ASTM4130鋼焊接冷裂紋敏感性分析*

張三艷,李立英

（1.海洋石油工程股份有限公司，山東 青島 266520；2.中國石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院,山東 青島 266580）

0 前 言

ASTM4130鋼屬于Cr-Mo系中碳調(diào)質(zhì)鋼，具有較高的強(qiáng)度、硬度以及良好的塑性及韌性。早在第二次世界大戰(zhàn)期間就用來制造飛機(jī)某些構(gòu)件，后來廣泛應(yīng)用于油氣生產(chǎn)裝備，如油管、鉆井防噴器、半潛式鉆井平臺(tái)高壓管線等。但其碳當(dāng)量CEIIW高達(dá)0.73%，故焊接性較差。一般情況下中碳調(diào)質(zhì)鋼都是在正火或退火狀態(tài)下焊接，焊后再進(jìn)行整體調(diào)質(zhì)，這是焊接調(diào)質(zhì)鋼的一種比較合理的工藝方案。但是有時(shí)必須在調(diào)質(zhì)態(tài)下焊接，焊后又無法進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，存在焊縫脆化以及熱影響區(qū)脆化和軟化問題。焊條電弧焊具有操作簡單，靈活方便等優(yōu)點(diǎn)，因此，本研究以插銷試驗(yàn)為研究手段，通過組織及斷口分析，探索ASTM4130鋼焊條電弧焊焊接接頭冷裂紋敏感性，為其焊接工藝的制定提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為進(jìn)口準(zhǔn)141.3 mm×30 mm調(diào)質(zhì)態(tài)ASTM4130鋼管，其化學(xué)成分見表1。

表1 ASTM4130鋼的化學(xué)成分 %

插銷試棒從鋼管上截取，其長度方向與管材軸向平行，采用螺形缺口，直徑為6.0 mm。采用的焊條為AWS A5.5 E11018-M，準(zhǔn)3.2 mm，其化學(xué)成分見表2。

表2 焊條AWS A5.5 E11018-M的化學(xué)成分 %

試驗(yàn)底板為30CrMo鋼，厚度為30 mm。參照GB 9446—1988《焊接用插銷冷裂紋試驗(yàn)方法》規(guī)定進(jìn)行焊接，焊接熱輸入≤1.5 kJ/mm。插銷試驗(yàn)參數(shù)包括不預(yù)熱、預(yù)熱100℃、預(yù)熱200℃三種。采用掃描電鏡分析插銷斷口形貌，用維氏硬度計(jì)測試粗晶區(qū)硬度，光學(xué)顯微鏡觀察粗晶區(qū)組織特征。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 臨界斷裂應(yīng)力

插銷試驗(yàn)結(jié)果見表3。試驗(yàn)條件相同情況下，拘束力越大，插銷試棒保持不斷裂的時(shí)間越短；反之，斷裂時(shí)間明顯延長。以持續(xù)20 h不斷裂的應(yīng)力作為臨界斷裂應(yīng)力，不預(yù)熱、預(yù)熱100℃和200℃的臨界斷裂應(yīng)力分別為344.46 MPa，642.55 MPa和806.11 MPa。根據(jù)斷裂準(zhǔn)則，σcr≥σs能避免冷裂。ASTM4130鋼的σs為785 MPa。因此，實(shí)際焊接時(shí)，預(yù)熱溫度200℃可以避免ASTM4130鋼管焊接冷裂紋的產(chǎn)生。

表3 插銷試驗(yàn)結(jié)果

2.2 HAZ組織和硬度

圖1 插銷試棒粗晶區(qū)的顯微組織

由表3可知，斷裂位置大部分位于粗晶區(qū)，故本研究對粗晶區(qū)的組織和硬度進(jìn)行了分析。粗晶區(qū)的顯微組織如圖1所示，由圖可知，粗晶區(qū)組織主要為馬氏體和貝氏體，但兩者的相對含量以及貝氏體形態(tài)存在差異。不預(yù)熱時(shí)馬氏體含量多，貝氏體含量少且大部分呈針狀平行排列；隨預(yù)熱溫度升高，馬氏體含量減少，貝氏體含量增加，且羽毛狀上貝氏體增加明顯，板條的長度變長，寬度增加。這是因?yàn)殡S著預(yù)熱溫度的升高，高溫停留時(shí)間延長，冷卻速度減慢，且ASTM4130鋼的貝氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍較寬。不預(yù)熱、預(yù)熱100℃和預(yù)熱200℃時(shí)，粗晶區(qū)硬度分別為547.3 HV10，529.0 HV10和 370.5 HV10。

2.3 斷口分析

臨界斷裂應(yīng)力時(shí)的斷口形貌如圖2所示。根據(jù)斷口宏觀特征，分為啟裂區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和終斷區(qū)三部分，分別見圖2(a)、圖2(b)和圖2(c)中的標(biāo)注1，2和3。根據(jù)斷口顯微特征，啟裂區(qū)和擴(kuò)展區(qū)為脆斷區(qū)，終斷區(qū)為延性斷裂區(qū)。各區(qū)斷口特征見表4。

