sind klar. Der Bainit hat eine lattenartige Form, und die Latten sind parallel zueinander. Außerdem, eine kleine Menge Martensit-Austenit (M-A) An den Korngrenzen und zwischen den nadelförmigen Ferritnadeln werden Inseln beobachtet. Die M-A-Inseln sind klein, mit einem Durchmesser von ca 0.5-1 µm.

Figur 1(C) (TEM-Bild) zeigt die feine Mikrostruktur des Stahls im Lieferzustand. Der nadelförmige Ferrit hat eine kubisch raumzentrierte Form (BCC) Kristallstruktur, und es gibt eine große Anzahl von Versetzungen in der Ferritmatrix. Die Versetzungen sind gleichmäßig verteilt, was sich positiv auf die Festigkeit des Stahls auswirkt. Außerdem, In der Ferritmatrix wird eine große Anzahl feiner Ausscheidungen beobachtet. Die Niederschläge haben eine kugelförmige oder elliptische Form, mit einer Größe von ca 5-20 nm. Die EDS-Analyse zeigt, dass es sich bei den Niederschlägen hauptsächlich um Nb handelt(C,n) und VC, das sind die Produkte von Mikrolegierungselementen. Diese Ausscheidungen können die Versetzungen und Korngrenzen fixieren, die Körner verfeinern, und verbessern die Festigkeit und Zähigkeit des Stahls.

Die Bildung der Mikrostruktur des nahtlosen Pipelinestahls API 5L X70Q/L485Q im Lieferzustand steht in engem Zusammenhang mit seinem Produktionsprozess. Während des Walz- und Abkühlvorgangs, der Austenit wird in nadelförmiges Ferrit umgewandelt, Polygonaler Ferrit, und Bainit. Die Mikrolegierungselemente wie Nb, V, und Ti spielen eine wichtige Rolle im Transformationsprozess. Nb verzögert die Rekristallisation von Austenit, wodurch die Austenitkörner feiner werden. Während des Abkühlvorgangs, Die feinen Austenitkörner lassen sich leicht in nadelförmiges Ferrit umwandeln. V und Ti bilden feine Niederschläge, die die Körner weiter verfeinern und die Festigkeit des Stahls verbessern.

Figur 2 zeigt die OM-Bilder des nahtlosen Pipelinestahls API 5L X70Q/L485Q nach der Normalisierung bei verschiedenen Temperaturen (880℃, 920℃, 950℃, 980℃) und luftgekühlt. Es ist aus der Abbildung ersichtlich 2 dass die Normalisierungstemperatur einen erheblichen Einfluss auf die Mikrostruktur des Stahls hat.

Wenn die Normalisierungstemperatur 880℃ beträgt (Figur 2(A)), Die Mikrostruktur des Stahls besteht aus nadelförmigem Ferrit, Polygonaler Ferrit, und eine kleine Menge Bainit. Die durchschnittliche Korngröße beträgt ca 9 µm. Verglichen mit dem Stahl im Lieferzustand, der Anteil an nadelförmigem Ferrit nimmt leicht ab (Über 60%), und der Anteil an Polygonferrit nimmt leicht zu (Über 25%). Dies liegt daran, dass die Normalisierungstemperatur relativ niedrig ist, die Austenitkörner sind nicht vollständig ausgewachsen, und die Umwandlung von Austenit in nadelförmiges Ferrit reicht nicht aus.

Wenn die Normalisierungstemperatur 920℃ beträgt (Figur 2(B)), Die Mikrostruktur des Stahls besteht hauptsächlich aus nadelförmigem Ferrit (Über 75%), mit einer kleinen Menge Polygonferrit (Über 20%) und Bainit (Über 5%). Die durchschnittliche Korngröße beträgt ca 7 µm. Der nadelförmige Ferrit ist fein und dicht, und der Verzahnungsgrad ist hoch. Dies liegt daran, dass die Normalisierungstemperatur angemessen ist, Die Austenitkörner sind ausgewachsen und gleichmäßig, und die Umwandlung von Austenit in nadelförmiges Ferrit ist ausreichend. Die feine nadelförmige Ferritstruktur trägt zur Verbesserung der Festigkeit und Zähigkeit des Stahls bei.

