加熱速度對(duì)管線鋼相變行為的影響*

胡美娟，田 野，王 磊，陳宏遠(yuǎn)，齊麗華，李為衛(wèi)

(1.中國(guó)石油集團(tuán)工程材料研究院有限公司，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710077；2. 管網(wǎng)集團(tuán)(新疆)聯(lián)合管道有限責(zé)任公司 新疆 烏魯木齊 830013)

0 引 言

環(huán)焊是鋪設(shè)現(xiàn)場(chǎng)將管線鋼管連接起來(lái)的一種焊接方式。焊接熱循環(huán)會(huì)改變管線鋼管的原始組織，影響熱影響區(qū)的強(qiáng)度和韌性。相變是影響熱影響區(qū)顯微組織和性能變化的重要因素之一。國(guó)內(nèi)大多數(shù)研究集中在焊接冷卻過(guò)程中的相變和組織轉(zhuǎn)變規(guī)律，對(duì)于加熱階段相變和組織轉(zhuǎn)變規(guī)律的研究較少。但是，在加熱階段管線鋼中合金元素的作用，尤其是碳氮化合物的溶解和晶粒長(zhǎng)大，對(duì)冷卻過(guò)程中的相變和原始奧氏體晶粒尺寸有重要的影響[1-3]。通常增加鈮元素或鈮鉬鎳等微合金元素是管線鋼領(lǐng)域普遍采用的提高其管體和熱影響區(qū)性能的常用方法。通過(guò)加入少量的鈮元素有利于控制軋制過(guò)程中奧氏體再結(jié)晶的晶粒尺寸，軋制過(guò)程中形成的碳氮析出物則起到沉淀強(qiáng)化的效果，在合理的熱機(jī)械軋制工藝(TMCP)或者高溫軋制工藝(HTP)下，可以同時(shí)提高含鈮管線鋼的強(qiáng)度和韌性。但是在焊接熱循環(huán)時(shí)，鈮元素對(duì)相變和晶粒長(zhǎng)大的影響更復(fù)雜，導(dǎo)致出現(xiàn)了一些相互矛盾的研究結(jié)果[4-6]。本文針對(duì)3種不同鈮含量的管線鋼，對(duì)其不同加熱速度下的相變溫度進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

本研究的試驗(yàn)材料取自3種商用X80級(jí)螺旋縫埋弧焊鋼管，根據(jù)其化學(xué)成分中鈮合金元素的含量分別編號(hào)為：A067，C079和M085，具體化學(xué)成分見(jiàn)表1。沿鋼管橫向制備Φ6 mm×71 mm的圓棒試樣，在Gleeble3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，采用S型熱電偶檢測(cè)溫度，相變膨脹儀測(cè)量加熱過(guò)程中試樣的膨脹量，膨脹儀精度為±0.000 4 mm。

表1 試驗(yàn)用X80級(jí)管線鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

試驗(yàn)方案為： 1)采用0.05 ℃/s的加熱速度將試樣加熱至1 050 ℃，根據(jù)測(cè)得的升溫?zé)崤蛎浨€確定材料的AC1和AC3。2)采用100 ℃/s的加熱速度將試樣加熱至1 300 ℃，根據(jù)測(cè)得的升溫?zé)崤蛎浨€確定材料在焊接加熱過(guò)程中的相變。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 溫度-膨脹量曲線

圖1是加熱速度分別為0.05 ℃/s和100 ℃/s時(shí)3種材料的升溫?zé)崤蛎浨€，其中黑色曲線為溫度-膨脹量曲線，紅色曲線為溫度-膨脹量的斜率曲線。由圖可知，在0.05 ℃/s的緩慢升溫過(guò)程中，3種管材都存在相變?cè)杏冢蛎浟侩S著溫度線性增長(zhǎng)變緩，斜率曲線先降低后升高的情況，但是程度差異較大；經(jīng)過(guò)一定的“孕育期”，開(kāi)始奧氏體化轉(zhuǎn)變，膨脹量降低，斜率曲線陡降，奧氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束較緩慢。三者的差異出現(xiàn)在奧氏體相變結(jié)束后，雖然其膨脹量都隨著加熱溫度的增加而增加，但是通過(guò)斜率曲線可知，3種材料分別出現(xiàn)的3種情況：A067的膨脹量增加速率隨溫度的增加而增加，C079則隨溫度增加而減小，M085基本保持恒定的膨脹速率。

圖1 3種X80級(jí)管線鋼不同加熱速度的熱膨脹曲線

在100 ℃/s的快速升溫過(guò)程中，3種管材在奧氏體相變前都未出現(xiàn)明顯的孕育期，均在700 ℃左右開(kāi)始相變。在快速的加熱速度條件下，奧氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束后所需要的時(shí)間也較短。但3種材料在奧氏體相變結(jié)束后膨脹量速率變化規(guī)律與緩慢加熱時(shí)一致。M085在1 000 ℃以后膨脹量增加速率開(kāi)始陡升。另外，在100 ℃/s的升溫過(guò)程中，A067和C079都在1 136 ℃左右出現(xiàn)了2次相變，膨脹量再次出現(xiàn)陡降。

