Абстрактные: Бесшовная трубопроводная сталь API 5L X70Q/L485Q широко используется при строительстве магистральных нефте- и газопроводов благодаря своей превосходной низкотемпературной вязкости., высокая прочность, и коррозионная стойкость. В этой статье, проведен комплексный анализ микроструктуры и механических свойств бесшовной трубопроводной стали API 5L X70Q/L485Q методом оптической микроскопии. (О), Сканирующая электронная микроскопия (ВОЗ), Просвечивающая электронная микроскопия (ТЭМ), Испытание на одноосное растяжение, Испытание на удар по Шарпи, и испытание на твердость. Результаты показывают, что микроструктура бесшовной трубопроводной стали API 5L X70Q/L485Q в основном состоит из игольчатого феррита. (ИЗ), полигональный феррит (ПФ), и небольшое количество бейнита (b) и мартенсит-аустенит (М-А) острова. Игольчатый феррит, с его тонкой и взаимосвязанной структурой, является ключевым фактором, способствующим превосходным комплексным механическим свойствам стали.. Результаты испытаний на растяжение показывают, что сталь имеет предел текучести 490-520 MPA, предел прочности 620-650 MPA, и удлинение 28%-32%, который полностью соответствует требованиям API 5L и GB/T 9711 стандарты. Результаты испытаний на удар по Шарпи показывают, что энергия поглощения удара стали при -20 ℃ превышает 120 J, что указывает на превосходную низкотемпературную вязкость. Результаты испытаний на твердость показывают, что твердость по Роквеллу (СПЧ) стали находится между 18 и 22, с равномерным распределением твердости. В дополнение, влияние различных процессов термообработки (Нормализация, Закалка) также были исследованы микроструктура и механические свойства стали.. Было обнаружено, что подходящая нормализующая температура (920-950℃) и температура отпуска (600-650℃) может дополнительно улучшить микроструктуру, улучшить долю игольчатого феррита, и тем самым улучшить механические свойства стали.. Результаты исследования обеспечивают теоретическую основу и техническое обеспечение производства., ПРИМЕНЕНИЕ, и оптимизация характеристик бесшовной трубопроводной стали API 5L X70Q/L485Q.

Ключевые слова: API 5L X70Q; L485Q; бесшовный трубопровод из стали; микроструктура; Механические свойства; игольчатый феррит; термическая обработка

В условиях быстрого развития мировой энергетической отрасли, растет спрос на магистральные нефте- и газопроводы. Трубопроводный транспорт, как сейф, эффективный, и экономичный способ транспортировки энергии, стала важной частью цепочки поставок энергии. При строительстве магистральных трубопроводов, Трубопроводная сталь является основным материалом, и его производительность напрямую влияет на безопасность, надежность, и срок службы трубопроводной системы. Особенно в суровых условиях эксплуатации, таких как холодные регионы., месторождения нефти и газа под высоким давлением, и морские районы, Трубопроводная сталь должна иметь отличные комплексные свойства., в том числе высокая прочность, хорошая низкотемпературная вязкость, Устойчивость к коррозии, и свариваемость.

Бесшовная трубопроводная сталь API 5L X70Q/L485Q представляет собой разновидность высокопрочной низколегированной стали. (HSLA) Сталь, который разработан с учетом требований современного строительства магистральных трубопроводов.. в “Вопрос” в марке указывает на то, что сталь имеет превосходную низкотемпературную вязкость., что делает его пригодным для использования в холодных регионах, где температура может достигать -20 ℃ или даже ниже.. По сравнению с обычной трубопроводной сталью X70/L485., Сталь X70Q/L485Q имеет более высокую вязкость и лучшую устойчивость к хрупкому разрушению., который может эффективно предотвратить аварии на трубопроводах, вызванные низкотемпературным хрупким растрескиванием. В дополнение, бесшовная конструкция трубопроводной стали X70Q/L485Q позволяет избежать дефектов сварных соединений, дальнейшее повышение надежности и безопасности трубопровода.

Микроструктура трубопроводной стали является основополагающим фактором, определяющим ее механические свойства.. Для трубопроводной стали HSLA, тип, морфология, Размер, и распределение микроструктурных компонентов (например, феррит, бейнит, мартенсит, и второй этап) существенно повлиять на его силу, Прочность, и пластичность. Следовательно, углубленный анализ микроструктуры бесшовной трубопроводной стали API 5L X70Q/L485Q и ее связи с механическими свойствами имеет большое значение для оптимизации процесса производства стали., улучшение его производительности, и обеспечение безопасной эксплуатации трубопровода.

В настоящий момент, многие ученые провели исследования трубопроводной стали серии X70/L485.. Например, некоторые исследования были сосредоточены на влиянии легирующих элементов на микроструктуру и механические свойства стали Х70., и обнаружил, что такие элементы, как Nb, V, и Ti могут измельчить зерна и улучшить прочность и ударную вязкость стали за счет измельчения зерна и дисперсионного упрочнения.. В других исследованиях изучалось влияние процессов термообработки на характеристики стали Х70., и предложили оптимальные параметры термообработки для получения превосходных комплексных свойств.. однако, систематических исследований микроструктуры и механических свойств бесшовной трубопроводной стали API 5L X70Q/L485Q относительно немного., особенно подробный анализ игольчатой ​​ферритной структуры и ее влияния на низкотемпературную вязкость.. В дополнение, исследования корреляции между микроструктурой и механическими свойствами стали X70Q/L485Q при различных режимах термической обработки недостаточны..

Следовательно, В данной статье проведено комплексное исследование микроструктуры и механических свойств бесшовной трубопроводной стали API 5L X70Q/L485Q.. Микроструктуру стали наблюдают и анализируют с помощью OM., ВОЗ, и ТЕМ. Механические свойства проверяются на растяжение., Воздействие Шарпи, и испытания на твердость. Обсуждается связь между микроструктурой и механическими свойствами.. В дополнение, исследуется влияние процессов нормализации и отпуска на микроструктуру и механические свойства стали, чтобы обеспечить теоретическую основу для производства и применения бесшовной трубопроводной стали X70Q/L485Q..