Wenn die Normalisierungstemperatur 950℃ beträgt (Figur 2(C)), Die Mikrostruktur des Stahls besteht immer noch hauptsächlich aus nadelförmigem Ferrit (Über 70%), mit einer kleinen Menge Polygonferrit (Über 22%) und Bainit (Über 8%). Die durchschnittliche Korngröße beträgt ca 8 µm. Verglichen mit dem bei 920℃ normalisierten Stahl, der Anteil an nadelförmigem Ferrit nimmt leicht ab, und die Korngröße nimmt leicht zu. Dies liegt daran, dass die Normalisierungstemperatur zu hoch ist, die Austenitkörner beginnen zu wachsen, was zu einer Vergrößerung der Korngröße nach der Umwandlung führt.

wenn die Normalisierungstemperatur 980℃ beträgt (Figur 2(D)), Die Mikrostruktur des Stahls besteht aus nadelförmigem Ferrit (Über 55%), Polygonaler Ferrit (Über 30%), und Bainit (Über 15%). Die durchschnittliche Korngröße beträgt ca 12 µm. Die Korngröße nimmt deutlich zu, und die nadelförmige Ferritstruktur wird grob. Dies liegt daran, dass die Normalisierungstemperatur zu hoch ist, die Austenitkörner wachsen übermäßig, Dies führt zu einer deutlichen Zunahme der Korngröße nach der Umwandlung. Die grobe Mikrostruktur verringert die Festigkeit und Zähigkeit des Stahls.

Die obigen Ergebnisse zeigen, dass die optimale Normalisierungstemperatur für nahtlosen Rohrleitungsstahl API 5L X70Q/L485Q 920–950 °C beträgt. Innerhalb dieses Temperaturbereichs, Der Stahl kann eine feine und gleichmäßige Mikrostruktur mit einem hohen Anteil an nadelförmigem Ferrit erhalten, Dies trägt zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Stahls bei.

Figur 3 zeigt die OM-Bilder des nahtlosen Pipelinestahls API 5L X70Q/L485Q nach dem Normalisieren bei 920 °C und dem Anlassen bei verschiedenen Temperaturen (550℃, 600℃, 650℃, 700℃) und luftgekühlt. Es ist aus der Abbildung ersichtlich 3 dass auch die Anlasstemperatur einen erheblichen Einfluss auf die Mikrostruktur des Stahls hat.

Wenn die Anlasstemperatur 550℃ beträgt (Figur 3(A)), Die Mikrostruktur des Stahls ähnelt der des normalisierten Stahls, besteht hauptsächlich aus nadelförmigem Ferrit, Polygonaler Ferrit, und eine kleine Menge Bainit. Die durchschnittliche Korngröße beträgt ca 7 µm. Es gibt keine offensichtliche Veränderung der Mikrostruktur im Vergleich zum normalisierten Stahl. Dies liegt daran, dass die Anlasstemperatur relativ niedrig ist, die Rückgewinnung und Rekristallisation der Ferritmatrix sind nicht ausreichend, und die Transformation der zweiten Phase ist nicht offensichtlich.

Wenn die Anlasstemperatur 600℃ beträgt (Figur 3(B)), Die Mikrostruktur des Stahls besteht immer noch hauptsächlich aus nadelförmigem Ferrit (Über 72%), mit einer kleinen Menge Polygonferrit (Über 23%) und Bainit (Über 5%). Die durchschnittliche Korngröße beträgt ca 7 µm. Der nadelförmige Ferrit ist fein und gleichmäßig, und die Versetzungen in der Ferritmatrix werden reduziert. An den Korngrenzen und zwischen den Ferritnadeln werden geringe Mengen an Zementitausscheidungen beobachtet. Die Zementitausscheidungen sind fein und kugelförmig, was die Zähigkeit des Stahls verbessern kann.

Wenn die Anlasstemperatur 650℃ beträgt (Figur 3(C)), Die Mikrostruktur des Stahls besteht aus nadelförmigem Ferrit (Über 68%), Polygonaler Ferrit (Über 27%), und eine kleine Menge Bainit (Über 5%). Die durchschnittliche Korngröße beträgt ca 8 µm. Der nadelförmige Ferrit beginnt sich zu zersetzen, und der polygonale Ferrit wächst leicht. In der Ferritmatrix wird eine große Anzahl feiner Zementitausscheidungen beobachtet. Die Zementit-Ausscheidungen sind gleichmäßig verteilt, was die Zähigkeit des Stahls verbessern kann. allerdings, die Korngröße nimmt leicht zu, Dies kann die Festigkeit des Stahls verringern.

Wenn die Anlasstemperatur 700℃ beträgt (Figur 3(D)), Die Mikrostruktur des Stahls besteht aus polygonalem Ferrit (Über 50%), nadelförmiger Ferrit (Über 40%), und Bainit (Über 10%). Die durchschnittliche Korngröße beträgt ca 10 µm. Das nadelförmige Ferrit zersetzt sich stark, und der polygonale Ferrit wächst offensichtlich. Die Zementitniederschläge wachsen und aggregieren, Es bilden sich grobe Zementitpartikel. Die grobe Mikrostruktur und die groben Zementitpartikel verringern die Festigkeit und Zähigkeit des Stahls erheblich.

