X100抗大变形管线钢焊接热影响区的显微组织与冲击功

李 光，李雪萍,2，徐学利，张骁勇，高惠临,刘彦明

(1.西安石油大学材料科学与工程学院， 西安 710065；2.华南理工大学材料科学与工程学院， 广州 510641)



X100抗大变形管线钢焊接热影响区的显微组织与冲击功

李 光1，李雪萍1,2，徐学利1，张骁勇1，高惠临1,刘彦明1

(1.西安石油大学材料科学与工程学院， 西安 710065；2.华南理工大学材料科学与工程学院， 广州 510641)

摘要：采用部分再结晶区加速冷却的方法获得了X100抗大变形管线钢，利用焊接热模拟技术制备了不同热影响区试样并研究了其冲击功和显微组织。结果表明：X100抗大变形管线钢具有较强的极限应变能力，其组织为粒状贝氏体和多边形铁素体；模拟热影响区试样的冲击功随热循环峰值温度的升高而下降，当峰值温度为1 300 ℃时，冲击功为247.9 J，比母材的降低了17.3%，冲击断裂方式也从韧性断裂转为解理断裂；热循环峰值温度升高使热影响区组织发生再结晶，并且晶粒粗化，降低了其韧性。

关键词：抗大变形管线钢；焊接热模拟；热影响区；冲击功

0引言

在山体滑坡、泥石流及地震等地质灾害多发地带，地下管道要承受较大的位移和应变，对管道材料提出了新的要求，因此基于应变设计的抗大变形管线钢得到了快速发展[1-3]。抗大变形管线钢是一种适应大位移服役环境，在拉伸、压缩和弯曲载荷下具有较高极限应变能力和延性断裂抗力的管道材料[4]。这种管线钢除了具有高强度和良好的韧性外，还具有一定的极限变形能力。目前国内的企业已经成功研制出X70、X80级别的抗大变形管线钢，2012年，宝钢、宝鸡钢管厂与中油宝世顺各为中缅管道工程提供了近万吨规格为φ1 016 mm×17.5 mm的X70抗大变形管线钢管，同年鞍钢股份鲅鱼圈钢铁分公司生产的厚26.4 mm的X80级别抗大变形管线钢板已为“西气东输”三线供货千余吨。X70、X80级别的抗大变形管线钢在管道工程中的成功应用标志着国内抗大变形钢管制造技术已达到国际先进水平[5-6]。

在管线建设中，需要将管道与管道通过焊接连接在一起，为了保证管道的安全服役，管线钢焊接接头需要具有与管线钢基材相近的性能，尤其是韧性[7]。焊接过程是一个特殊的局部加热与冷却过程，熔焊时在集中热源的作用下，焊缝两侧发生组织和性能变化的区域称为焊接热影响区[8](Heat Affected Zone，简称HAZ)。单道焊时，管线钢的HAZ根据焊接时热循环峰值温度的不同分为4个区域，分别是：粗晶热影响区(Coarse-Grained HAZ，简称CGHAZ，1 100～1 500 ℃)、细晶热影响区(Fine-Grained HAZ，简称FGHAZ，850～1 100 ℃)、部分再结晶热影响区(Intercritical HAZ，简称ICHAZ，750～850 ℃)和亚临界热影响区(Subcritical HAZ，简称SCHAZ，500～750 ℃)。

由于HAZ各区域距离焊缝的远近不同，所经受的热循环差异较大，因而焊接HAZ是一个具有组织梯度和性能梯度的非均匀连续体。目前国内外对管线钢HAZ的组织与性能研究已经取得了一些成果，这些成果包括HAZ的韧性与塑性分布，焊接热输入对HAZ组织和性能的影响等[9-13]，但针对抗大变形管线钢的HAZ组织和性能的研究还较少。部分再结晶区加速冷却是指通过始冷温度位于部分再结晶区(Ar3～Ar1)的加速冷却，以获取贝氏体-铁素体双相组织的一种冷却工艺[14]，抗大变形管线钢的组织主要为这种一软一硬的双相组织。因此，作者采用部分再结晶区加速冷却的方法制备了X100抗大变形管线钢，并采用焊接热模拟技术制备了不同焊接热影响区试样，对它们的组织和力学性能进行了研究，旨在为制定和优化X100抗大变形管线钢的焊接工艺提供一定的参考。