Зарубежные ученые проводят глубокие исследования высокопрочной трубопроводной стали, такой как Х70, с 1980-х годов.. Ранние исследования были сосредоточены на разработке микролегированной трубопроводной стали., и обнаружили, что добавление микролегирующих элементов, таких как Nb, V, и Ti могут значительно улучшить прочность и ударную вязкость стали.. Например, Nb может задерживать рекристаллизацию аустенита во время горячей прокатки., очищать зерна, и образуем Nb(C,Н) выпадает в осадок для укрепления матрицы. V может образовывать осадки VC, которые обладают сильным эффектом усиления осадков. Ti может образовывать осадки TiN, что может предотвратить рост аустенитных зерен при нагреве.

В последние годы, зарубежные ученые уделяют больше внимания контролю микроструктуры и оптимизации характеристик трубопроводной стали.. В некоторых исследованиях применялись контролируемая прокатка и контролируемое охлаждение. (ТМКП) технология получения мелкозернистой микроструктуры, состоящей из игольчатого феррита и полигонального феррита, что значительно повышает низкотемпературную вязкость стали.. Например, Смит и др.. использовали технологию TMCP для производства трубопроводной стали X70 с игольчатым ферритом в качестве основной микроструктуры, и энергия поглощения удара при -20 ℃ достигла более чем 150 J. В дополнение, зарубежные ученые также изучили коррозионную стойкость трубопроводной стали Х70 в суровых условиях, таких как CO₂ и H₂S., и предложил различные меры защиты от коррозии..

Отечественные исследования трубопроводной стали X70/L485 начались относительно поздно., но быстро развивается. Отечественные сталелитейные предприятия и научно-исследовательские институты успешно разработали трубопроводную сталь X70/L485, соответствующую международным стандартам, благодаря независимым исследованиям, разработкам и техническому внедрению.. некоторые исследования были сосредоточены на влиянии легирующих элементов на микроструктуру и механические свойства стали Х70.. Например, Ли и др.. изучили влияние содержания Nb на микроструктуру и механические свойства трубопроводной стали Х70., и обнаружили, что когда содержание Nb 0.03%-0.06%, сталь имеет лучшие комплексные свойства. В других исследованиях изучалось влияние процессов термообработки на характеристики стали Х70.. Например, Ван и др.. изучили влияние температуры нормализации на микроструктуру и механические свойства стали Х70., и обнаружили, что оптимальная температура нормализации составляет 920-950 ℃..

однако, в текущих исследованиях все еще есть некоторые недостатки. С одной стороны, большинство объектов исследования представляют собой сварные трубопроводные стали., а исследований по бесшовной трубопроводной стали относительно мало.. С другой стороны, исследования микроструктуры и механических свойств стали X70Q/L485Q с превосходной низкотемпературной вязкостью носят недостаточно систематический характер., особенно подробный анализ игольчатой ​​ферритной структуры и ее влияния на низкотемпературную вязкость.. Следовательно, необходимо провести углубленное исследование микроструктуры и механических свойств бесшовной трубопроводной стали API 5L X70Q/L485Q..

Основные цели данной статьи заключаются в следующем.: (1) Наблюдение и анализ микроструктуры бесшовной трубопроводной стали API 5L X70Q/L485Q с использованием OM., ВОЗ, и ТЕМ, и определить тип, морфология, Размер, и распределение микроструктурных компонентов. (2) Для проверки механических свойств стали на растяжение., Воздействие Шарпи, и испытания на твердость, и оценить его производительность в соответствии с API 5L и GB/T 9711 стандарты. (3) Обсудить взаимосвязь между микроструктурой и механическими свойствами стали., и уточнить роль каждого микроструктурного компонента в определении механических свойств.. (4) Исследовать влияние процессов нормализации и отпуска на микроструктуру и механические свойства стали., и предложим оптимальные параметры термообработки.

В сферу исследования данной статьи входит: (1) Бесшовная трубопроводная сталь API 5L X70Q/L485Q в состоянии поставки.. (2) Сталь после различных процессов термообработки (нормализация при 880-980℃, отпуск при 550-700℃). (3) Анализ микроструктуры стали с использованием ОМ, ВОЗ, и ТЕМ. (4) Испытание механических свойств стали методом одноосного растяжения., Испытание на удар по Шарпи, и испытание на твердость.

Данная статья разделена на шесть глав. Глава 1 это введение, в котором подробно излагаются предпосылки и значимость исследования., обобщает статус исследований в стране и за рубежом, уточняет цели и объем исследования, и знакомит со структурой диссертации. Глава 2 представляет характеристики материала бесшовной трубопроводной стали API 5L X70Q/L485Q., включая его химический состав и процесс производства. Глава 3 описывает экспериментальные методы, включая подготовку проб, методы наблюдения микроструктуры, и методы испытаний механических свойств. Глава 4 анализирует микроструктуру полученной и термообработанной стали. Глава 5 тестирует и анализирует механические свойства стали, и обсуждает взаимосвязь между микроструктурой и механическими свойствами.. Глава 6 это заключение и перспектива, в котором обобщены основные результаты исследования, указывает на недостатки исследования, и с нетерпением ожидает дальнейшего направления исследований.

Бесшовная трубопроводная сталь API 5L X70Q/L485Q представляет собой высокопрочную низколегированную сталь., и его химический состав строго регулируется API 5L и GB/T. 9711 стандарты. Химический состав бесшовной трубопроводной стали API 5L X70Q/L485Q в состоянии поставки, использованной в этом исследовании, был определен с помощью спектрометра прямого считывания., и результаты показаны в таблице 1 (Массовая доля, %).

Элемент

C

Si

MN

P

S

NB

V

Ti

CR

Mo

Ni

Cu

Железо

содержание

0.08

0.35

1.60

0.015

0.005

0.045

0.030

0.020

0.15

0.10

0.20

0.10

мяч.

Ограничение API 5L

≤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

мяч.

Это видно из таблицы 1 что химический состав бесшовной трубопроводной стали API 5L X70Q/L485Q, использованной в данном исследовании, полностью соответствует требованиям стандарта API 5L.. Основные легирующие элементы и их функции следующие::

(1) УГЛЕРОД (C): Углерод — важный элемент, повышающий прочность стали.. Правильное содержание углерода может повысить прочность стали за счет упрочнения твердого раствора.. однако, чрезмерное содержание углерода снижает ударную вязкость и свариваемость стали.. Следовательно, содержание углерода в стали X70Q/L485Q строго контролируется ниже 0.10%.