Die obigen Ergebnisse zeigen, dass die optimale Anlasstemperatur für nahtlosen Rohrleitungsstahl API 5L X70Q/L485Q nach dem Normalisieren bei 920 °C 600–650 °C beträgt. Innerhalb dieses Temperaturbereichs, Der Stahl kann eine feine und gleichmäßige Mikrostruktur mit einem hohen Anteil an nadelförmigen Ferrit- und feinen Zementitausscheidungen erhalten, Dies trägt zur Verbesserung der umfassenden mechanischen Eigenschaften des Stahls bei.

Tabelle 2 zeigt die mechanischen Eigenschaften des nahtlosen Pipelinestahls API 5L X70Q/L485Q im Lieferzustand. Es ist aus der Tabelle ersichtlich 2 dass der Stahl im Lieferzustand hervorragende umfassende mechanische Eigenschaften aufweist. Die Streckgrenze beträgt 505 MPA, die Zugfestigkeit beträgt 635 MPA, die Dehnung ist 30%, Die Aufprallabsorptionsenergie bei -20℃ beträgt 135 j, und die Rockwell-Härte ist 20 HRC. Alle diese Indikatoren erfüllen vollständig die Anforderungen von API 5L und GB/T 9711 standards (API 5L erfordert, dass X70-Stahl eine Streckgrenze von ≥485 MPa aufweist, eine Zugfestigkeit von 600-750 MPA, eine Dehnung von ≥20 %, und eine Stoßabsorptionsenergie bei -20℃ von ≥40 J).

Index der mechanischen Eigenschaften	Streckgrenze σₛ (MPA)	Zugfestigkeit σᵦ (MPA)	Dehnung δ (%)	Aufprallabsorptionsenergie Aₖᵥ (-20℃, j)	Rockwell-Härte HRC
Stahl im Lieferzustand	505	635	30	135	20
API 5L-Standardanforderung	≥485	600-750	≥20	≥40	–

Die hervorragenden mechanischen Eigenschaften des nahtlosen Pipelinestahls API 5L X70Q/L485Q im Lieferzustand sind hauptsächlich auf seine feine Mikrostruktur zurückzuführen. Der nadelförmige Ferrit, mit seiner feinen und ineinandergreifenden Struktur, kann die Bewegung von Luxationen effektiv behindern, Verbesserung der Festigkeit des Stahls. Gleichzeitig, Die ineinandergreifende nadelförmige Ferritstruktur kann beim Bruchvorgang zudem viel Energie absorbieren, Verbesserung der Zähigkeit des Stahls. Die feinen Niederschläge (NB(C,n) und VC) die Festigkeit des Stahls durch Ausscheidungsverfestigung weiter verbessern. Der polygonale Ferrit weist eine gute Duktilität auf, was die Dehnung des Stahls verbessert.

Tabelle 3 zeigt die mechanischen Eigenschaften des nahtlosen Pipelinestahls API 5L X70Q/L485Q nach Normalisieren bei verschiedenen Temperaturen und Luftkühlung. Es ist aus der Tabelle ersichtlich 3 dass die Normalisierungstemperatur einen erheblichen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Stahls hat.

Normalisierende Temperatur (℃)	Streckgrenze σₛ (MPA)	Zugfestigkeit σᵦ (MPA)	Dehnung δ (%)	Aufprallabsorptionsenergie Aₖᵥ (-20℃, j)	Rockwell-Härte HRC
880	490	620	31	125	19
920	520	650	32	150	22
950	510	640	31	140	21
980	480	610	28	100	18

Wenn die Normalisierungstemperatur 880℃ beträgt, die Streckgrenze, Zugfestigkeit, und Stoßabsorptionsenergie des Stahls sind etwas niedriger als die des Stahls im Lieferzustand. Dies liegt daran, dass die Normalisierungstemperatur relativ niedrig ist, der Anteil an nadelförmigem Ferrit ist gering, und die Korngröße ist etwas größer. Wenn die Normalisierungstemperatur 920℃ beträgt, Der Stahl hat die höchste Streckgrenze (520 MPA), Zugfestigkeit (650 MPA), und Aufprallabsorptionsenergie (150 j). Dies liegt daran, dass der Stahl eine feine und gleichmäßige Mikrostruktur mit einem hohen Anteil an nadelförmigem Ferrit aufweist, wodurch die Festigkeit und Zähigkeit des Stahls effektiv verbessert werden kann. Wenn die Normalisierungstemperatur 950℃ beträgt, die Streckgrenze, Zugfestigkeit, und Stoßabsorptionsenergie des Stahls sind etwas niedriger als die des bei 920℃ normalisierten Stahls. Dies liegt daran, dass die Korngröße leicht zunimmt, und der Anteil an nadelförmigem Ferrit nimmt leicht ab. wenn die Normalisierungstemperatur 980℃ beträgt, die Streckgrenze, Zugfestigkeit, und Schlagabsorptionsenergie des Stahls nehmen deutlich ab. Dies liegt daran, dass die Korngröße deutlich zunimmt, und die nadelförmige Ferritstruktur wird grob, was die Festigkeit und Zähigkeit des Stahls verringert.

