X100螺旋埋弧焊管焊接接頭沖擊韌性研究*

張建勛 畢宗岳 孫　茜

（1.西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710049；2.國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西寶雞，721008；3.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司鋼管研究院，陜西寶雞721008）

采用焊接方式將管線鋼制成焊管時(shí)，由于焊接快速熱循環(huán)作用，使得焊縫和熱影響區(qū)（HAZ）的強(qiáng)度和韌性等力學(xué)性能與母材相比都有很大不同，而且焊接HAZ是焊接接頭的薄弱區(qū)域[1-4]。

SHIN與HWANG等人針對(duì)X70和X80兩種管線鋼的沖擊韌性進(jìn)行了研究，指出針狀鐵素體的有效晶粒尺寸對(duì)其沖擊韌性的影響[5]。孟凡剛等在對(duì)管線鋼和粗晶區(qū)及臨界粗晶區(qū)中的M-A島進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后認(rèn)為，母材中M-A島分布均勻，弦長(zhǎng)較小，韌性較好，而粗晶區(qū)則弦長(zhǎng)較大，韌性變差[6]；對(duì)于高鋼級(jí)管線鋼焊接接頭而言，熱影響區(qū)的粗晶區(qū)中M-A島基本以條狀為主，分布在晶界及晶內(nèi)，對(duì)韌性造成影響；而細(xì)晶及混晶區(qū)中的M-A島以塊狀形式彌散分布，對(duì)韌性并未造成嚴(yán)重的影響，相反在一定程度上可以提高韌性。

牛靖等人采用焊接熱模擬試驗(yàn)技術(shù)研究了不同奧氏體化溫度對(duì)管線鋼組織和性能的影響[7]，結(jié)果表明，不同的奧氏體化溫度得到不同形態(tài)的M-A島，且沖擊韌性也有明顯差異，其中當(dāng)奧氏體化溫度為1 150℃時(shí)，沖擊韌性最差。

本研究采用落錘沖擊試驗(yàn)裝置研究了X100螺旋埋弧焊管焊接接頭在-40℃條件下的沖擊韌性特征，并探討了斷口形貌及顯微組織對(duì)沖擊韌性的影響規(guī)律。

1　材料與試驗(yàn)過程

試驗(yàn)材料為X100管線鋼，屈服強(qiáng)度750MPa，抗拉強(qiáng)度840 MPa。試驗(yàn)對(duì)象為螺旋埋弧焊管，規(guī)格為φ1 219 mm×15.3 mm。X100管線鋼管母材的化學(xué)成分見表1。

表1　X100螺旋焊管母材的化學(xué)成分　%

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)際情況對(duì)焊接接頭進(jìn)行取樣，采用V形缺口沖擊試樣，試樣尺寸為5 mm×10 mm×55 mm，缺口深度為2 mm。沿焊縫厚度方向連續(xù)取5個(gè)試樣。由于管壁厚度的限制，相鄰兩個(gè)取樣可能存在重疊現(xiàn)象。在圖1所示的位置中取3個(gè)試樣進(jìn)行熱影響區(qū)的沖擊韌性測(cè)定。

采用自動(dòng)冷卻箱對(duì)試樣進(jìn)行溫度控制，冷卻介質(zhì)為酒精。試驗(yàn)溫度為-40℃，沖擊試樣的保溫時(shí)間為30 min。利用Instron 9250落錘沖擊試驗(yàn)裝置對(duì)不同位置的低溫沖擊韌性進(jìn)行測(cè)定，試驗(yàn)所設(shè)置的沖擊功為150 J，落錘的標(biāo)定質(zhì)量為46.8 kg，落錘沖擊試驗(yàn)的初始速度約為2.5 m/s。

