焊接熱輸入對厚壁X80管線鋼粗晶熱影響區(qū)組織及性能的影響

趙紅波，畢宗岳，牛 輝，包志剛，付宏強(qiáng)

（1．國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008）

焊接熱輸入對厚壁X80管線鋼粗晶熱影響區(qū)組織及性能的影響

趙紅波1,2，畢宗岳1,2，牛 輝1,2，包志剛1,2，付宏強(qiáng)1,2

（1．國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008）

為了研究焊接熱輸入對X80管線鋼粗晶熱影響區(qū)的組織及性能影響，采用熱模擬技術(shù)，對不同焊接熱輸入下X80管線鋼的力學(xué)性能與顯微組織進(jìn)行了研究和分析。研究結(jié)果表明，在不同熱輸入量下厚壁X80管線鋼粗晶熱影響區(qū)組織為板條貝氏體、粒狀貝氏體及M-A島組織。當(dāng)熱輸入量小于25 kJ/mm時(shí)，粗晶熱影響區(qū)組織以貝氏體板條為主，沖擊韌性最佳，但硬度較高；當(dāng)熱輸入量在25 kJ/mm時(shí)，試驗(yàn)鋼粗晶熱影響區(qū)組織為板條貝氏體與粒狀貝氏體，沖擊韌性較高，且硬度適中；隨著熱輸入的增大，粗晶熱影響區(qū)中的粒狀貝氏體變得極為粗大，同時(shí)，M-A形態(tài)與分布發(fā)生急劇變化，粗晶熱影響區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重軟化，沖擊韌性值明顯下降。

焊接；X80；管線鋼；厚壁；熱輸入；熱影響區(qū)；顯微組織；力學(xué)性能

天然氣目前在我國一次能源中所占份額較低，普及率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，供需存在較大的缺口，因此迫切需要提高管道年輸氣能力，開發(fā)出具有高承壓、大流量的管線鋼管。X80管線鋼相比于X70及以下鋼級管線鋼可節(jié)省7%的建設(shè)費(fèi)用，因此，高鋼級管線鋼已經(jīng)逐漸成為天然氣管道建設(shè)用鋼的主要發(fā)展趨勢[1]。X80級20 mm以上壁厚螺旋焊管具有高強(qiáng)度、高承壓，低成本等特點(diǎn)，可有效解決國內(nèi)在大輸量（超過300億m3/a）、高壓力（12 MPa以上）、長遠(yuǎn)距離天然氣輸送方面的難題。目前X80管線鋼已成為國內(nèi)外長距離、高壓輸送天然氣管道工程用鋼的首選。X80管線鋼屬于低碳微合金控軋鋼，但相比于低級別管線鋼其具有較高的碳當(dāng)量與合金含量，因此具有明顯的冷裂傾向[2]。特別是20 mm以上壁厚的X80管線鋼焊接時(shí)，由于焊接線能量大、熱量集中明顯，鄰近焊縫的熱影響粗晶區(qū)組織和性能極易發(fā)生惡化，因而會嚴(yán)重影響焊管的整體性能。

焊接是一個(gè)加熱與冷卻的熱循環(huán)過程，其所形成的焊接熱影響區(qū)寬度較小，僅幾毫米[3]。采用普通方法檢測該區(qū)域的性能難度較大，且無法準(zhǔn)確再現(xiàn)線能量區(qū)間的分布。本研究采用熱模擬方法對X80級22 mm厚管線鋼焊接粗晶熱影響區(qū)的沖擊韌性、硬度、組織等的情況進(jìn)行了研究，得出了不同焊接熱輸入對粗晶熱影響區(qū)的沖擊韌性、硬度等的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)材料取自X80級22 mm厚熱軋卷板，加工成11 mm×11 mm×71 mm的熱模擬試樣，采用Gleeble 3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，模擬不同焊接熱輸入對粗晶熱影響區(qū)組織和性能的影響。試驗(yàn)中峰值溫度為1 300℃，加熱速率130℃/s，焊接熱輸入分別為15 kJ/cm、25 kJ/cm、35 kJ/cm、45 kJ/cm，其他條件不變。試驗(yàn)熱模擬曲線通過試驗(yàn)機(jī)自帶的HAZ軟件包Rykalin 2D模型計(jì)算獲得，熱模擬曲線如圖1所示。