Tabelle 4 zeigt die mechanischen Eigenschaften des nahtlosen Rohrleitungsstahls API 5L X70Q/L485Q nach Normalisieren bei 920 °C und Anlassen bei verschiedenen Temperaturen und Luftkühlung. Es ist aus der Tabelle ersichtlich 4 dass auch die Anlasstemperatur einen erheblichen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Stahls hat.

Anlasstemperatur (℃)	Streckgrenze σₛ (MPA)	Zugfestigkeit σᵦ (MPA)	Dehnung δ (%)	Aufprallabsorptionsenergie Aₖᵥ (-20℃, j)	Rockwell-Härte HRC
550	515	645	31	145	21
600	510	635	33	160	20
650	500	625	32	155	19
700	470	590	29	110	17

Wenn die Anlasstemperatur 550℃ beträgt, Die mechanischen Eigenschaften des Stahls ähneln denen des normalisierten Stahls. Dies liegt daran, dass die Anlasstemperatur relativ niedrig ist, die Rückgewinnung und Rekristallisation der Ferritmatrix sind nicht ausreichend, und die Transformation der zweiten Phase ist nicht offensichtlich. Wenn die Anlasstemperatur 600℃ beträgt, Der Stahl hat die höchste Dehnung (33%) und Aufprallabsorptionsenergie (160 j). Dies liegt daran, dass die Anlasstemperatur angemessen ist, die Versetzungen in der Ferritmatrix werden reduziert, und es bilden sich zahlreiche feine Zementit-Ausfällungen. Die feinen Zementitausscheidungen können die Zähigkeit des Stahls verbessern, und die Wiederherstellung der Ferritmatrix kann die Duktilität des Stahls verbessern. Wenn die Anlasstemperatur 650℃ beträgt, die Streckgrenze, Zugfestigkeit, DEHNUNG, und Schlagabsorptionsenergie des Stahls sind etwas niedriger als die des bei 600℃ gehärteten Stahls. Dies liegt daran, dass die Korngröße leicht zunimmt, und die Zementitniederschläge beginnen zu wachsen. Wenn die Anlasstemperatur 700℃ beträgt, die Streckgrenze, Zugfestigkeit, DEHNUNG, und Schlagabsorptionsenergie des Stahls nehmen deutlich ab. Dies liegt daran, dass sich das nadelförmige Ferrit stark zersetzt, der polygonale Ferrit wächst offensichtlich, und die Zementitniederschläge wachsen und aggregieren, was die Festigkeit und Zähigkeit des Stahls verringert.

Die mechanischen Eigenschaften des nahtlosen Rohrleitungsstahls API 5L X70Q/L485Q werden inhärent durch seine Mikrostruktur bestimmt. Basierend auf der obigen Analyse der Mikrostruktur und der mechanischen Eigenschaften, Die Korrelation zwischen ihnen kann wie folgt zusammengefasst werden:

zuerst, nadelförmiger Ferrit (VON) ist die zentrale mikrostrukturelle Komponente, die die umfassenden mechanischen Eigenschaften des Stahls beeinflusst. Die feine und ineinandergreifende nadelförmige Ferritstruktur kann die Bewegung von Versetzungen während des Zugvorgangs erheblich behindern, Dadurch werden die Streckgrenze und die Zugfestigkeit des Stahls durch Versetzungsverstärkung verbessert. In der Zwischenzeit, während des Aufprallvorgangs, Das ineinandergreifende nadelförmige Ferrit kann die Ausbreitung von Rissen wirksam verhindern – Risse müssen beim Ausdehnen die nadelförmigen Ferritnadeln umgehen, was viel Energie verbraucht, Dadurch wird die Tieftemperaturzähigkeit des Stahls erheblich verbessert. Je höher der Anteil an nadelförmigem Ferrit, desto feiner die Korngröße, und desto besser sind die umfassenden mechanischen Eigenschaften des Stahls. Zum Beispiel, wenn der Stahl bei 920℃ normalisiert wird, der Anteil an nadelförmigem Ferrit beträgt ca 75%, und die entsprechende Streckgrenze, Zugfestigkeit, und Aufprallabsorptionsenergie erreichen jeweils die Maximalwerte, was die dominierende Rolle von nadelförmigem Ferrit vollständig bestätigt.