圖1　熱影響區(qū)沖擊試樣取樣位置示意圖

2　試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1　沖擊試驗(yàn)結(jié)果

X100焊管焊接接頭-40℃的沖擊韌性如圖2所示，圖中分別為焊縫、HAZ和母材的沖擊韌性值。由圖2可見，焊縫的沖擊韌性略高于熱影響區(qū)，而母材的沖擊韌性最高。由于是半尺寸沖擊試樣，如果換算成標(biāo)準(zhǔn)試樣，X100管線鋼管母材的沖擊功平均值為245 J，焊縫的沖擊功平均值為140 J，熱影響區(qū)的沖擊功平均值為130 J。由于熱影響區(qū)的組織不均勻，缺口位置直接影響著沖擊試驗(yàn)結(jié)果，在研究中每個(gè)缺口都穿過熱影響區(qū)中的各個(gè)區(qū)域，同時(shí)也含有少部分母材，因此是一個(gè)綜合結(jié)果。

圖2　X100焊管焊接接頭沖擊韌性

X100焊管焊接接頭不同區(qū)域的沖擊試驗(yàn)曲線如圖3所示。由圖3可見，焊縫、HAZ和母材的峰值載荷及下降速度不同，母材的峰值載荷最高，下降幅度較慢，而熱影響區(qū)與焊縫最大載荷相近，但下降速度較快。從起裂的角度來看，母材具有較高的抵抗裂紋形成能力，而熱影響區(qū)及焊縫易起裂；從裂紋擴(kuò)展的角度來看，焊縫和HAZ的裂紋比母材更容易擴(kuò)展。

圖3　X100焊管焊接接頭不同區(qū)域沖擊曲線

X100焊管焊縫不同位置沖擊功如圖4所示。由圖4可以看出，內(nèi)焊道的沖擊韌性稍高一些，這是外焊道對(duì)內(nèi)焊道有一定的回火作用，但總體上沿厚度方向相差較小，分布較均勻。

2.2　沖擊斷口分析

為了更好地說明焊接接頭各區(qū)域沖擊韌性的差異，對(duì)沖擊試樣宏觀及微觀斷口形貌進(jìn)行了分析。X100焊管焊接接頭沖擊試樣典型宏觀斷口形貌如圖5所示，圖中顯示沖擊功分別為76 J，60 J和123 J的宏觀斷口形貌。由圖5可見，焊縫和HAZ的沖擊功較低，沖擊斷口較平，剪切唇面積相對(duì)較?。欢鴮?duì)于母材，沖擊斷口凸凹較大，剪切唇面積也相對(duì)較大。

對(duì)圖5中斷口中心部位進(jìn)行微觀形貌分析，如圖6所示。由圖6可見，各區(qū)的斷口形貌均為韌窩狀，焊縫斷口韌窩較小且均勻（見圖6（a）），韌窩較淺；熱影響區(qū)斷口韌窩較大，在大韌窩中還可發(fā)現(xiàn)小韌窩存在，在韌窩底部可觀察到第二相粒子或夾雜物（見圖6（b））；母材斷口韌窩大小均勻性較差，存在大量大尺寸且很深的韌窩，變形很大，表明其韌性很好（見圖6（c））。

圖4　X100焊管焊縫不同位置沖擊功

圖5　X100焊管焊接接頭典型宏觀斷口形貌

圖6　X100焊管焊接接頭沖擊斷口微觀形貌

2.3　顯微組織分析

研究結(jié)果表明，管線鋼中的M-A島對(duì)斷裂韌性有著顯著的影響，主要體現(xiàn)在M-A島形態(tài)對(duì)裂紋起裂與擴(kuò)展的阻礙作用。作為硬質(zhì)相的M-A島，與相對(duì)軟質(zhì)基體構(gòu)成的相界面會(huì)成為微裂紋形成或裂紋擴(kuò)展的通道[8-10]。管線鋼焊接HAZ的條狀M-A島更易引發(fā)裂紋，使韌性變差[11-12]。