(2) кремний (Si): Кремний является раскислителем, а также может улучшить прочность стали за счет упрочнения твердого раствора.. Содержание кремния в стали X70Q/L485Q контролируется в пределах 0.10% и 0.40%.

(3) марганец (MN): Марганец является важным аустенитизирующим элементом и может значительно улучшить прочность и ударную вязкость стали.. Марганец также может измельчать зерна и улучшать прокаливаемость стали.. Содержание марганца в стали X70Q/L485Q контролируется в пределах 1.20% и 1.80%.

(4) фосфор (P) и сера (S): Фосфор и сера являются вредными элементами-примесями.. Фосфор снижает вязкость стали., особенно низкотемпературная вязкость, и вызывают хладноломкость. Сера образует включения MnS., что снижает пластичность и ударную вязкость стали и вызывает горячеломкость. Следовательно, содержание фосфора и серы строго контролируется ниже 0.025% и 0.010% соответственно.

(5) ниобий (NB), Ванадий (V), титан (Ti): Это микролегирующие элементы., которые играют важную роль в измельчении зерна и повышении прочности и ударной вязкости стали.. Nb может задерживать рекристаллизацию аустенита во время горячей прокатки., очищать зерна, и образуем Nb(C,Н) выпадает в осадок для укрепления матрицы. V может образовывать осадки VC, которые обладают сильным эффектом усиления осадков. Ti может образовывать осадки TiN, что может предотвратить рост аустенитных зерен при нагреве.

(6) хром (CR), Молибден (Mo), никель (Ni), Медь (Cu): Эти элементы могут улучшить прокаливаемость и коррозионную стойкость стали.. Правильное добавление этих элементов может еще больше улучшить комплексные свойства стали X70Q/L485Q..

Процесс производства бесшовной трубопроводной стали API 5L X70Q/L485Q в основном включает плавку., Кастинг, пронзительный, прокатка, термическая обработка, и отделка. Конкретный производственный процесс выглядит следующим образом.:

(1) Плавка: Сталь выплавляется в кислородно-конвертерной печи. (конвертер) или электродуговая печь (Eaf), а затем рафинируется в печи-ковше (НЧ) и вакуумная дегазация (ВД) для снижения содержания примесей и газа, и корректировать химический состав в соответствии с требованиями.

(2) Кастинг: Выплавленную расплавленную сталь разливают в заготовки методом непрерывной разливки.. Заготовки непрерывной разливки имеют однородный химический состав и плотную структуру., что закладывает хорошую основу для последующей обработки.

(3) пронзительный: Заготовки непрерывной разливки нагреваются до 1200-1250℃ в нагревательной печи., а затем прокалывается прошивным станком на полые заготовки. Процесс прошивки является важным этапом в производстве бесшовных стальных труб., определяющий толщину стенки и внутренний диаметр полых заготовок.

(4) прокатка: Полые заготовки прокатываются в стальные бесшовные трубы необходимого размера на стане непрерывной прокатки или оправочном стане.. В процессе прокатки, температура и скорость прокатки строго контролируются, чтобы обеспечить точность размеров и поверхность качество из стальных труб.

(5) термическая обработка: Прокатные бесшовные стальные трубы подвергаются термической обработке. (такие как нормализация, Закалка) для корректировки микроструктуры и улучшения механических свойств. Процесс термообработки оказывает существенное влияние на микроструктуру и механические свойства стали X70Q/L485Q..

(6) Отделка: Термически обработанные стальные трубы подвергаются процессам отделки, таким как выпрямление., Резка, и обработка поверхности для удовлетворения требований к конечному продукту.

Процесс производства бесшовной трубопроводной стали API 5L X70Q/L485Q сложен и требует строгого контроля каждого параметра процесса для обеспечения качество конечного продукта. Среди них, процесс термообработки является ключевым звеном в корректировке микроструктуры и механических свойств стали..

Экспериментальным материалом, использованным в этом исследовании, была бесшовная трубопроводная сталь API 5L X70Q/L485Q с наружным диаметром 114 мм и толщиной стенки 10 мм. Образцы были вырезаны из стальной трубы в состоянии поставки и стальной трубы после различных процессов термообработки..

Для образцов для наблюдения за микроструктурой: Образцы были разрезаны на 10 мм × 10 мм × 5 мм штук. Образцы измельчали 400#, 800#, 1200#, и 2000# наждачная бумага по очереди, затем полируется алмазной полировальной пастой (размер частиц 1.5 мкм), и, наконец, выгравирован с 4% спиртовой раствор азотной кислоты для 5-10 секунды. Протравленные образцы очищали спиртом и сушили для изучения микроструктуры..

Для испытаний механических свойств образцов: (1) Образцы для испытаний на растяжение: Образцы на растяжение были обработаны в соответствии с GB/T. 228.1-2010 Стандарт, с расчетной длиной 50 мм, измерительный диаметр 10 мм, и общая длина 150 мм. (2) Образцы для испытаний на удар по Шарпи: Ударные образцы были обработаны в соответствии с GB/T. 229-2020 Стандарт, с размером 10 мм × 10 мм × 55 мм, и V-образный вырез (глубина выреза 2 мм, угол надреза 45°, корневой радиус 0.25 мм). (3) Образцы для испытаний на твердость: Образцы были разрезаны на 10 мм × 10 мм × 10 мм штук, поверхность была отшлифована и отполирована, чтобы обеспечить гладкую поверхность..

Для образцов термообработки: Полученные образцы подвергались нормализующей и отпускной термообработке.. Температура нормализации была установлена ​​на 880 ℃., 920℃, 950℃, и 980 ℃, и время выдержки было 30 протокол, затем с воздушным охлаждением. Температура отпуска была установлена ​​на 550 ℃., 600℃, 650℃, и 700 ℃, и время выдержки было 60 протокол, затем с воздушным охлаждением.

Микроструктуру образцов наблюдали с помощью трех типов микроскопов.:

(1) Оптическая микроскопия (О): Для наблюдения макроскопической микроструктуры образцов использовался оптический микроскоп Olympus GX71., а размер зерна измеряли методом линейной точки согласно GB/T. 6394-2017 Стандарт.

(2) Сканирующая электронная микроскопия (ВОЗ): Цейсс Сигма 300 сканирующий электронный микроскоп использовался для наблюдения детальной микроструктуры образцов., например, морфология феррита, бейнит, и острова Массачусетс, и распределение включений. Ускоряющее напряжение было 20 кВ.

