焊接熱輸入對(duì)X90管線鋼CGHAZ組織和沖擊性能的影響

王端軍，付志斌，夏乾峰，范 磊，陳 英，王青峰

（1.南京鋼鐵股份有限公司技術(shù)質(zhì)量部，南京210035；2.燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島066004）

焊接熱輸入對(duì)X90管線鋼CGHAZ組織和沖擊性能的影響

王端軍1，付志斌1，夏乾峰2，范 磊2，陳 英2，王青峰2

（1.南京鋼鐵股份有限公司技術(shù)質(zhì)量部，南京210035；2.燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島066004）

采用焊接熱模擬技術(shù)、顯微組織分析和沖擊試驗(yàn)的方法，研究焊接線能量對(duì)X90管線鋼粗晶熱影響區(qū)組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，不同線能量下試驗(yàn)鋼的組織均為板條貝氏體（LBF）和粒狀貝氏體（GBF），線能量為25 kJ/cm時(shí)，試驗(yàn)鋼的組織主要為L(zhǎng)BF，沖擊功較高；隨著焊接線能量的增加，GBF增加，晶粒粗化，韌性顯著下降。

X90管線鋼；粗晶熱影響區(qū)；線能量；顯微組織；力學(xué)性能

1 引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)的高速發(fā)展，對(duì)油氣能源的需求量不斷增加，結(jié)合國(guó)內(nèi)對(duì)油氣管道的要求，開發(fā)具有高強(qiáng)高韌的管線鋼是今后管道發(fā)展的必然趨勢(shì)。根據(jù)現(xiàn)有裝備和技術(shù)，通過(guò)合理的成分設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化，要獲得較高強(qiáng)度的鋼板還是比較容易的，但是，在一般情況下，強(qiáng)度和韌性是相互矛盾的，特別是焊縫及熱影響區(qū)的強(qiáng)韌性匹配問(wèn)題比較突出。本著節(jié)約成本、經(jīng)濟(jì)高效安全的營(yíng)運(yùn)，國(guó)內(nèi)外都已進(jìn)行更高級(jí)別管線鋼的研制，為了進(jìn)一步提高管線鋼的輸送能力，開發(fā)X90級(jí)別管線鋼建設(shè)相關(guān)試驗(yàn)工程已經(jīng)提到我國(guó)石油管線建設(shè)的議事日程。X90管線鋼采用了以板條貝氏體和粒狀貝氏體中溫相變組織為主的設(shè)計(jì)思路，結(jié)合適合的TMCP工藝，容易獲得較高的強(qiáng)度，然而，其服役安全可靠性，特別是延性裂紋止裂等關(guān)鍵問(wèn)題仍未得到完全解決。

本項(xiàng)目利用Gleeble-3500對(duì)試驗(yàn)鋼粗晶熱影響區(qū)的組織和沖擊性能進(jìn)行了研究，探討了組織與性能之間的關(guān)系，分析了線能量對(duì)試驗(yàn)鋼的組織和性能的影響規(guī)律。

2 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為X90熱軋鋼板，板厚16.3 mm，其化學(xué)成分質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為C：0.06，Si：0.30，Mn：1.85，Cu：0.24，（Ni+Cr+Mo）：1.04，（Nb+Ti+V）：0.145。

熱模擬試樣是從試驗(yàn)鋼熱軋鋼板上直接取樣，尺寸為11 mm×11 mm×80 mm。焊接熱循環(huán)曲線采用Gleeble-3500自帶的HAZ軟件包Rykalin2D模型計(jì)算獲得，其中峰值溫度為1 350℃，加熱速率100℃/s，模擬線能量為25、30、40、50、60 kJ/cm鋼板所經(jīng)歷的焊接過(guò)程。經(jīng)熱模擬后，為了觀察不同線能量下試驗(yàn)鋼的組織，利用光學(xué)顯微鏡和透射電鏡進(jìn)行組織觀察；將試樣加工為標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣進(jìn)行-20℃低溫沖擊實(shí)驗(yàn)，尺寸為10 mm×10 mm× 55 mm，缺口為KV2。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3．1 組織演變

