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1 概述
石油天然氣輸送管線鋼須同時具備高強度、高韌性、優異耐蝕性和高焊接性能。用大口徑、高壓管線改善輸送效率，尤其是通過高寒地區的中土輸氣管道，對管線鋼的技術條件要求更高。從安全性考慮，管線鋼須有低屈強比，在達至塑性非穩態時有更高的變形抗力，以免強度出現突降。
依據API標準X70管線鋼的屈服強度≥480MPa，-40℃沖擊功≥100J及屈強比≤85%。研究表明，440MPa級C-Mn鋼采用TMCP工藝，達到低屈強比（約80%）和高韌性（DBTT約-100℃）可行，但對更高鋼級獲得足夠的低屈強比和高韌性極其困難。其根本原因在于優化這些性能，會出現相反的效果。如以犧牲屈強比和韌性作為代價來增加強度；以降低強度為代價來降低屈強比和增加韌性。因此，各國材料學者利用顯微組織對高強管線鋼屈強比和韌性的影響規律來開發管線鋼。
絕然不同的兩相可得到滿意的低屈強比。雙相鋼通常屈強比低，但不能獲得管線鋼所有的各種性能要求。若雙相鋼兩相間的強度相差太大，在低溫條件下硬的第2相很容易形成裂紋，而抵消韌性作用。
近年來，開發針狀鐵素體或貝氏體管線鋼受到廣泛重視。生產實踐中，這兩類管線鋼的韌性還有欠缺，因此，在高端管線鋼工程應用課題是利用新組元的顯微組織，獲得強度、韌性和屈強比綜合性能符合要求的產品。
2 試驗步驟
沿軋制鋼板橫向切割拉伸試樣毛坯。拉伸試樣采用直徑.6mm、長度30mm圓棒試樣。室溫條件下，活動橫梁以9mm/min速度做拉伸試驗，表明管線鋼屈服強度處于非連續屈服狀態，以2%變形量作補償。至少3個試樣結果做拉伸性能報告。沿軋制橫向切取V型沖擊試樣（日本JIS標準4號試樣）。液氮或乙醇槽內浸漬15min后，按-120～20℃溫度，每20℃間隔對試樣作試驗，與DBTT（韌脆性轉變溫度）上、下層吸收能量的中點相一致。用SEM（掃描電鏡）觀察V型沖擊試樣破壞斷口表面，用圖像分析儀分析組元相的百分率和晶粒尺寸。
3 實驗結果
不同組元分別為鐵素體-珠光體的B鋼；針狀鐵素體作第2相鐵素體的C鋼；多邊形鐵素體作第2相針狀鐵素體的D鋼及貝氏體的G2鋼管線鋼的典型顯微組織。
鐵素體-珠光體鋼晶粒尺寸6.8～20.4靘；鐵素體-針狀鐵素體鋼中，針狀鐵素體百分比9.6%～24.1%；鐵素體-針狀鐵素體鋼中含約2%珠光體。鐵素體-針狀鐵素體鋼晶粒尺寸4.4～7.4靘，比通常鐵素體-珠光體鋼晶粒度細。
顯微組織對高強管線鋼的屈強比和韌性的特點，表明針狀鐵素體-鐵素體鋼在壓扁拉長的針狀鐵素體基體內有約4.5靘規格的多邊形鐵素體細晶粒。針狀鐵素體-鐵素體管線鋼中，鐵素體的體積百分率約6%，沿軋制方向間隔測量出的鐵素體約為16靘。貝氏體鋼為壓扁拉長晶粒，其顯微組織的組元類似于原先的奧氏體晶粒形態。
4 屈強比與低溫韌性機理
不同組合管線鋼的屈服強度和屈強比取決于顯微組織組元。通常，低屈服強度有較低屈強比。但鑒于屈強比是屈服強度與加工硬化率函數，僅以低屈服強度就有較低屈強比的結論是不全面的。對鐵素體-珠光體鋼而言，減小鐵素體晶粒尺寸將同時增大屈服強度和屈強比。減小鐵素體晶粒尺寸，并減少加工硬化率，會附加增大屈強比效果。鐵素體-珠光體鋼中有類似于取代珠光體的第2相針狀鐵素體特性。對鐵素體進行針狀鐵素體基體的變質處理，結果提高屈服強度，并降低屈強比。
基于顯微組織和力學性能的關聯性，優化顯微組織以開發高性能管線鋼，顯示針狀鐵素體或貝氏體基體內存在多邊形鐵素體第2相。考慮到改善強度和韌性最有效方法，即晶粒細化導致屈強比增加，在鐵素體基鋼很難同時優化強度、屈強比和DBTT綜合性能。另一方面，針狀鐵素體基鋼或貝氏體基鋼比鐵素體基鋼的屈服強度更高、屈強比更低。針狀鐵素體基鋼或貝氏體基鋼的低溫沖擊產生的不良影響，可導入減小第2相的多邊形鐵素體有效晶粒尺寸而得到改善。
5 結論
顯微組織管線鋼對屈強比和低溫韌性的影響有：
1) 細化鐵素體晶粒度能有效改善鐵素體基鋼的屈服強度和低溫沖擊韌性；然而對增大屈強比，產生不利作用。
2) 鐵素體基鋼中，從珠光體到針狀鐵素體或貝氏體的第2相變質處理除影響DBTT還改善了強度。
3) 從珠光體鋼作針狀鐵素體鋼或貝氏體鋼基體作變質處理，改善強度和屈強比。但比其它顯微組織的有效晶粒尺寸粗大，因而DBTT更差。
4) 針狀鐵素體鋼基體或貝氏體鋼基體導入第2相多邊形鐵素體，降低強度和屈強比，并改善針狀鐵素體基鋼的低溫沖擊韌性。
屈強比和加工硬化指數變化曲線取決于組織結構類型。為獲得0.85屈強比，貝氏體基鋼的臨界加工硬化指數比針狀鐵素體基鋼或鐵素體基鋼的臨界加工硬化指數低。