Zweitens, Polygonaler Ferrit (PF) wirkt sich positiv auf die Duktilität des Stahls aus. Polygonales Ferrit hat eine regelmäßige vieleckige Form und weist im Inneren weniger Versetzungen auf, daher weist es eine gute Duktilität auf. Ein entsprechender Anteil an Polygonferrit kann die Dehnung des Stahls verbessern, Dadurch erhält der Stahl eine bessere plastische Verformungsfähigkeit. allerdings, wenn der Anteil an Polygonferrit zu hoch ist, die Festigkeit des Stahls nimmt ab. Zum Beispiel, wenn die Normalisierungstemperatur 980℃ beträgt, der Anteil an Polygonferrit steigt auf ca 30%, und die Streckgrenze und Zugfestigkeit des Stahls nehmen deutlich ab 480 MPa und 610 MPa bzw.

Drittens, Bainit (B) und Martensit-Austenit (M-A) Inseln haben einen doppelten Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Stahls. Eine kleine Menge Bainit kann aufgrund seiner dichten Lattenstruktur die Festigkeit des Stahls verbessern. allerdings, Überschüssiges Bainit verringert die Zähigkeit des Stahls, da die Lattenstruktur leicht zu Spannungskonzentrationen führt. M-A-Inseln sind harte und spröde Phasen. Eine kleine Menge feiner M-A-Inseln kann die Festigkeit des Stahls durch Dispersionsverfestigung verbessern, aber wenn die M-A-Inseln grob oder konzentriert verteilt sind, Sie werden während des Aufprallvorgangs zur Quelle von Rissen, Dadurch wird die Kältezähigkeit des Stahls deutlich verringert. Im Ausgangsstahl und im Stahl nach optimaler Wärmebehandlung, Der Bainitgehalt wird nachstehend kontrolliert 5%-10%, und die M-A-Inseln sind fein und gleichmäßig verteilt, Daher beeinträchtigen sie die Zähigkeit des Stahls nicht.

Viertens, feine Niederschläge (NB(C,n), VC) spielen eine wichtige Rolle bei der Niederschlagsverstärkung. Die Mikrolegierungselemente Nb, V, und Ti im Stahl bilden während der Produktions- und Wärmebehandlungsprozesse feine Ausscheidungen. Diese Niederschläge sind kugelförmig oder elliptisch, mit einer Größe von ca 5-20 nm, und kann Versetzungen und Korngrenzen fixieren. Einerseits, Sie verhindern die Bewegung von Luxationen, Verbesserung der Festigkeit des Stahls; Andererseits, Sie verhindern das Wachstum von Körnern, Verfeinerung der Korngröße, und somit die Zähigkeit des Stahls verbessert. Die TEM-Beobachtungsergebnisse zeigen, dass die Ausscheidungen im Stahl im Lieferzustand und im Stahl nach optimaler Wärmebehandlung fein und gleichmäßig verteilt sind, Dies ist ein wichtiger Grund für die hervorragenden umfassenden mechanischen Eigenschaften des Stahls.

Endlich, Die Korngröße hat einen erheblichen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Stahls. Nach der Hall-Petch-Formel, Die Festigkeit des Stahls ist umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Korngröße – je feiner die Korngröße, desto höher ist die Festigkeit des Stahls. Gleichzeitig, Feine Körner können auch die Zähigkeit des Stahls verbessern, da die Korngrenzen die Ausbreitung von Rissen behindern können. Zum Beispiel, Wenn die Normalisierungstemperatur 920℃ beträgt, Die durchschnittliche Korngröße des Stahls beträgt ca 7 µm, Dies ist die kleinste aller Testbedingungen, und die entsprechenden mechanischen Eigenschaften sind die besten. wenn die Normalisierungstemperatur 980℃ beträgt, die durchschnittliche Korngröße erhöht sich auf 12 µm, und die mechanischen Eigenschaften des Stahls nehmen deutlich ab.

Um den Bruchmechanismus des nahtlosen Pipelinestahls API 5L X70Q/L485Q und seine Beziehung zur Mikrostruktur besser zu verstehen, Die Bruchmorphologie der Zug- und Charpy-Schlagproben wurde mittels REM beobachtet. Figur 4 zeigt die SEM-Bruchmorphologie des Stahls im Lieferzustand und des Stahls nach der Wärmebehandlung bei verschiedenen Temperaturen.