圖1為不同線能量下試驗(yàn)鋼的金相和透射組織照片，從圖中可以看出，試驗(yàn)鋼的組織主要是板條貝氏體（LBF）和粒狀貝氏體（GBF）。當(dāng)線能量較小時(shí)，板條貝氏體為主，碳化物取向比較明顯，取向相近的板條束在原奧晶粒內(nèi)形成不同取向的packet，把原奧晶粒分割成不同區(qū)域，且板條細(xì)小。隨著焊接線能量的增加，高溫停留時(shí)間變長(zhǎng)，鐵素體相變溫度升高，晶粒長(zhǎng)大趨勢(shì)明顯，GBF逐漸增加，取向不明顯，板條束相對(duì)變粗，碳化物呈無(wú)規(guī)則的分布在鐵素體基體上[1]。圖1（c）、（d）為不同線能量下試驗(yàn)鋼的透射組織照片，在線能量為25和60 kJ/cm時(shí)，組織主要是GBF、LBF和分布在鐵素體基體上的M/A島。當(dāng)線能量為25 kJ/cm時(shí)，見(jiàn)圖1（a），組織主要為L(zhǎng)BF，板條取向明顯，且較細(xì)長(zhǎng)，M-A組元形態(tài)主要是呈條狀或桿狀分布在板條間；當(dāng)線能量增加到60 kJ/cm時(shí)，組織主要是GBF和少量的LBF，M-A組元形態(tài)不一，有條狀和塊狀，且M-A組元尺寸較大，長(zhǎng)徑比較小。

圖1 不同線能量下試驗(yàn)鋼的金相和透射組織

圖2是線能量為60 kJ/cm時(shí)試驗(yàn)鋼的著色腐蝕照片，圖中白色、灰色和黑色分別代表M-A組元、鐵素體基體和晶粒邊界。對(duì)不同線能量下試驗(yàn)鋼的著色腐蝕照片進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表1。隨著線能量增大，M-A組元的面積百分?jǐn)?shù)增加，等效圓直徑增大，表明M-A組元的數(shù)量增加、尺寸增大。當(dāng)線能量為25 kJ/cm時(shí)，尺寸較小，數(shù)目較少，M-A組元主要呈細(xì)條狀，近似于平行地排列在鐵素體板條之間。當(dāng)線能量進(jìn)一步增大到60 kJ/cm時(shí)，M-A組元主要呈塊狀，數(shù)目明顯增多、尺寸增大。

圖2 線能量為60 kJ/cm試驗(yàn)鋼的M-A島

3．2 低溫沖擊性能

不同線能量下試驗(yàn)鋼的-20℃時(shí)的低溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表1所示?？梢钥闯?，試驗(yàn)鋼的沖擊功隨著線能量的增加呈下降趨勢(shì)，當(dāng)線能量為25 kJ/cm時(shí)沖擊功達(dá)到最高值89 J。隨著焊接線能量的增大，韌性逐漸降低，這是由于線能量小時(shí)，冷速較大，晶粒較細(xì)，大角度晶界增多，大角度晶界都能有效阻礙裂紋的擴(kuò)展；線能量增大，冷速降低，導(dǎo)致晶粒粗化，晶界和晶粒內(nèi)部都有大量的脆性相M/A島析出，韌性下降。當(dāng)線能量從30 kJ/cm增大到40 kJ/cm時(shí)，由于晶粒粗化嚴(yán)重，韌性急劇下降。

表1 M-A組元量化結(jié)果與沖擊性能

4 分析與討論

在低碳微合金管線鋼中，鋼的低溫沖擊韌性主要與組織類型、晶粒大小、第二相分布狀態(tài)及第二相的形態(tài)和尺寸有關(guān)[2]。在焊接過(guò)程中，由于鋼板經(jīng)歷快速加熱和快速冷卻，組織和性能會(huì)有較大的改變，特別是會(huì)在熱影響區(qū)出現(xiàn)脆化現(xiàn)象，影響鋼管性能。

不同線能量下，試驗(yàn)鋼的組織類型基本不變，都是由LBF、GBF和M-A島組成。隨著線能量的增加，GBF數(shù)量增加，LBF的減少，晶粒粗化，大角度晶界減少，而大角度晶界（如packet）的邊界可以在低溫?cái)嗔堰^(guò)程中有效地阻止裂紋擴(kuò)展[3]。因此，晶粒粗化是導(dǎo)致低溫韌性嚴(yán)重降低的主要原因之一。