(3) Просвечивающая электронная микроскопия (ТЭМ): Для наблюдения тонкой микроструктуры образцов использовался просвечивающий электронный микроскоп JEOL JEM-2100., например, кристаллическая структура феррита, морфология и размер осадков, и дислокационная структура. Ускоряющее напряжение было 200 кВ. Образцы ПЭМ были приготовлены путем резки 3 мм × 3 срезы мм из образцов наблюдения микроструктуры, шлифовав их до толщины 100 мкм, затем ударяю в 3 диски диаметром мм, и, наконец, истончение до прозрачности с помощью двухструйной электролитической полировальной машины.. Раствор для электролитической полировки представлял собой смешанный раствор 5% хлорная кислота и 95% этанол, температура полировки была -20 ℃, и напряжение полировки было 20 V.

Механические свойства образцов проверяли следующими методами.:

(1) Испытание на одноосное растяжение: Для проведения испытаний на растяжение при комнатной температуре использовалась универсальная испытательная машина Zwick/Roell Z100. (25℃) со скоростью загрузки 2 мм/мин. Для каждого условия было протестировано по три образца., и было взято среднее значение. предел текучести (σₛ), Прочность на растяжение (σᵦ), и удлинение (д) были измерены в соответствии с GB/T 228.1-2010 Стандарт.

(2) Испытание на удар по Шарпи: Для проведения ударных испытаний по Шарпи при температуре -20℃ использовалась машина для испытаний на удар HIT50P компании Zwick/Roell.. Для каждого условия было протестировано по три образца., и было взято среднее значение. Энергия поглощения удара (Аₖᵥ) измерялось по GB/T 229-2020 Стандарт.

(3) Испытание На Твердость : Для проведения испытаний на твердость использовали твердомер Роквелла с нагрузкой 150 кгс и время выдержки 15 секунды. Для каждого образца было взято пять точек измерения., и было взято среднее значение. Твердость по Роквеллу (СПЧ) измерялось по GB/T 230.1-2018 Стандарт.

Фигура 1 показывает ОМ, ВОЗ, и изображения TEM бесшовной трубопроводной стали API 5L X70Q/L485Q в состоянии поставки.. Это видно из рисунка 1(A) (ОБ изображении) что микроструктура полученной стали состоит из игольчатого феррита. (ИЗ), полигональный феррит (ПФ), и небольшое количество бейнита (b). Зерна мелкие и однородные., а средний размер зерна составляет около 8 мкм. Игольчатый феррит является основным микроструктурным компонентом., учет примерно 65%-70%. На долю полигонального феррита приходится около 20%-25%, а на долю бейнита приходится около 5%-10%.

Фигура 1(b) (СЭМ-изображение) показывает подробную морфологию микроструктуры. Игольчатый феррит имеет тонкую игольчатую форму., и иглы сцеплены друг с другом, образуя плотную сетевую структуру. Полигональный феррит имеет правильную многоугольную форму., и границы зерен четкие. Бейнит имеет решетчатую форму., и планки параллельны друг другу. В дополнение, небольшое количество мартенсита-аустенита (М-А) островки наблюдаются на границах зерен и между игольчатыми ферритовыми иглами. Острова Массачусетса небольшие по размеру., диаметром около 0.5-1 мкм.

Фигура 1(C) (ПЭМ-изображение) показывает тонкую микроструктуру полученной стали.. Игольчатый феррит имеет объемноцентрированную кубическую форму. (BCC) кристаллическая структура, и в ферритовой матрице имеется большое количество дислокаций. Дислокации распределены равномерно., что полезно для повышения прочности стали. В дополнение, в ферритовой матрице наблюдается большое количество мелких выделений. Осадки имеют сферическую или эллиптическую форму., размером около 5-20 нм. ЭДС-анализ показывает, что выделения состоят в основном из Nb.(C,Н) и ВК, которые являются продуктами микролегирующих элементов. Эти выделения могут закреплять дислокации и границы зерен., очищать зерна, и улучшить прочность и ударную вязкость стали.

Формирование микроструктуры бесшовной трубопроводной стали API 5L X70Q/L485Q в состоянии поставки тесно связано с процессом ее производства.. В процессе прокатки и охлаждения, аустенит превращается в игольчатый феррит, полигональный феррит, и бейнит. Микролегирующие элементы, такие как Nb, V, и Ti играют важную роль в процессе трансформации. Nb задерживает рекристаллизацию аустенита., делает зерна аустенита более мелкими. В процессе охлаждения, мелкие зерна аустенита легко превращаются в игольчатый феррит. V и Ti образуют мелкие осадки., которые дополнительно измельчают зерна и повышают прочность стали..

Фигура 2 показаны изображения OM бесшовной трубопроводной стали API 5L X70Q/L485Q после нормализации при различных температурах. (880℃, 920℃, 950℃, 980℃) и с воздушным охлаждением. Это видно из рисунка 2 что температура нормализации оказывает существенное влияние на микроструктуру стали..

Когда температура нормализации составляет 880 ℃. (Фигура 2(A)), микроструктура стали состоит из игольчатого феррита., полигональный феррит, и небольшое количество бейнита. Средний размер зерна составляет около 9 мкм. По сравнению со сталью в состоянии поставки, доля игольчатого феррита несколько уменьшается (Около 60%), и доля полигонального феррита незначительно увеличивается (Около 25%). Это связано с тем, что температура нормализации относительно низкая., зерна аустенита не выросли полностью, и превращения аустенита в игольчатый феррит недостаточно..

Когда температура нормализации составляет 920 ℃. (Фигура 2(b)), микроструктура стали в основном состоит из игольчатого феррита. (Около 75%), с небольшим количеством полигонального феррита (Около 20%) и бейнит (Около 5%). Средний размер зерна составляет около 7 мкм. Игольчатый феррит тонкий и плотный., и степень блокировки высока. Это связано с тем, что температура нормализации является подходящей., зерна аустенита полностью выросли и стали однородными., и достаточно превращения аустенита в игольчатый феррит. Мелкая игольчатая ферритная структура способствует повышению прочности и ударной вязкости стали..