圖1 X80級22 mm厚熱軋卷板不同熱輸入下的熱模擬曲線

為了研究不同焊接熱輸入下材料組織與性能的變化情況，對所得的熱影響區(qū)試樣依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 229—2007在－10℃下進(jìn)行了夏比沖擊試驗(yàn)，試樣規(guī)格10 mm×10 mm×55 mm，采用V形缺口。對4種不同熱輸入下焊接所得試樣進(jìn)行了粗磨、細(xì)磨、拋光與4%的硝酸酒精腐蝕后，采用Leica DMI5000M金相顯微鏡觀察其組織，并檢測對應(yīng)位置的維氏硬度。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 母材組織及力學(xué)性能

試樣取自X80級22 mm壁厚的螺旋埋弧焊管，其化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2，試樣顯微組織如圖2所示。

表1 X80級22 mm厚螺旋埋弧焊管的化學(xué)成分%

表2 X80級22 mm厚螺旋埋弧焊管的力學(xué)性能

X80管線鋼原始組織為通過微合金設(shè)計(jì)和控軋控冷技術(shù)得到細(xì)小針狀鐵素體和粒狀貝氏體組織，其中鐵素體特征組織為細(xì)小的非等軸鐵素體，且鐵素體呈交錯(cuò)狀分布，片內(nèi)具有高的位錯(cuò)密度和亞結(jié)構(gòu)；同時(shí)第二相粒子的沉淀物 （微合金元素的碳氮化物）彌散地分布在基體上，對位錯(cuò)起到了釘扎作用，從而有效地提高了材料的強(qiáng)韌性[4-6]。通常X80管線鋼在經(jīng)過熱輸入被加熱到1 300℃后，針狀鐵素體會發(fā)生轉(zhuǎn)變，碳氮化合物也會被部分溶解，X80管線鋼發(fā)生奧氏體化，高溫下擴(kuò)散系數(shù)增大，晶粒長大，位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)密度降低；冷卻過程中，奧氏體組織發(fā)生固態(tài)相變形成低溫組織，使X80管線鋼的原始組織發(fā)生改變[7]。

圖2 X80管線鋼的顯微組織

2.2 熱輸入對熱影響區(qū)力學(xué)性能的影響

不同焊接熱輸入下熱影響粗晶區(qū)的沖擊韌性以及硬度分布情況如圖3所示。由圖3（a）可看出，隨著焊接熱輸入的增加，熱影響粗晶區(qū)的沖擊韌性值呈線性下降趨勢，到35 kJ/cm時(shí)，沖擊韌性值下降到最低，并且隨著熱輸入增加到45 kJ/cm，熱影響粗晶區(qū)沖擊韌性值趨于穩(wěn)定。由圖3（b）可見，隨著焊接熱輸入的增大，X80管線鋼熱影響粗晶區(qū)硬度呈明顯下降趨勢，且當(dāng)焊接熱輸入增大到35 kJ/cm時(shí)，硬度下降到低于材料的原始硬度值，熱影響粗晶區(qū)發(fā)生了明顯的軟化現(xiàn)象。

圖3 不同熱輸入下X80管線鋼熱影響粗晶區(qū)的沖擊韌性和硬度分布

2.3 熱輸入對熱影響區(qū)組織的影響

圖4 不同熱輸入焊接后X80管線鋼熱影響區(qū)的顯微組織

模擬不同焊接熱輸入下熱影響區(qū)的顯微組織如圖4所示，TEM金相照片如圖5所示。由圖4可見，經(jīng)過不同熱輸入焊接后，X80管線鋼熱影響粗晶區(qū)組織形態(tài)及分布形式發(fā)生了明顯的變化。熱輸入較小時(shí)，熱影響粗晶區(qū)中原奧氏體晶界平直、清晰可見，板條鐵素體自奧氏體晶內(nèi)一側(cè)或兩側(cè)呈平行的束狀沿奧氏體長入晶內(nèi)，將奧氏體晶粒分成不同區(qū)域，碳化物則沿板條按一定的方向排列成行分布于鐵素體片層間 （見圖4（a））；當(dāng)熱輸入為25 kJ/cm時(shí)，熱影響粗晶區(qū)中晶粒大小不均勻，部分鐵素體板條呈針狀交割狀分布，碳化物變得較分散，呈無規(guī)則狀分布在鐵素體基體上，同時(shí)，還出現(xiàn)了少量的先共析鐵素體組織；隨著熱輸入進(jìn)一步增加，原奧氏體晶粒不斷增大，多邊形鐵素體塊增多，且尺寸大小不一致，先共析鐵素體特征越來越明顯，碳化物由短條狀轉(zhuǎn)變成塊狀，并呈彌散狀分布在鐵素體基體上（見圖4（c）和圖 4（d））。