M-A島是殘余奧氏體在加速冷卻時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體而形成的第二相，由于M-A島是脆性相，對(duì)韌性影響比較顯著。由表1可知，隨著線能量的增加，沖擊功隨M-A組元面積百分?jǐn)?shù)的增加而降低。這是因?yàn)镸-A組元是一種典型的脆性組織，受到外力的作用時(shí)，由于M-A組元與鐵素體基體的強(qiáng)度差異，鐵素體基體會(huì)發(fā)生明顯的滑移而產(chǎn)生塑性變形，而M-A組元仍保持原有的形態(tài)，會(huì)阻礙鐵素體的塑形變形。當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到M-A組元與鐵素體之間的界面時(shí)，會(huì)由于M-A組元的阻礙作用而產(chǎn)生位錯(cuò)塞積，造成局部應(yīng)力集中，使M-A組元由于受到較大應(yīng)力的作用從而易與基體分離而萌生微裂紋，降低基體的韌性。顯然，M-A組元的數(shù)量越多，發(fā)生脆性斷裂的可能性就越大[4-5]。

5 結(jié)論

（1）試驗(yàn)鋼經(jīng)熱循環(huán)后的組織類型為L(zhǎng)BF、GBF和M-A島。當(dāng)線能量較小時(shí)，試驗(yàn)鋼組織以LBF為主；隨著線能量的增大，GBF增加，板條粗化。

（2）隨著線能量的增加，晶粒粗化，沖擊功呈下降趨勢(shì)。

（3）M-A組元對(duì)韌性的影響較大，線能量較小時(shí)，M-A組元的相對(duì)含量少，尺寸較小，低溫沖擊韌性較好；隨著線能量增大，M-A組元相對(duì)量增多，尺寸增大，M-A組元成塊狀，長(zhǎng)徑比小，韌性下降。

[1] Lee Sunghak,Chun Byung.Fracture toughness analysis of HAZ in HSLA steel welds[J].Metallurgical Transaction，1993，24A（5）：1 133-1 141.

[2]方鴻生，劉東雨.貝氏體鋼的強(qiáng)韌化途徑 [J].機(jī)械工程材料，2001，25（6）：1-5.

[3]王學(xué)敏，楊善舞.超低碳貝氏體鋼焊接熱影響區(qū)沖擊韌度的研究[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2000，12（1）：47-52.

[4] 杜土青，洪永昌，孫希慶.歐標(biāo)低合金結(jié)構(gòu)鋼粗晶熱影響區(qū)組織和韌性的熱模擬研究[J].熱處理，2010，25（2）：35-41.

[5]陳翠欣，李午申，王慶鵬，等.X80管線鋼焊接粗晶區(qū)的組織和性能[J].焊接學(xué)報(bào)，2005，26（6）：77-80.

（編輯 潘娜）

Influence of Welding Heat Input on CGHAZ Structure and Impact Property of X90 Pipeline Steel

WANG Duan-jun1,FU Zhi-bin1,XIA Qian-feng2,FAN Lei2,CHEN Ying2and WANG Qing-feng2
(1．Technology and Quality Department of Nanjin Iron and Steel Shareholding Co．,Ltd,Nanjing,Jiangsu Province 210035,China;2．State Key Laboratory of Metastable Materials Science and Technology, Yanshan University,Qinhuangdao,Hebei Province 066004,China)

The influential regularity of welding heat input on the microstructure and mechanical properties of coarse grain heat affected zone (CGHAZ)in X90 pipeline steel was studied by means of welding thermal simulation technology,microstructure analysis and impact test．The results showed that the microstructure of tested steel with different heat input consisted of lath bainite and granular bainite．When the heat input was 25kJ/cm,the microstructure was mainly lath bainite with high absorbed-in-fracture energy;with the increase of heat input,there was a tendency of granular bainite increase with grain coarsened and toughness obviously reduced．

X90 pipeline steel;coarse grain heat affected zone;heat input,microstructure;mechanical property

10．3969/j．issn．1006-110X．2014．01．008

2013-12-20

2014-01-05

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2007AA03Z509)

王端軍（1969—），男，江蘇人，本科，高級(jí)工程師。

王青峰（1966—），男，湖北人，博士研究生，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：wqf67＠ysu．edu．cn。