2.2 相變溫度

利用膨脹曲線確定相變溫度，通常采用的方法有：頂點(diǎn)法、切線法、斜率法、切角法和平均值法等。其中切線法是符合金屬學(xué)原理、應(yīng)用較廣的方法；斜率法則結(jié)果最明確，但是對(duì)采集數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性要求較高[7]。本研究分別采用切線法和斜率法對(duì)曲線進(jìn)行分析。表2和表3分別為利用兩種方法確定的相變溫度。

表2 X80級(jí)管線鋼加熱速度為0.05 ℃/s的奧氏體相變溫度

表3 X80級(jí)管線鋼加熱速度為100 ℃/s的奧氏體相變溫度

對(duì)比采用切線法和斜率法確定的相變溫度可知：當(dāng)奧氏體相變發(fā)生的較為迅速時(shí)，切線法和斜率法確定的相變溫度基本一致，差異不大，例如緩慢加熱和快速加熱時(shí)的相變開(kāi)始溫度。當(dāng)奧氏體相變緩慢進(jìn)行時(shí)，切線法和斜率法確定的相變溫度差異較大，例如緩慢加熱時(shí)奧氏體相變的結(jié)束溫度。在這種情況下，采用切線法測(cè)定相變溫度時(shí)的主觀性較強(qiáng)，斜率法確定的相變溫度則更客觀。因此本文分析討論采用斜率法確定的相變溫度。

2.3 分析討論

在早期的研究中，隨著加熱速度的增加，管線鋼的奧氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始和結(jié)束溫度都會(huì)增加。在圖2中對(duì)比分析3種螺旋鋼管的相變起始溫度：在0.05 ℃/s的加熱速度下，3種成分管線鋼的相變啟動(dòng)溫度差別不大，都在700 ℃左右。在100 ℃/s的加熱速度下，3種管線鋼沒(méi)有明顯的相變?cè)杏?，?00 ℃的左右開(kāi)始奧氏體相變，相變溫度幾乎和低速時(shí)的相變啟動(dòng)溫度完全重合。在0.05 ℃/s的加熱速度下，隨著鈮元素合金含量的增加，奧氏體相變結(jié)束溫度逐漸上升，A067和M085奧氏體相變結(jié)束溫度相差了83 ℃。在100 ℃/s的加熱速度下，奧氏體相變的結(jié)束溫度也隨著鈮元素的含量增加逐漸上升，但是程度較小，A067和M085奧氏體相變結(jié)束溫度相差了28 ℃。這主要是因?yàn)榭焖偌訜徇^(guò)程中奧氏體均勻化程度不足，相變加速發(fā)生。

圖2 3種成分X80級(jí)管線鋼不同加熱速度下的相變溫度

3種成分管線鋼在不同的加熱速度下，相變溫度區(qū)間的整體規(guī)律是隨著鈮元素含量的增加，管線鋼的相對(duì)膨脹量較小。但是在快速的加熱速度下，相變過(guò)程中的相對(duì)膨脹量均高于緩慢加熱時(shí)，這說(shuō)明高速加熱降低了未溶解析出粒子對(duì)晶界的釘扎作用，合金元素抑制晶粒長(zhǎng)大的作用降低。另外，一旦加熱溫度高于1 000 ℃，鈮元素的固溶導(dǎo)致其對(duì)奧氏體晶粒長(zhǎng)大的阻礙作用迅速消失，在鎳等其他控制晶粒長(zhǎng)大元素缺少的情況下，即使在較高的鈮元素含量的條件下如M085，奧氏體晶粒開(kāi)始快速長(zhǎng)大，表現(xiàn)出膨脹量增加速率開(kāi)始陡升。因此，在管線鋼焊接性研究中，不僅要考慮相變溫度，還應(yīng)考慮相變溫度以上的膨脹量增加速率，進(jìn)而分析合金元素對(duì)晶粒長(zhǎng)大的控制和影響。

3 結(jié) 論

研究了在不同加熱速度下3種不同鈮含量的X80級(jí)管線鋼的相變過(guò)程，得出以下結(jié)論：

1)在0.05 ℃/s的加熱速度下，3種成分管線鋼相變時(shí)皆存在相變?cè)杏冢?00 ℃/s的快速加熱下則無(wú)明顯的相變?cè)杏凇?/p>

2)3種成分管線鋼在不同加熱速度下的相變啟動(dòng)溫度皆在700 ℃左右，隨著鈮元素含量的增加，相變發(fā)生的溫度區(qū)間擴(kuò)大；同種合金成分的管線鋼，加熱速度的增加減少了奧氏體相變的溫度范圍，奧氏體化相變結(jié)束溫度降低。

3)在管線鋼焊接性研究中，不僅要考慮加熱和冷卻速度對(duì)相變溫度的影響，還應(yīng)考慮相變結(jié)束后線性膨脹量的增加速率。