圖2 插銷試棒臨界斷裂應(yīng)力時(shí)的斷口形貌

表4 插銷試棒臨界斷口特征

不預(yù)熱和預(yù)熱100℃時(shí)斷口相似。從宏觀上看(見圖2(a)和圖2(b))，斷口平齊，啟裂區(qū)有多個(gè)裂紋源，裂紋起源于螺形缺口的底部，斷裂位置為粗晶區(qū)；裂紋擴(kuò)展區(qū)存在呈金屬光澤的結(jié)晶狀小平面，為典型的脆性斷口。從微觀上看，不預(yù)熱時(shí)(見圖2(d))裂紋擴(kuò)展區(qū)有沿晶開裂特征，且具有二次裂紋，為典型的冰糖狀沿晶脆性斷裂(IG)。預(yù)熱100℃時(shí)(見圖2(e))裂紋擴(kuò)展區(qū)為兼有河流花樣的準(zhǔn)解理 (QC)和IG斷裂，與不預(yù)熱相比，裂紋擴(kuò)展區(qū)的晶粒表面有少量的微觀塑性變形。由圖2(c)可知，預(yù)熱200℃時(shí)啟裂區(qū)位于螺形缺口的底部，斷裂位置為母材，斷口表面為暗灰色，呈杯錐狀。從微觀上看(見圖2(f))，擴(kuò)展區(qū)較窄，韌窩較深且嚴(yán)重變形，為典型的韌窩斷裂。

2.4 冷裂分析

冷裂紋的產(chǎn)生與淬硬組織、拘束應(yīng)力與氫的擴(kuò)散聚集行為密切相關(guān)。試驗(yàn)過程中采用了低氫焊材，擴(kuò)散氫含量均在超低氫范圍內(nèi)。但對于淬硬傾向較大的ASTM4130中碳調(diào)質(zhì)鋼焊接，冷裂傾向仍然較大。不預(yù)熱時(shí)，裂紋擴(kuò)展區(qū)為典型的冰糖狀脆性IG斷口；預(yù)熱溫度100℃時(shí)，為棱角分明的IG和QC混合斷口。由此可知，不預(yù)熱和預(yù)熱100℃時(shí)為氫致延遲脆性斷裂，而預(yù)熱200℃時(shí)，為延性斷裂。

冷裂紋開裂過程如圖3所示，焊接冷卻過程中，焊縫含碳量低，奧氏體首先發(fā)生轉(zhuǎn)變，焊縫中的氫擴(kuò)散至熔合區(qū)和粗晶區(qū)；裂紋啟裂時(shí)，粗晶區(qū)中氫濃度較高，導(dǎo)致裂紋尖端的應(yīng)力場強(qiáng)度因子降低，同時(shí)滑移變形向晶界集中，氫在晶界富集，造成晶界脆化，微裂紋優(yōu)先在晶界處形核，沿晶界擴(kuò)展；在裂紋擴(kuò)展過程中，擴(kuò)散氫的平均濃度和裂紋尖端的應(yīng)力場強(qiáng)度因子有所降低，但由于ASTM4130鋼生成了對氫脆敏感性較大的馬氏體和貝氏體，擴(kuò)展區(qū)仍為IG斷裂；當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定階段后出現(xiàn)失穩(wěn)擴(kuò)展，氫來不及聚集到裂紋尖端，且該區(qū)組織氫脆敏感性小，故終斷區(qū)出現(xiàn)較多韌窩。

圖3 冷裂紋開裂過程示意圖

組織硬度影響斷口形貌。不預(yù)熱時(shí)，組織中含有較多的馬氏體，啟裂區(qū)和擴(kuò)展區(qū)為典型的IG斷裂；預(yù)熱100℃時(shí)，貝氏體含量增加，啟裂區(qū)和擴(kuò)展區(qū)均為IG和QC混合斷裂。

3 結(jié) 論

（1）ASTM4130鋼冷裂紋敏感性大。不預(yù)熱、預(yù)熱100℃和預(yù)熱200℃的臨界斷裂應(yīng)力分別為 344.46 MPa，642.55 MPa和 806.11 MPa。預(yù)熱200℃能避免冷裂紋產(chǎn)生。

（2）ASTM4130鋼冷裂紋敏感性與粗晶區(qū)的組織密切相關(guān)。不預(yù)熱時(shí)馬氏體含量多，貝氏體含量少，且呈針狀形態(tài)平行排列；隨預(yù)熱溫度升高，馬氏體含量減少，貝氏體含量增加，且羽毛狀上貝氏體增加明顯，板條的長度變長，寬度增加。

（3）不預(yù)熱時(shí)，裂紋擴(kuò)展區(qū)為沿晶脆性斷裂；預(yù)熱100℃時(shí)，裂紋擴(kuò)展區(qū)為沿晶+準(zhǔn)解理混合斷裂；預(yù)熱溫度為200℃時(shí)，裂紋擴(kuò)展區(qū)為韌窩斷裂。

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