圖5 不同熱輸入焊接后X80管線鋼熱影響區(qū)的TEM金相照片

3 分析與討論

X80管線鋼的組織為通過控軋控冷與合金化技術(shù)得到的細(xì)小晶粒鐵素體與粒狀貝氏體，其中，大量貝氏體與鐵素體呈交錯(cuò)狀、不規(guī)則的等軸狀分布。同時(shí)，對于位錯(cuò)具有釘扎作用的氮化物、碳化物等第二相沉淀物呈彌散狀分布在鐵素體基體上，從而有效提高了原始材料的沖擊韌性[8-9]。然而，當(dāng)熱輸入量過小或者過大時(shí)，都會使原始組織中的細(xì)小鐵素體及粒狀貝氏體組織的形態(tài)發(fā)生變化，促使晶粒大小與位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)密度發(fā)生改變，進(jìn)而影響到粗晶熱影響區(qū)的性能。

由圖 4（a）可見，當(dāng)熱輸入過?。?5 kJ/cm）時(shí)，組織形態(tài)為沿奧氏體晶內(nèi)生長的細(xì)密板條貝氏體，且原奧氏體晶界清晰可見。對圖5（a）TEM分析進(jìn)一步表明，鐵素體以板條狀平行分布在晶內(nèi)，并呈多位向析出，片狀的M-A島組織也同時(shí)沿板條縱軸呈交錯(cuò)狀存在。這種組織特征使得裂紋在穿過晶粒內(nèi)部時(shí)行跡較為曲折，減小了擴(kuò)展的平均自由路徑，對材料的開裂起到了良好的阻止作用，從而使熱影響區(qū)表現(xiàn)出了優(yōu)良的韌性。另外，這種鐵素體板條具有細(xì)小的亞結(jié)構(gòu)和高密度的位錯(cuò)，使其在滑移過程中更容易與材料內(nèi)的第二相質(zhì)子纏結(jié)起來，形成位錯(cuò)的塞積群，導(dǎo)致粗晶熱影響區(qū)處的硬度出現(xiàn)急劇升高[10-11]。

由圖4（b）可見，當(dāng)熱輸入為25 kJ/cm時(shí)，粗晶熱影響區(qū)組織形態(tài)主要為粒狀貝氏體及針狀鐵素體，此時(shí)的鐵素體板條仍具有清晰的邊界，但相比于15 kJ/cm時(shí)鐵素體由原來的細(xì)密的板條束轉(zhuǎn)變成長條狀，并成一定的交錯(cuò)狀分布，同時(shí)，依附在板條間M-A島也變得較為粗大。M-A島作為X80管線鋼中經(jīng)常出現(xiàn)的組織，是分布在鐵素體基體上的馬氏體和殘余奧氏體組成的島狀物，它的存在破壞了基體的連續(xù)性，并引起了周圍的晶格或多或少產(chǎn)生畸變而引起應(yīng)力集中，在一定程度上減弱了裂紋擴(kuò)展時(shí)的阻力，故其沖擊韌性出現(xiàn)了一定的下降[12]。由圖5（b）TEM分析可見，針狀鐵素體呈雜亂無序交錯(cuò)分布，板條相互參差不齊，彼此交叉，在板條內(nèi)具有較高密度位錯(cuò)團(tuán)。這一特征組織的存在對裂紋的擴(kuò)展起到了一定的阻礙作用，相當(dāng)于進(jìn)一步細(xì)化了晶粒，因而使得熱影響區(qū)仍具有較好的沖擊韌性值[13]。與此同時(shí)，由于此時(shí)該區(qū)域中鐵素體多為短板、條狀組織結(jié)構(gòu)，且基本呈平行分布，使得鐵素體板條更容易實(shí)現(xiàn)多向滑移，因而使該區(qū)域表現(xiàn)出了適中的硬度。