1试样制备与试验方法

1.1　试样制备

试验材料为国内某钢厂提供的X100管线钢板，厚14.8 mm，控轧控冷工艺轧制，终轧温度为780 ℃，其显微组织由粒状贝氏体和少量的多边形铁素体组成，晶粒较为粗大，如图1所示。

利用Baird Spectrovac 2000型直读光谱仪和LECO CS-444型红外碳硫分析仪对X100管线钢进行化学成分分析，结果见表1。

表1　X100管线钢的化学成分(质量分数)Tab.1　Chemical composition of X100 pipeline steel (mass)　%

图1　X100管线钢的显微组织Fig.1　Microstructure of X100 pipeline steel

在X100管线钢上截取尺寸为12 mm×12 mm×80 mm的试样进行部分再结晶区加速冷却处理，取样位置位于板厚中部，向板厚两侧加工，试样的长度方向垂直于钢板的轧制方向。将试样放入预升温至830 ℃(即始冷温度)的YFX65/160-YC型箱式电阻炉中，保温18.5 min后，水淬至室温，备用。

在热处理后的试样上截取11 mm×11 mm×80 mm热模拟试样，采用Gleeble-3500型热模拟试验机进行单道次焊接的热模拟试验。焊接热循环参数如表2所示，不同峰值温度下模拟焊接的试样代表着焊接热影响区的不同区域。

表2　焊接热循环参数Tab.2　Welding thermal simulation parameters

1.2　试验方法

按照GB/T 229-2007，将加速冷却处理前后的X100管线钢试样和热模拟试验制备的HAZ试样加工成尺寸为10 mm×10 mm×55 mm的标准夏比冲击试样，在NI500C型电子测力冲击试验机上进行冲击试验。试样开V型缺口，缺口沿板厚方向，试验温度-20 ℃。采用JSM-6390A型扫描电镜观察试样的冲击断口形貌。

分别在加速冷却处理后的X100管线钢和热模拟试验制备的HAZ试样上截取10 mm×10 mm×27.5 mm的金相试样，经砂纸磨制后抛光，用4%(体积分数)的硝酸酒精溶液腐蚀后，在RECHARTMEF3A型光学显微镜上观察其显微组织。

2试验结果与讨论

2.1　母材的显微组织与力学性能

由图2可以看出，X100管线钢经过加速冷却处理后，组织为粒状贝氏体和多边形铁素体；粒状贝氏体中均匀分布着细小的M-A组元。M-A组元中的残余奥氏体是一种韧性相，可降低裂纹尖端应力，消耗部分扩展功[15]。当裂纹遇到M-A组元后，将发生弯折，表现出对裂纹的阻滞作用。

由表3可以看出，处理后的X100管线钢依然保持了较高的强度，屈强比有所降低，均匀伸长率和形变强化指数有所提高。低的屈强比、高的均匀伸长率和形变强化指数会增强材料的极限应变能力[4]。由此可见，采用830 ℃×18.5 min加热后水淬的处理工艺使X100管线钢在保持高强度、高韧性的同时具备了较强的极限应变能力。结合显微组织与力学性能的分析可以认为经过部分再结晶区加速冷却处理后，得到了X100抗大变形管线钢。

图2　加速冷却处理后X100管线钢的显微组织Fig.2　Microstructure of X100 pipeline steel after acceleratedcooling treatment

表3　X100管线钢加速冷却处理前后的力学性能Tab.3　Mechanical properties of X100 pipeline steel before and after accelerated cooling treatment

2.2　热影响区的冲击功

由表4可以看出，不同HAZ试样的冲击功随着模拟热循环峰值温度的升高而降低；峰值温度为650 ℃时HAZ试样的冲击功为289.4 J，与母材的相近；峰值温度为1 300 ℃时的冲击功最低，为247.9 J，与母材的相比降低了17.3%。

表4　不同HAZ试样的冲击功Tab.4　Impact energy of different HAZ specimens

2.3　热影响区的显微组织

由图3可以看出，峰值温度为650 ℃时模拟得到的HAZ试样，其组织为粒状贝氏体和多边形铁素体，这是因为650 ℃的焊接热循环相当于对抗大变形管线钢进行了一次短时高温回火，对显微组织影响很小；峰值温度为850 ℃时，其奥氏体晶粒较为细小，组织较为均匀，这是因为随着温度的升高，焊接热影响区在加热和冷却过程中发生了部分再结晶；峰值温度为1 100 ℃时，热影响区组织发生了完全再结晶，晶粒尺寸大小不一，晶界上分布有大量富碳化合物；当峰值温度升高到1 300 ℃时，其热影响区的显微组织为粗大的板条状贝氏体，这是因为峰值温度过高，热影响区中微合金元素的碳、氮化物大量溶解，失去钉扎晶界的作用[16]，奥氏体晶粒在加热过程中互相吞并，导致晶粒严重长大，原奥氏体晶粒的晶界清晰。由于奥氏体晶粒粗大，使得过冷奥氏体转变的稳定性增加且非平衡的低温转变产物增多，组织中的贝氏体板条和板条间的M-A组元粗大，导致裂纹扩展所需的能量降低，冲击韧性下降[17]，与表4结果相符。