Figur 4(A) zeigt die Zugbruchmorphologie des Stahls im Lieferzustand. Es ist zu erkennen, dass die Bruchfläche aus einer Vielzahl unterschiedlich großer Grübchen besteht, und die Grübchen sind gleichmäßig verteilt. Außerdem gibt es zwischen den Grübchen eine kleine Anzahl von Risskanten. Dies ist eine typische duktile Bruchmorphologie, Dies weist darauf hin, dass der Stahl im Lieferzustand eine gute Duktilität aufweist. Die Bildung von Grübchen ist auf die Keimbildung zurückzuführen, Wachstum, und Zusammenwachsen von Hohlräumen während des Zugvorgangs. Die feine Mikrostruktur des Stahls im Lieferzustand sorgt für mehr Keimbildungsstellen für Hohlräume, und die ineinandergreifende nadelförmige Ferritstruktur kann das Wachstum und die Verschmelzung von Hohlräumen behindern, Dadurch bilden sich zahlreiche feine Grübchen.

Figur 4(B) zeigt die Zugbruchmorphologie des bei 920℃ normalisierten Stahls. Verglichen mit dem Stahl im Lieferzustand, die Grübchen auf der Bruchfläche sind feiner und gleichmäßiger, und die Anzahl der Risskanten wird erhöht. Dies weist darauf hin, dass der bei 920 °C normalisierte Stahl eine bessere Duktilität und eine höhere Zugfestigkeit aufweist. Die feine nadelförmige Ferritstruktur im Stahl sorgt für mehr Keimbildungsstellen für Hohlräume, und die feinen Ausscheidungen fixieren die Versetzungen, Dadurch wird das Hohlraumwachstum und die Verschmelzung erschwert, Dadurch bilden sich feinere Grübchen.

Figur 4(C) zeigt die Zugbruchmorphologie des bei 980 °C normalisierten Stahls. Es ist zu erkennen, dass die Grübchen auf der Bruchfläche grob und ungleichmäßig verteilt sind, und es gibt eine kleine Anzahl von Spaltungsebenen. Dies weist darauf hin, dass der bei 980 °C normalisierte Stahl eine schlechte Duktilität aufweist, und der Bruchmodus ist ein gemischter Bruch aus Duktilität und Sprödigkeit. Durch die grobe Mikrostruktur des Stahls können die Hohlräume während des Zugvorgangs leicht wachsen und zusammenwachsen, und die Spannungskonzentration kann leicht an den Korngrenzen auftreten, Dies führt zur Bildung von Spaltungsebenen.

Figur 4(D) zeigt die Charpy-Schlagbruchmorphologie des Stahls im Lieferzustand bei -20 °C. Die Bruchfläche besteht aus einer Vielzahl feiner Grübchen und Risskanten, ohne offensichtliche Spaltungsebenen. Dies ist eine typische duktile Bruchmorphologie, Dies zeigt, dass der Stahl im Lieferzustand eine ausgezeichnete Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen aufweist. während des Aufprallvorgangs, Die ineinandergreifende nadelförmige Ferritstruktur kann viel Energie absorbieren, und die Hohlräume bilden Keime und wachsen in der Ferritmatrix, was zu einem duktilen Bruch führt.

Figur 4(e) zeigt die Charpy-Schlagbruchmorphologie des bei 600℃ angelassenen Stahls nach dem Normalisieren bei 920℃. Die Bruchfläche besteht aus feineren Grübchen als der Stahl im Lieferzustand, und die Verteilung ist gleichmäßiger. Dies weist darauf hin, dass der bei 600 °C gehärtete Stahl eine bessere Tieftemperaturzähigkeit aufweist. Die beim Anlassen gebildeten feinen Zementitausscheidungen können die Zähigkeit des Stahls verbessern, indem sie Versetzungen festhalten und die Rissausbreitung behindern. Gleichzeitig, die Wiederherstellung der Ferritmatrix verringert die Versetzungsdichte, Dadurch lässt sich der Stahl während des Aufprallvorgangs leichter plastisch verformen, Dadurch bilden sich feinere Grübchen.

Figur 4(F) zeigt die Charpy-Schlagbruchmorphologie des bei 700℃ angelassenen Stahls nach dem Normalisieren bei 920℃. Die Bruchfläche weist deutliche Spaltungsflächen und eine kleine Anzahl grober Grübchen auf. Dies weist darauf hin, dass der bei 700 °C angelassene Stahl eine schlechte Tieftemperaturzähigkeit aufweist, und der Bruchmodus ist ein gemischter Bruch aus Duktilität und Sprödigkeit. Die nadelförmige Ferritzersetzung und das polygonale Ferritwachstum während des Anlassprozesses führen zu einer Vergröberung der Mikrostruktur, und der grobe Zementit scheidet Aggregate an den Korngrenzen aus, was zu Stresskonzentration führt. während des Aufprallvorgangs, Risse entstehen leicht und breiten sich entlang der Korngrenzen und Spaltungsebenen aus, was zu Sprödbruch führt.