從焊接接頭沖擊試驗(yàn)結(jié)果可知，焊縫和熱影響區(qū)的沖擊韌性基本相同，母材最好。經(jīng)焊接后，形成的焊接熱影響區(qū)的沖擊韌性下降較為明顯，韌性損失值在50%左右。研究結(jié)果表明，在熱影響區(qū)中對(duì)性能起決定作用的是粗晶區(qū)，經(jīng)過焊接熱循環(huán)后，存在晶界嚴(yán)重脆化現(xiàn)象，裂紋更容易沿晶界擴(kuò)展，使沖擊韌性更低[12]。

X100焊管沖擊斷口中沿裂紋走向的掃描照片如圖7所示。由圖7可見，M-A島對(duì)裂紋的擴(kuò)展有一定的阻礙作用。從圖中A處可見，裂紋沿長(zhǎng)條狀M-A島與基體的相界面擴(kuò)展；而在B處所示的小塊狀或顆粒狀的M-A島則有效地阻礙了裂紋的擴(kuò)展或改變裂紋擴(kuò)展的方向。

圖7　X100焊管焊縫中M-A島形態(tài)

X100焊管焊縫顯微組織如圖8所示。由圖8可見，焊縫的顯微組織由針狀鐵素體和M-A島組成。針狀鐵素體呈多角度排列，可有效地阻礙裂紋的擴(kuò)展，但針狀鐵素體之間存在長(zhǎng)條狀M-A島（如圖中黑色箭頭所示），使得韌性下降。

圖8　X100焊管焊縫顯微組織

X100焊管焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)的顯微組織如圖9所示。從圖9（a）中可見，組織形態(tài)為粒狀貝氏體，奧氏體平均晶粒尺寸為20～30 μm，晶粒粗大，奧氏體晶粒內(nèi)部的貝氏體鐵素體成板條束分布，有效晶粒尺寸較大，因此對(duì)裂紋的擴(kuò)展阻力較小。同時(shí)，該晶粒內(nèi)部分布的長(zhǎng)條狀M-A島不僅不會(huì)阻礙裂紋擴(kuò)展，相反很容易同基體脫離，導(dǎo)致韌性下降；而在原奧氏體晶界交匯處分布的不規(guī)則塊狀M-A島也容易出現(xiàn)微裂紋，同等加載的條件下，裂紋沿此邊界及晶界處迅速擴(kuò)展并脫落，直至斷裂（見圖9（b））。因此，M-A島在晶內(nèi)及晶界上的典型形態(tài)嚴(yán)重影響了粗晶區(qū)的沖擊韌性，使得熱影響區(qū)的整體韌性下降，成為焊接接頭中的薄弱區(qū)域。

X100管線鋼母材的顯微組織如圖10所示。由圖10可見，其顯微組織以細(xì)小粒狀貝氏體為主，其M-A島呈顆粒狀彌散分布，且尺寸細(xì)小，不但不會(huì)降低沖擊韌性，相反會(huì)在一定程度上提高該區(qū)域的沖擊韌性，這也是母材比熱影響區(qū)及焊縫韌性良好的重要因素。

圖9　X100焊管焊接熱影響區(qū)顯微組織

圖10　X100焊管母材顯微組織

3　結(jié)論

（1）X100螺旋埋弧焊管焊縫沿管壁厚度方向的沖擊韌性變化不明顯；焊接接頭中，母材沖擊韌性最高，約是焊縫和熱影響區(qū)的1倍，焊縫略高于熱影響區(qū)。

（2）沖擊斷口形貌表明，無論是母材、焊縫還是熱影響區(qū)，均為韌窩形斷口。母材韌窩尺寸大且深，焊縫韌窩尺寸均勻但較淺，熱影響區(qū)以小尺寸韌窩為主，含少量大尺寸韌窩；

（3）焊接接頭組織中的M-A島是決定沖擊韌性的主要因素。與長(zhǎng)條狀M-A島相比，塊狀或顆粒狀M-A島能更有效地阻礙裂紋擴(kuò)展。焊縫及粗晶區(qū)的大尺寸條狀或棒狀M-A島使沖擊韌性下降。

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