由圖 4（c）和圖 4（d）可見， 當(dāng)熱輸入過大（（35～45）kJ/cm）時(shí)，其高溫停留時(shí)間明顯增大，晶粒尺寸變得大小不均勻，組織形態(tài)發(fā)生了明顯的變化，針狀鐵素體基本消失，此時(shí)粗晶熱影響區(qū)主要以多邊形鐵素體與粒狀貝氏體混雜存在。由圖5（c）TEM組織照片可見，此時(shí)，粗晶區(qū)熱影響區(qū)組織主要以粗大的粒狀貝氏體為主，其中，粗大的鐵素體呈多邊形狀，分布極為不規(guī)則，大小參差不齊，且邊界粗糙、模糊，凸凹不平，呈鋸齒狀形態(tài)，位錯(cuò)含量較低。同時(shí)，由于粗晶熱影響區(qū)在高溫下停留時(shí)間增長，使得組成第二相質(zhì)子的Nb、Ti、V碳氮化合物部分發(fā)生溶解，致使在奧氏體晶粒長大時(shí)，晶界析出物無法起到釘扎作用，晶粒出現(xiàn)粗化。與此同時(shí)，在低溫?cái)嗔堰^程中有效阻止裂紋擴(kuò)展的大角度晶界急劇減少，使得裂紋更容易擴(kuò)展，從而導(dǎo)致沖擊韌性值出現(xiàn)急劇的惡化[14-15]。另外，由于此時(shí)所存在的大晶粒的多邊形鐵素體相比于原始母材組織位錯(cuò)密度更低，無明顯的亞結(jié)構(gòu)，因而使得粗晶熱影響區(qū)表現(xiàn)出了軟化現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

（1）熱輸入量為15 kJ/cm時(shí)，由于粗晶熱影響區(qū)中呈多位向、大角度、高密度位錯(cuò)的細(xì)密貝氏體板條束的存在，使得該區(qū)域表現(xiàn)出了較高的沖擊韌性，但硬度較高；熱輸入量為25 kJ/cm時(shí)，由于依附在板條間粗大M-A島使粗晶熱影響區(qū)沖擊韌性值出現(xiàn)一定下降，但仍具有良好的韌性及適中的硬度值；在熱輸入為 （35～45）kJ/cm時(shí)，由于粗大多邊形鐵素體的增多，Nb、Ti、V碳氮化合物的溶解，導(dǎo)致粗晶熱影響區(qū)沖擊韌性值明顯惡化，硬度嚴(yán)重下降。

（2）通過對比可見，將X80厚壁管線鋼焊接熱輸入量控制在25 kJ/cm時(shí)，可保證粗晶熱影響區(qū)在具有良好的沖擊韌性值，同時(shí)，有較為適中的硬度。

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Influence of Welding Heat Input on Coarse Grain Heat Affect Zone Microstructure and Properties of Thick Wall X80 Pipleline Steel

ZHAO Hongbo1,2， BI Zongyue1,2， NIU Hui1,2， BAO Zhigang1,2， FU Hongqiang1,2
（1.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods，Baoji 721008，Shaanxi，China;2.Steel Pipe Research Institute，Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008，Shaanxi，China）

In order to study the influence of welding heat input on microstructure and properties of X80 thick wall pipeline steel coarse grain heat affected zone,it adopted the thermal simulation technology to investigate and analyze the mechanical properties and microstructure of X80 pipeline steel.The results indicated that the microstructure of X80 pipeline steel coarse grain heat affected zone compose of lath bainitic,granular bainite and M-A.When the heat input is less than 25 kJ/mm,the coarse grain heat affected zone mainly compose of lath bainitic,the impact toughness is optimum,but the hardenability is moderate;when the heat input is greater than 25 kJ/mm,the coarse grain heat affected zone mainly compose of lath bainitic and granular bainite,the impact toughness is higher,and the hardness moderate;with the increase of heat input,the granular bainite of coarse grain heat affected zone becomes very bulky,at the same time,the form and distribution of M-A structure rapidly change,the serious softening appear in coarse grain heat affected zone,the impact toughness values dropped to the lowest.

welding； X80； pipeline steel； thick wall； heat input； heat affected zone； microstructure； mechanical properties

TG407

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.09.002

趙紅波（1981—），男，工程師，目前主要從事石油天然氣管線鋼用焊接材料及工藝研究，發(fā)表論文10余篇。

2017-05-10

修改稿收稿日期：2017-08-10

編輯：張 歌