Die Analyse der Bruchmorphologie bestätigt außerdem die Korrelation zwischen der Mikrostruktur und den mechanischen Eigenschaften des nahtlosen Pipelinestahls API 5L X70Q/L485Q. Eine feine und gleichmäßige Mikrostruktur (hoher Anteil an nadelförmigem Ferrit, feine Körner, feine Niederschläge) führt zu einem duktilen Bruchmodus mit feinen und gleichmäßigen Grübchen, entsprechend hervorragender umfassender mechanischer Eigenschaften. Andererseits, eine grobe Mikrostruktur (geringer Anteil an nadelförmigem Ferrit, grobe Körner, grobe Niederschläge) führt zu einem gemischten Bruchmodus aus Duktilität und Sprödigkeit mit groben Grübchen und Spaltflächen, entsprechend schlechten mechanischen Eigenschaften.

In diesem Papier, Mit OM wurde eine umfassende Studie zur Mikrostruktur und den mechanischen Eigenschaften des nahtlosen Pipelinestahls API 5L X70Q/L485Q durchgeführt, WHO, TEM, Zugtest, Charpy-Schlagtest, Härte-Test, und Analyse der Bruchmorphologie. Die wichtigsten Schlussfolgerungen lauten wie folgt:

(1) Die Mikrostruktur des nahtlosen Pipelinestahls API 5L X70Q/L485Q im Lieferzustand besteht hauptsächlich aus nadelförmigem Ferrit (VON, 65%-70%), Polygonaler Ferrit (PF, 20%-25%), und eine kleine Menge Bainit (B, 5%-10%) und Martensit-Austenit (M-A) Inseln. Die durchschnittliche Korngröße beträgt ca 8 µm. Eine große Anzahl feiner Niederschläge (NB(C,n) und VC, 5-20 nm) sind gleichmäßig in der Ferritmatrix verteilt. Der Stahl im Lieferzustand verfügt über hervorragende umfassende mechanische Eigenschaften: Streckgrenze 505 MPA, Zugfestigkeit 635 MPA, DEHNUNG 30%, Aufprallabsorptionsenergie bei -20℃ 135 j, und Rockwell-Härte 20 HRC, die die Anforderungen von API 5L und GB/T vollständig erfüllen 9711 standards.

(2) Die Normalisierungstemperatur hat einen erheblichen Einfluss auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften des Stahls. Mit der Erhöhung der Normalisierungstemperatur von 880℃ auf 980℃, der Anteil an nadelförmigem Ferrit nimmt zunächst zu und dann ab, und die Korngröße nimmt zunächst ab und dann zu. Die optimale Normalisierungstemperatur beträgt 920-950℃. In diesem Temperaturbereich, Der Stahl erhält eine feine und gleichmäßige Mikrostruktur mit einem hohen Anteil an nadelförmigem Ferrit (70%-75%) und eine durchschnittliche Korngröße von 7-8 µm. Die entsprechenden mechanischen Eigenschaften sind die besten: Streckgrenze 510-520 MPA, Zugfestigkeit 640-650 MPA, DEHNUNG 31%-32%, Aufprallabsorptionsenergie bei -20℃ 140-150 j, und Rockwell-Härte 21-22 HRC.

(3) Die Anlasstemperatur hat auch einen erheblichen Einfluss auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften des auf 920 °C normalisierten Stahls. Mit der Erhöhung der Anlasstemperatur von 550℃ auf 700℃, Der nadelförmige Ferrit zersetzt sich allmählich, der polygonale Ferrit wächst, und die Zementitausfällungen verfeinern sich zunächst und vergröbern sich dann. Die optimale Anlasstemperatur liegt bei 600-650℃. In diesem Temperaturbereich, Der Stahl weist einen hohen Anteil an nadelförmigem Ferrit auf (68%-72%) und feine Zementitausfällungen. Die entsprechenden mechanischen Eigenschaften sind hervorragend: Streckgrenze 500-510 MPA, Zugfestigkeit 625-635 MPA, DEHNUNG 32%-33%, Aufprallabsorptionsenergie bei -20℃ 155-160 j, und Rockwell-Härte 19-20 HRC.

(4) Die umfassenden mechanischen Eigenschaften des nahtlosen Rohrleitungsstahls API 5L X70Q/L485Q werden hauptsächlich durch den Typ bestimmt, Anteil, und Korngröße mikrostruktureller Komponenten. Nadelförmiges Ferrit ist der Schlüsselfaktor zur Verbesserung der Festigkeit und Zähigkeit des Stahls; Polygonalferrit verbessert die Duktilität des Stahls; feine Niederschläge (NB(C,n) und VC) Erhöhen Sie die Festigkeit des Stahls durch Ausscheidungsverfestigung; Feinkörner verbessern sowohl die Festigkeit als auch die Zähigkeit des Stahls. Eine feine und gleichmäßige Mikrostruktur mit einem hohen Anteil an nadelförmigem Ferrit, feine Körner, und feine Ausscheidungen führen zu hervorragenden umfassenden mechanischen Eigenschaften.