图3　不同峰值温度下HAZ的显微组织Fig.3　Microstructures of HAZ prepared at different peak temperatures

2.4　热影响区的冲击断口形貌

由图4可知，峰值温度为650 ℃时，模拟得到的HAZ试样的冲击断口形貌为等轴韧窝，韧窝较大较深，属于韧性断裂；当峰值温度为1 100 ℃时，热影响区试样的断口形貌也为韧窝，但与650 ℃下的相比韧窝小而浅，韧性相对较差；当峰值温度达到1 300 ℃时，热影响区试样发生穿晶断裂，断口表面上的韧窝全部消失，被河流状或扇形的解理小平面代替，断口形貌具有明显的解理特征，冲击韧性非常差。

图4　不同峰值温度制备HAZ试样的冲击断口形貌Fig.4　Impact fracture morphology of HAZ specimens prepared at different peak temperatures

3结论

(1) 采用部分再结晶区加速冷却方法得到了X100抗大变形管线钢，其组织为粒状贝氏体和多边形铁素体，试验钢在保持高强度高韧性的同时具有较强的极限应变能力。

(2) 模拟焊接热影响区试样的冲击功随模拟热循环峰值温度的升高而降低；当峰值温度为650 ℃时，其热影响区试样的冲击功变化不大，冲击断口呈等轴韧窝状，为韧性断裂；当峰值温度为1 300 ℃时，热影响区试样的冲击功最小，为247.9 J，比母材的降低了17.3%，冲击断口形貌具有明显的解理特征，为解理断裂。

(3) 当模拟热循环峰值温度为650 ℃时，模拟焊接热影响区试样的部分组织发生回火转变，组织仍为粒状贝氏体和多边形铁素体；峰值温度为850 ℃时，其热影响区发生部分再结晶；峰值温度为1 100 ℃时，热影响区晶粒尺寸不一，晶界分布有大量富碳化合物；峰值温度为1 300 ℃时原奥氏体晶粒粗大，组织中出现了粗大的贝氏体板条。

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导师：汪崇建研究员

导师：惠虎教授

Microstructure and Impact Energy of Heat Affected Zone

for X100 Pipeline Steel with High Deformation Resistance

LI Guang1, LI Xue-ping1,2, XU Xue-li1, ZHANG Xiao-yong1, GAO Hui-lin1, LIU Yan-ming1

(1.School of Materials Science and Engineering, Xi′an Shiyou University, Xi′an 710065, China；

2.School of Materials Science and Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China)

Abstract:The X100 pipeline steel with high deformation resistance was obtained by the critical region accelerated cooling method. The impact energy and microstructures of the heat affected zone (HAZ) specimens prepared by means of welding thermal simulation technology were investigated. The results show that the ultimate strain capability of the X100 pipeline steel with high deformation resistance was strong and the microstructure was composed of bainite and ferrite. The impact energy of the HAZ specimens prepared by weld simulation decreased with the rise of the thermal cycle peak temperature. When the peak temperature was 1 300 ℃, the impact energy reached the lowest value of 247.9 J, which was reduced by 17.3% comparing to that of base material, and then the fracture mode changed from ductile fracture to cleavage fracture. The rise of the thermal cycle peak temperature resulted in the recrystallization and grain coarseness in HAZ microstructure, and then decreased the toughness.

Key words:pipeline steel with high deformation resistance; welding thermal simulation; heat affected zone; impact energy

基金项目：国家质检公益性行业科研专项经费资助项目(201010027)

作者简介：卢运鹏(1989-)，男，湖北广水人，硕士研究生。 崔庆丰(1985-)，男，河南温县人，博士研究生。

收稿日期:2015-05-09； 2015-04-07；

修订日期:2015-10-21 2015-10-17

DOI:10.11973/jxgccl201512021 10.11973/jxgccl201512020

中图分类号：TG406

文献标志码：A

文章编号：1000-3738(2015)12-0080-04