Когда температура нормализации составляет 950 ℃. (Фигура 2(C)), микроструктура стали по-прежнему в основном состоит из игольчатого феррита. (Около 70%), с небольшим количеством полигонального феррита (Около 22%) и бейнит (Около 8%). Средний размер зерна составляет около 8 мкм. По сравнению со сталью, нормализованной при 920 ℃., доля игольчатого феррита несколько уменьшается, и размер зерна немного увеличивается. Это связано с тем, что температура нормализации слишком высока., зерна аустенита начинают расти, что приводит к увеличению размера зерна после трансформации.

Когда температура нормализации составляет 980 ℃. (Фигура 2(D)), микроструктура стали состоит из игольчатого феррита. (Около 55%), полигональный феррит (Около 30%), и бейнит (Около 15%). Средний размер зерна составляет около 12 мкм. Размер зерна значительно увеличивается, и игольчатая ферритная структура становится грубой. Это связано с тем, что температура нормализации слишком высока., зерна аустенита чрезмерно разрастаются, что приводит к значительному увеличению размера зерна после трансформации. Грубая микроструктура снижает прочность и ударную вязкость стали..

Приведенные выше результаты показывают, что оптимальная температура нормализации для бесшовной трубопроводной стали API 5L X70Q/L485Q составляет 920-950 ℃.. В этом диапазоне температур, сталь может получить тонкую и однородную микроструктуру с высокой долей игольчатого феррита., что способствует улучшению механических свойств стали..

Фигура 3 показаны изображения OM бесшовной трубопроводной стали API 5L X70Q/L485Q после нормализации при 920 ℃ и отпуска при различных температурах. (550℃, 600℃, 650℃, 700℃) и с воздушным охлаждением. Это видно из рисунка 3 что температура отпуска также оказывает существенное влияние на микроструктуру стали..

Когда температура отпуска составляет 550 ℃. (Фигура 3(A)), микроструктура стали аналогична нормализованной стали., в основном состоит из игольчатого феррита, полигональный феррит, и небольшое количество бейнита. Средний размер зерна составляет около 7 мкм. Нет явных изменений в микроструктуре по сравнению с нормализованной сталью.. Это связано с тем, что температура отпуска относительно низкая., восстановление и рекристаллизация ферритовой матрицы недостаточны, и трансформация второй фазы не очевидна.

Когда температура отпуска составляет 600 ℃ (Фигура 3(b)), микроструктура стали по-прежнему в основном состоит из игольчатого феррита. (Около 72%), с небольшим количеством полигонального феррита (Около 23%) и бейнит (Около 5%). Средний размер зерна составляет около 7 мкм. Игольчатый феррит тонкий и однородный., и дислокации в ферритовой матрице уменьшаются. На границах зерен и между ферритовыми иглами наблюдается небольшое количество выделений цементита.. Выделения цементита имеют мелкую сферическую форму., что может улучшить ударную вязкость стали.

Когда температура отпуска составляет 650 ℃. (Фигура 3(C)), микроструктура стали состоит из игольчатого феррита. (Около 68%), полигональный феррит (Около 27%), и небольшое количество бейнита (Около 5%). Средний размер зерна составляет около 8 мкм. Игольчатый феррит начинает разлагаться., и полигональный феррит немного подрастает. В ферритной матрице наблюдается большое количество мелких выделений цементита.. Осадки цементита распределены равномерно., что может улучшить ударную вязкость стали. однако, размер зерна немного увеличивается, что может снизить прочность стали.

Когда температура отпуска составляет 700 ℃ (Фигура 3(D)), микроструктура стали состоит из полигонального феррита. (Около 50%), игольчатый феррит (Около 40%), и бейнит (Около 10%). Средний размер зерна составляет около 10 мкм. Игольчатый феррит значительно разлагается., и полигональный феррит явно растет. Цементитные осадки растут и агрегируют., образуя крупные частицы цементита. Крупная микроструктура и крупные частицы цементита значительно снижают прочность и ударную вязкость стали..

Приведенные выше результаты показывают, что оптимальная температура отпуска бесшовной трубопроводной стали API 5L X70Q/L485Q после нормализации при 920 ℃ составляет 600-650 ℃.. В этом диапазоне температур, сталь может получить тонкую и однородную микроструктуру с высокой долей игольчатого феррита и мелких выделений цементита., что полезно для улучшения комплексных механических свойств стали..

Таблица 2 показаны механические свойства бесшовной трубопроводной стали API 5L X70Q/L485Q в состоянии поставки.. Это видно из таблицы 2 что полученная сталь имеет превосходные комплексные механические свойства.. Предел текучести 505 MPA, предел прочности 635 MPA, удлинение 30%, энергия поглощения удара при -20 ℃ равна 135 J, а твердость по Роквеллу равна 20 СПЧ. Все эти показатели полностью соответствуют требованиям API 5L и GB/T. 9711 стандарты (API 5L требует, чтобы сталь X70 имела предел текучести ≥485 МПа., предел прочности 600-750 MPA, удлинение ≥20%, и энергия поглощения удара при -20℃ ≥40 Дж.).

Индекс механических свойств	Предел текучести σₛ (MPA)	Предел прочности на растяжение (MPA)	Удлинение δ (%)	Энергия поглощения удара Aₖᵥ (-20℃, J)	Твердость по Роквеллу HRC
Сталь в состоянии поставки	505	635	30	135	20
Стандартные требования API 5L	≥485	600-750	≥20	≥40	–

Превосходные механические свойства бесшовной трубопроводной стали API 5L X70Q/L485Q в состоянии поставки в основном обусловлены ее тонкой микроструктурой.. Игольчатый феррит, с его тонкой и взаимосвязанной структурой, может эффективно препятствовать движению дислокаций, повышение прочности стали. В то же время, взаимосвязанная игольчатая ферритовая структура также может поглощать много энергии в процессе разрушения., улучшение ударной вязкости стали. Мелкая мелочь выпадает в осадок (NB(C,Н) и ВК) дальнейшее повышение прочности стали за счет дисперсионного упрочнения. Полигональный феррит обладает хорошей пластичностью., что улучшает удлинение стали.

Таблица 3 показаны механические свойства бесшовной трубопроводной стали API 5L X70Q/L485Q после нормализации при различных температурах и воздушном охлаждении.. Это видно из таблицы 3 что температура нормализации оказывает существенное влияние на механические свойства стали..