(5) Der Bruchmodus des nahtlosen Rohrleitungsstahls API 5L X70Q/L485Q mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften ist duktiler Bruch, und die Bruchfläche besteht aus feinen und gleichmäßigen Grübchen. Für Stähle mit schlechten mechanischen Eigenschaften aufgrund grober Mikrostruktur, Der Bruchmodus ist ein Mischbruch aus Duktilität und Sprödigkeit, und die Bruchfläche weist grobe Grübchen und Spaltungsflächen auf.

Obwohl in diesem Artikel ausführliche Forschungsergebnisse zur Mikrostruktur und den mechanischen Eigenschaften des nahtlosen Pipelinestahls API 5L X70Q/L485Q erzielt wurden, Es gibt noch einige Aspekte, die in Zukunft weiter untersucht werden müssen:

(1) Ausbau der Forschung zum Service-Umfeld. In diesem Artikel werden hauptsächlich die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften des Stahls bei Raumtemperatur und niedriger Temperatur untersucht (-20℃) Bedingungen. allerdings, Nahtloser Rohrleitungsstahl API 5L X70Q/L485Q wird häufig in rauen Betriebsumgebungen wie Hochdruck eingesetzt, Korrosion (Co₂, H₂s), und wechselnde Temperatur. Zukünftige Forschungen können sich auf die Entwicklung der Mikrostruktur und der mechanischen Eigenschaften des Stahls unter diesen rauen Betriebsumgebungen konzentrieren, und untersuchen Sie die Korrosionsbeständigkeit und Ermüdungseigenschaften des Stahls, um eine umfassendere theoretische Grundlage für den sicheren Betrieb der Pipeline zu schaffen.

(2) Forschung zu fortschrittlichen Wärmebehandlungstechnologien. In diesem Artikel werden hauptsächlich die Auswirkungen von Normalisierungs- und Anlassprozessen auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften des Stahls untersucht. Mit der Entwicklung der Wärmebehandlungstechnologie, fortschrittliche Wärmebehandlungstechnologien wie Abschrecken und Anlassen (Q&T), Kontrolliertes Rollen und kontrolliertes Abkühlen (TMCP), und isothermes Abschrecken werden in großem Umfang bei der Produktion von Pipelinestahl eingesetzt. Zukünftige Forschungen können die Auswirkungen dieser fortschrittlichen Wärmebehandlungstechnologien auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften des nahtlosen Pipelinestahls API 5L X70Q/L485Q untersuchen, und optimalere Wärmebehandlungsverfahren erforschen, um die Leistung des Stahls weiter zu verbessern.

(3) Forschung zum Mechanismus der Mikrolegierungselemente. In diesem Artikel wird die Rolle von Mikrolegierungselementen wie Nb nur kurz analysiert, V, und Ti. Zukünftige Forschungen können Ab-initio-Berechnungen und Phasenfeldsimulationen nutzen, um den Wechselwirkungsmechanismus zwischen Mikrolegierungselementen und der Matrix eingehend zu untersuchen, der Keimbildungs- und Wachstumsmechanismus von Niederschlägen, und die Wirkung von Mikrolegierungselementen auf den Phasenumwandlungsprozess, um eine theoretische Grundlage für die Gestaltung und Optimierung der chemischen Zusammensetzung des Stahls zu schaffen.

(4) Anwendung intelligenter Fertigungstechnologie. Zukünftige Forschungen können künstliche Intelligenz und Big-Data-Technologie in den Produktionsprozess von nahtlosem Pipelinestahl API 5L X70Q/L485Q einbringen. Durch die Erstellung eines Vorhersagemodells der Mikrostruktur und der mechanischen Eigenschaften basierend auf den Parametern des Produktionsprozesses, Echtzeitüberwachung und Optimierung des Produktionsprozesses können realisiert werden, was die Produktionseffizienz und das Produkt verbessern wird Qualität Stabilität des Stahls.

(5) Forschung zur Schweißbarkeit. Obwohl nahtloser Rohrleitungsstahl die Mängel von Schweißverbindungen vermeidet, es muss beim Pipelinebau noch geschweißt werden. Zukünftige Forschungen können die Schweißbarkeit von nahtlosem Pipelinestahl API 5L X70Q/L485Q untersuchen, Analysieren Sie die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften der Schweiß- und Wärmeeinflusszone (HAZ), und schlagen optimale Schweißprozesse vor, um die Schweißqualität und die Gesamtleistung der Rohrleitung sicherzustellen.