Нормализация температуры (℃)	Предел текучести σₛ (MPA)	Предел прочности на растяжение (MPA)	Удлинение δ (%)	Энергия поглощения удара Aₖᵥ (-20℃, J)	Твердость по Роквеллу 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

Когда температура нормализации составляет 880 ℃., предел текучести, Прочность на растяжение, и энергия поглощения удара стали немного ниже, чем у стали в состоянии поставки.. Это связано с тем, что температура нормализации относительно низкая., доля игольчатого феррита низкая, и размер зерна немного больше. Когда температура нормализации составляет 920 ℃., сталь имеет самый высокий предел текучести (520 MPA), Прочность на растяжение (650 MPA), и энергия поглощения удара (150 J). Это связано с тем, что сталь имеет тонкую и однородную микроструктуру с высокой долей игольчатого феррита., который может эффективно улучшить прочность и ударную вязкость стали. Когда температура нормализации составляет 950 ℃., предел текучести, Прочность на растяжение, и энергия поглощения удара стали немного ниже, чем у стали, нормализованной при 920 ℃.. Это связано с тем, что размер зерна немного увеличивается., и доля игольчатого феррита несколько уменьшается. Когда температура нормализации составляет 980 ℃., предел текучести, Прочность на растяжение, и энергия поглощения удара стали значительно снижается.. Это связано с тем, что размер зерна значительно увеличивается., и игольчатая ферритная структура становится грубой, что снижает прочность и ударную вязкость стали..

Таблица 4 показаны механические свойства бесшовной трубопроводной стали API 5L X70Q/L485Q после нормализации при 920 ℃ и отпуска при различных температурах и с воздушным охлаждением.. Это видно из таблицы 4 что температура отпуска также оказывает существенное влияние на механические свойства стали..

Температура отпуска (℃)	Предел текучести σₛ (MPA)	Предел прочности на растяжение (MPA)	Удлинение δ (%)	Энергия поглощения удара Aₖᵥ (-20℃, J)	Твердость по Роквеллу 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

Когда температура отпуска составляет 550 ℃., механические свойства стали аналогичны свойствам нормализованной стали.. Это связано с тем, что температура отпуска относительно низкая., восстановление и рекристаллизация ферритовой матрицы недостаточны, и трансформация второй фазы не очевидна. Когда температура отпуска составляет 600 ℃, сталь имеет наибольшее удлинение (33%) и энергия поглощения удара (160 J). Это связано с тем, что температура отпуска соответствует, дислокации в ферритовой матрице уменьшаются, образуется большое количество мелких цементитных выделений.. Мелкие выделения цементита могут улучшить ударную вязкость стали., а восстановление ферритной матрицы может улучшить пластичность стали.. Когда температура отпуска составляет 650 ℃., предел текучести, Прочность на растяжение, относительное удлинение, и энергия поглощения удара стали немного ниже, чем у стали, закаленной при 600 ℃.. Это связано с тем, что размер зерна немного увеличивается., и выделения цементита начинают расти. Когда температура отпуска составляет 700 ℃, предел текучести, Прочность на растяжение, относительное удлинение, и энергия поглощения удара стали значительно снижается.. Это связано с тем, что игольчатый феррит значительно разлагается., полигональный феррит явно растет, а цементитные осадки растут и агрегируют, что снижает прочность и ударную вязкость стали..

Механические свойства бесшовной трубопроводной стали API 5L X70Q/L485Q по своей сути определяются ее микроструктурой.. На основании приведенного выше анализа микроструктуры и механических свойств, корреляцию между ними можно резюмировать следующим образом:

в первую очередь, игольчатый феррит (ИЗ) является основным микроструктурным компонентом, влияющим на комплексные механические свойства стали.. Тонкая и взаимосвязанная игольчатая ферритная структура может существенно препятствовать движению дислокаций во время процесса растяжения., тем самым улучшая предел текучести и предел прочности стали за счет дислокационного упрочнения.. Тем временем, В процессе воздействия, блокирующийся игольчатый феррит может эффективно предотвращать распространение трещин — при расширении трещины должны обходить игольчатые ферритовые иглы., который потребляет большое количество энергии, тем самым значительно улучшая низкотемпературную вязкость стали.. Чем выше доля игольчатого феррита, чем мельче размер зерна, и тем лучше комплексные механические свойства стали. Например, когда сталь нормализуется при 920 ℃, доля игольчатого феррита достигает около 75%, и соответствующий предел текучести, Прочность на растяжение, и энергия поглощения удара достигают максимальных значений, что полностью подтверждает доминирующую роль игольчатого феррита.

Во-вторых, полигональный феррит (ПФ) положительно влияет на пластичность стали. Полигональный феррит имеет правильную многоугольную форму и меньшее количество дислокаций внутри., поэтому он имеет хорошую пластичность. Соответствующая пропорция полигонального феррита может улучшить удлинение стали., улучшение способности стали к пластической деформации. однако, если доля полигонального феррита слишком высока, прочность стали уменьшится. Например, Когда температура нормализации составляет 980 ℃., доля полигонального феррита увеличивается примерно до 30%, а предел текучести и предел прочности стали значительно снижаются до 480 МПа и 610 МПа соответственно.

В-третьих, бейнит (b) и мартенсит-аустенит (М-А) Островки оказывают двойное влияние на механические свойства стали.. Небольшое количество бейнита может повысить прочность стали из-за ее плотной реечной структуры.. однако, чрезмерный бейнит снижает ударную вязкость стали, поскольку реечная структура легко вызывает концентрацию напряжений.. Островки М-А представляют собой твердые и хрупкие фазы.. Небольшое количество мелких островков M-A может повысить прочность стали за счет дисперсионного упрочнения., но если острова МА крупные или расположены концентрированно, они станут источником трещин в процессе удара, существенное снижение низкотемпературной вязкости стали. В стали в состоянии поставки и в стали после оптимальной термической обработки., содержание бейнита контролируется ниже 5%-10%, а острова Массачусетс мелкие и равномерно распределены, поэтому они не оказывают отрицательного воздействия на вязкость стали..

В-четвертых, мелкие осадки (NB(C,Н), ВК) играют важную роль в усилении осадков. Микролегирующие элементы Nb, V, и Ti в стали образуют мелкие выделения в процессе производства и термической обработки.. Эти выделения имеют сферическую или эллиптическую форму., размером около 5-20 нм, и может закреплять дислокации и границы зерен. С одной стороны, они препятствуют движению дислокаций, повышение прочности стали; С другой стороны, они препятствуют росту зерен, уточнение размера зерна, и таким образом улучшить ударную вязкость стали.. Результаты наблюдения ПЭМ показывают, что выделения в полученной стали и стали после оптимальной термообработки мелкие и равномерно распределены., что является важной причиной превосходных механических свойств стали..

Окончательно, Размер зерна оказывает существенное влияние на механические свойства стали.. По формуле Холла-Петча, прочность стали обратно пропорциональна квадратному корню из размера зерна — чем мельче размер зерна, тем выше прочность стали. В то же время, Мелкие зерна также могут улучшить ударную вязкость стали, поскольку границы зерен могут препятствовать распространению трещин.. Например, Когда температура нормализации составляет 920 ℃., средний размер зерна стали составляет около 7 мкм, что является наименьшим среди всех условий испытаний, и соответствующие механические свойства являются лучшими. Когда температура нормализации составляет 980 ℃., средний размер зерна увеличивается до 12 мкм, и механические свойства стали значительно снижаются.

Для дальнейшего понимания механизма разрушения бесшовной трубопроводной стали API 5L X70Q/L485Q и его связи с микроструктурой., морфология изломов образцов, подвергнутых растяжению и удару по Шарпи, наблюдалась с помощью SEM.. Фигура 4 показывает морфологию излома полученной стали и стали после термообработки при различных температурах, полученную на СЭМ..

Фигура 4(A) показывает морфологию разрушения при растяжении полученной стали.. Видно, что поверхность излома состоит из большого количества ямок разного размера., и ямочки распределены равномерно. Между ямочками также имеется небольшое количество слезных валиков.. Это типичная морфология пластичного разрушения., что указывает на то, что полученная сталь имеет хорошую пластичность.. Образование ямочек происходит за счет зарождения, Рост, и слияние пустот в процессе растяжения. Мелкая микроструктура стали в том виде, в каком она получена, обеспечивает больше мест зарождения пустот., а взаимосвязанная игольчатая ферритовая структура может препятствовать росту и слиянию пустот., таким образом образуя большое количество мелких ямочек.

Фигура 4(b) показывает морфологию разрушения стали при растяжении, нормализованную при 920 ℃.. По сравнению со сталью в состоянии поставки, ямочки на поверхности излома более мелкие и однородные, и количество слезных гребней увеличивается. Это указывает на то, что сталь, нормализованная при 920 ℃, имеет лучшую пластичность и более высокую прочность на разрыв.. Мелкая игольчатая ферритная структура стали обеспечивает больше мест зарождения пустот., и мелкие выделения закрепляют дислокации, затрудняя рост и слияние пустот, таким образом образуя более мелкие ямочки.

Фигура 4(C) показывает морфологию разрушения стали при растяжении, нормализованную при 980 ℃.. Видно, что ямочки на поверхности излома крупные и неравномерно распределены., и имеется небольшое количество плоскостей спайности. Это указывает на то, что сталь, нормализованная при 980℃, имеет плохую пластичность., а тип разрушения – смешанный разрушение пластичности и хрупкости.. Грубая микроструктура стали позволяет легко расти и слипаться пустотам в процессе растяжения., и концентрация напряжений легко возникает на границах зерен, что приводит к образованию плоскостей спайности.

Фигура 4(D) показывает морфологию ударного разрушения по Шарпи полученной стали при -20 ℃.. Поверхность излома состоит из большого количества мелких ямочек и надрывных гребней., без явных плоскостей спайности. Это типичная морфология пластичного разрушения., что указывает на то, что полученная сталь имеет превосходную низкотемпературную вязкость.. В процессе воздействия, взаимосвязанная игольчатая ферритовая структура может поглощать много энергии, а пустоты зарождаются и растут в ферритовой матрице, приводящий к пластическому разрушению.

Фигура 4(E) показывает морфологию ударного разрушения по Шарпи стали, закаленной при 600 ℃, после нормализации при 920 ℃.. Поверхность излома состоит из более мелких ямок, чем в полученной стали., и распределение более равномерное. Это указывает на то, что сталь, закаленная при температуре 600 ℃, имеет лучшую низкотемпературную вязкость.. Мелкие выделения цементита, образующиеся в процессе отпуска, могут повысить ударную вязкость стали за счет закрепления дислокаций и замедления распространения трещин.. В то же время, восстановление ферритовой матрицы снижает плотность дислокаций, облегчение пластической деформации стали в процессе удара, таким образом образуя более мелкие ямочки.

Фигура 4(F) показывает морфологию ударного разрушения по Шарпи стали, закаленной при 700 ℃, после нормализации при 920 ℃.. Поверхность излома имеет явные плоскости скола и небольшое количество крупных ямок.. Это указывает на то, что сталь, закаленная при температуре 700 ℃, имеет плохую низкотемпературную вязкость., а тип разрушения – смешанный разрушение пластичности и хрупкости.. Игольчатое разложение феррита и полигональный рост феррита в процессе отпуска делают микроструктуру грубой., а крупный цементит выделяет агрегаты на границах зерен., приводит к концентрации стресса. В процессе воздействия, трещины легко зарождаются и распространяются по границам зерен и плоскостям скола., что приводит к хрупкому разрушению.

Анализ морфологии изломов дополнительно подтверждает корреляцию между микроструктурой и механическими свойствами бесшовной трубопроводной стали API 5L X70Q/L485Q.. Тонкая и однородная микроструктура (высокая доля игольчатого феррита, мелкое зерно, мелкие осадки) приводит к пластическому разрушению с мелкими и однородными ямками, соответствующий превосходным комплексным механическим свойствам. Напротив, грубая микроструктура (низкая доля игольчатого феррита, грубое зерно, крупные осадки) приводит к смешанному типу разрушения пластичности и хрупкости с крупными ямками и плоскостями скола., соответствует плохим механическим свойствам.

В этой статье, проведено комплексное исследование микроструктуры и механических свойств бесшовной трубопроводной стали API 5L X70Q/L485Q с использованием OM, ВОЗ, ТЭМ, Тест на растяжение, Испытание на удар по Шарпи, Испытание На Твердость , и анализ морфологии переломов. Основные выводы заключаются в следующем.:

(1) Микроструктура бесшовной трубопроводной стали API 5L X70Q/L485Q в состоянии поставки в основном состоит из игольчатого феррита. (ИЗ, 65%-70%), полигональный феррит (ПФ, 20%-25%), и небольшое количество бейнита (b, 5%-10%) и мартенсит-аустенит (М-А) острова. Средний размер зерна составляет около 8 мкм. Большое количество мелких осадков (NB(C,Н) и ВК, 5-20 нм) равномерно распределены в ферритовой матрице. Сталь в состоянии поставки имеет превосходные комплексные механические свойства.: Предел текучести 505 MPA, Прочность на растяжение 635 MPA, относительное удлинение 30%, энергия поглощения удара при -20℃ 135 J, и твердость по Роквеллу 20 СПЧ, которые полностью соответствуют требованиям API 5L и GB/T 9711 стандарты.

(2) Температура нормализации оказывает существенное влияние на микроструктуру и механические свойства стали.. С увеличением температуры нормализации с 880℃ до 980℃., доля игольчатого феррита сначала увеличивается, а затем уменьшается, и размер зерна сначала уменьшается, а затем увеличивается. Оптимальная температура нормализации составляет 920-950 ℃.. В этом диапазоне температур, сталь приобретает тонкую и однородную микроструктуру с высоким содержанием игольчатого феррита. (70%-75%) и средний размер зерна 7-8 мкм. Соответствующие механические свойства являются лучшими: Предел текучести 510-520 MPA, Прочность на растяжение 640-650 MPA, относительное удлинение 31%-32%, энергия поглощения удара при -20℃ 140-150 J, и твердость по Роквеллу 21-22 СПЧ.

(3) Температура отпуска также оказывает существенное влияние на микроструктуру и механические свойства стали, нормализованной при 920 ℃.. С повышением температуры отпуска с 550℃ до 700℃., игольчатый феррит постепенно разлагается, полигональный феррит растет, и выпавший цементит сначала измельчается, а затем укрупняется. Оптимальная температура отпуска 600-650℃.. В этом диапазоне температур, сталь сохраняет высокую долю игольчатого феррита (68%-72%) и выпадает мелкий цементит. Соответствующие механические свойства превосходны.: Предел текучести 500-510 MPA, Прочность на растяжение 625-635 MPA, относительное удлинение 32%-33%, энергия поглощения удара при -20℃ 155-160 J, и твердость по Роквеллу 19-20 СПЧ.

(4) Комплексные механические свойства бесшовной трубопроводной стали API 5L X70Q/L485Q в основном определяются типом, пропорция, и размер зерен микроструктурных компонентов. Игольчатый феррит является ключевым фактором, повышающим прочность и ударную вязкость стали.; полигональный феррит улучшает пластичность стали; мелкие осадки (NB(C,Н) и ВК) повысить прочность стали за счет дисперсионного упрочнения; Мелкое зерно улучшает прочность и ударную вязкость стали.. Тонкая и однородная микроструктура с высокой долей игольчатого феррита., мелкое зерно, и мелкие осадки приводят к превосходным комплексным механическим свойствам.

(5) Вид разрушения бесшовной трубопроводной стали API 5L X70Q/L485Q с превосходными механическими свойствами – пластическое разрушение., поверхность излома состоит из мелких и однородных ямок.. Для стали с плохими механическими свойствами из-за крупной микроструктуры., режим разрушения – смешанный перелом пластичности и хрупкости., поверхность излома имеет крупные ямочки и плоскости скола..

Хотя в этой статье были получены результаты углубленного исследования микроструктуры и механических свойств бесшовной трубопроводной стали API 5L X70Q/L485Q., есть еще некоторые аспекты, которые необходимо дополнительно изучить в будущем:

(1) Расширение исследований сервисной среды. В данной статье в основном изучаются микроструктура и механические свойства стали при комнатной температуре и при низких температурах. (-20℃) условия. однако, Бесшовная трубопроводная сталь API 5L X70Q/L485Q часто используется в суровых условиях эксплуатации, таких как высокое давление., коррозия (Коэффициент, H₂S), и переменная температура. Будущие исследования могут быть сосредоточены на эволюции микроструктуры и механических свойств стали в этих суровых условиях эксплуатации., и изучить коррозионную стойкость и усталостные свойства стали., чтобы обеспечить более полную теоретическую основу для безопасной эксплуатации трубопровода..

(2) Исследования передовых технологий термообработки. В данной статье в основном изучается влияние процессов нормализации и отпуска на микроструктуру и механические свойства стали.. С развитием технологии термической обработки, передовые технологии термообработки, такие как закалка и отпуск (Вопрос&Т), контролируемая прокатка и контролируемое охлаждение (ТМКП), и изотермическая закалка широко используются при производстве трубопроводной стали.. Будущие исследования могут изучить влияние этих передовых технологий термообработки на микроструктуру и механические свойства бесшовной трубопроводной стали API 5L X70Q/L485Q., и изучить более оптимальные процессы термообработки для дальнейшего улучшения характеристик стали..

(3) Исследование механизма микролегирования элементов. В данной статье лишь кратко анализируется роль микролегирующих элементов, таких как Nb., V, и Ти. Будущие исследования могут использовать расчеты из первых принципов и моделирование фазового поля для глубокого изучения механизма взаимодействия между микролегирующими элементами и матрицей., механизм зарождения и роста осадков, и влияние микролегирующих элементов на процесс фазового превращения, чтобы обеспечить теоретическую основу для проектирования и оптимизации химического состава стали..

(4) Применение интеллектуальных производственных технологий. Будущие исследования могут внедрить искусственный интеллект и технологии больших данных в процесс производства бесшовной трубопроводной стали API 5L X70Q/L485Q.. Путем построения модели прогнозирования микроструктуры и механических свойств на основе параметров производственного процесса., Возможность мониторинга и оптимизации производственного процесса в режиме реального времени., что повысит эффективность производства и продукции качество стабильность стали.

(5) Исследования свариваемости. Хотя бесшовная трубопроводная сталь позволяет избежать дефектов сварных соединений., его еще надо сваривать при строительстве трубопровода. Будущие исследования могут изучить свариваемость бесшовной трубопроводной стали API 5L X70Q/L485Q., анализ микроструктуры и механических свойств сварного шва и зоны термического влияния (ЗТВ), и предложить оптимальные процессы сварки, обеспечивающие качество сварки и общую производительность трубопровода..