X80管线钢焊接热影响区组织和性能分析

Ｘ　８０管线钢焊接热影响区组织和性能分析　陈延清　杜则裕　许良红　（首钢技术研究院）。（天津大学）　摘要采用焊接热模拟技术和金相显微组织分析技术，对首钢研制开发的Ｘ８０热轧板卷在不同焊接热循　环下的组织和力学性能变化规律进行了深入分析。结果表明，粗晶热影响区是Ｘ８０管线钢焊接热影响区中　冲击韧性较差的区域，脆化严重。粗晶热影响区脆化是由晶粒的粗化以及粒状贝氏体、上贝氏体和Ｍ—Ａ组　元等非平衡中温和低温转变产物增多所致，且其冲击韧性随着ｔ　的增加而降低。细晶热影响区是ＸＳＯ管　线钢焊接热影响区的软化区域，软化程度随着焊接热输入的增加而提高。　关键词Ｘ８０粗晶热影响区　冲击韧性显微组织　Ｔｈｅ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｈｔｅ　Ｈｅａｔ　Ａｆｆｅｃｔｅｄ　Ｚｏｎｅ　ｏｆ　Ｘ８０　Ｐｉｐｅｌｉｎｅ　Ｓｔｅｅｌ　ＣＨＥＮ　Ｙａｎｑｉｎｇ　’　ＤＵ　Ｚｅｙｕ　ＸＵ　Ｌｉａｎｇｈｏｎｇ　（Ｓｈｏｕｇａｎｇ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）　（Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｒｅ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ　ｔｈｅ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｅａｔ　ａｆｆｅｃｔｅｄ　ｚｏｎｅ（ＨＡＺ）ｏｆ　Ｘ８０　ｈｏｔ　ｒｏｌｌｅｄ　ｓｔｒｉｐ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｈｅａｔ　ｃｙｃｌｅｓ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｏａｒｓｅ—　ｇｒａｉｎ　ｚｏｎｅ　ｅｘｉｓｔｅｄ　ｉｎ　ＨＡＺ　ｈａｓ　ｗｅａｋｅｒ　ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｓｅｒｉｏｕｓ　ｂｒｉｔｔｌｅｎｅｓｓ．Ｔｈｅ　ｂｒｉｔｌｔｅｎｅｓｓ　ｏｆ　ｃｏａｒｓｅ—　ｚｏｎｅ　ａｓｃｒｉｂｅｓ　ｔｏ　ｃｏａｒｓｅ　ｇｒａｉｎ　ｓｉｚｅ，ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｑｕａｎｔｉｔｙ　ｏｆ　ｇｒａｎｕｌａｒ　ｂａｉｎｉｔｅ　ａｎｄ　ｕｐｐｅｒ　ｂａｉｎｉｔｅ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｏｔｈｅｒ　ｕｎｂａｌａｎｃｅ　ｌｏｗ　ａｎｄ　ｍｉｄｄｌｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．Ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｔｏｕｇｈＨｅｓｓ　ｏｆ　ｃｏａｒｓｅ・ｇｒａｉｎ　ｚｏｎｅ　ｄｅｃｒｅａｓｅｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔ８／５．Ｒｅｆｉｎｅｄ—ｇｒａｉｎ　ｚｏｎｅ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｓｏｆｔｅｎｉｎｇ　ｚｏｎｅ　ｉｎ　ＨＡＺ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｏｆｔｅｎｉｎｇ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｈｅａｔ　ｉｎｐｕｔ．　Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ　Ｘ８０，ｃｏａｒｓｅ—ｇｒａｉｎ　ｚｏｎｅ，ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ，ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　随着油气输送管道高压、大管径技术的发　脆化已越来越受到关注。通过采用热模拟技术、　展，油气管线对管线钢韧性、强度和焊接性的要　显微组织分析技术和夏比冲击试验，对Ｘ８０管　求越来越高，高性能管线钢的开发日益受到关　线钢热影响区的不同区域的组织和性能变化规律．　注。目前，Ｘ８０管线钢作为新一代高性能管线钢　进行了深入分析，并指出了热影响区中韧性最薄　已进入规模化应用阶段，国家西气东输二线工程　弱的区域。　已大量采用Ｘ８０管线钢。通过微合金化和控轧　控冷技术，Ｘ８０管线钢母材的强韧性已基本满足　１试验方法　工程需要，但经过焊接热循环后，热影响区中的　晶粒粗化和组织恶化将使热影响区的性能与管线　试验材料选用首钢研制的Ｘ８０热轧板卷，　钢的性能严重不匹配，制约了Ｘ８０管线钢在工　板卷厚度为１８．４　ｍｍ，供货状态为热轧态，其屈　业上的进一步应用¨　，ＸＳ０管线钢热影响区的　服强度为５６０　ＭＰａ、抗拉强度为７２０　ＭＰａ、一２０　陈延清：１９９３年毕业于天津大学，硕士，现在技术研究院从事金属焊接　性研究和焊接材料开发工作，高级工程师。收稿／２００９－０６—２４　℃冲击吸收功为３２０　Ｊ、维氏硬度为２４０。试验　用Ｘ８０管线钢的化学成分见表１。　％　表１　试验用ＸＳＯ管线钢的化学成分　焊接热模拟试验在Ｇｌｅｅｂｌｅ－２０００试验机上进　行，试样尺寸为８０　ｍｌｎ×１１　ｍｍ×１１　ｍｍ，峰　值温度分别取１　３４０，１　２００，１　１００，１　０００，　９００，８００℃，ｔ８／５（８００—５００　ｏＣ的冷却时间）　分别取ｌＯ，４０　ｓ，加热速度为２００　ｏＣ／ｓ，峰值停　留时间为１　ｓ。其中，１　３４０，１２００　ｏＣ对应于热　影响区中的粗晶区，９００　ｏＣ对应于热影响区中的　细晶区，８００　ｏＣ对应于热影响区域母材交界处的　临界区。另外，为深入研究ｔ。　对１　３４０　ｏＣ粗晶　区韧性的影响，ｔ８／５分别取ｌ０，２Ｏ，４０，６０，　８０，１００　ｓ进行热模拟试验。冲击试验按照　ＧＢ２６５０－－２００８《焊接接头冲击试验方法》在　２　２　Ｚｗｉｃｋ冲击试验机上进行。光学金相组织观察在　∞卯　∞ＯＬＹＭＰＵＳ　Ｌｅｘｔ３１００显微镜上进行，断口观察在　Ｈｉｔａｃｈｉ　Ｓ一３４００Ｎ扫描电镜上进行。　２试验结果及分析　２．１热影响区中不同区域冲　击韧性和硬度的分布规律　Ｘ８０管线钢热影响区中不同区域冲击韧性的　分布规律如图１所示。　督　是　峰值温度／℃　图ｌ　Ｘ８０管线钢热影响区中不同区域　冲击韧性的分布规律　由图１可见，在峰值温度高于１　１００℃的　粗晶区，冲击吸收功较低，特别是在热输人较大　（ｔ　＝４０　ｓ）的情况下，粗晶区冲击吸收功更　低，成为整个热影响区中韧性最薄弱的区域；当　峰值温度处于９００℃细晶区时，热影响区的冲　击吸收功最高；当峰值温度降到８００　ｏＣ时，进　入临界区，热影响区的冲击吸收功又有所降低，　成为热影响区中另一个韧性较薄弱的区域。　Ｘ８０管线钢热影响区中不同区域硬度的分布　规律如图２所示。　蟥　２　２　２　２　如加　ｍ∞　８００　９００　１　０ｏｏ　ｌ１００　１　２ｏｏ　ｌ　３ｏ０　１　４００　峰值温度／￣Ｃ　图２　Ｘ８０管线钢热影响区中不同区域　硬度的分布规律　由图２可见，粗晶区的硬度最高，而细晶区　的硬度最低，即Ｘ８０管线钢热影响区软化区在　细晶区。且随着ｔ　的增加，热影响区的软化程　度提高。　２．２不同热循环下粗晶区的冲击韧性和硬度　粗晶区是热影响区中韧性较差的区域，其韧　性的高低取决于焊接热输入。ｔ　对Ｘ８０管线钢　粗晶区冲击吸收功的影响如图３所示。　＋甘　是　图３　ｆＢ／５对Ｘ８０管线钢粗晶区冲击吸　收功的影响　２　由图３可见：　化，且软化程度随　的增加而提高。　不同ｔ８／５下Ｘ８０管线钢粗晶区热模拟试样冲　击断口形貌见图５。　由图５可见，当ｔ８／５＝１０　ｓ（热输人较小）　１）随着ｔ　的增加，粗晶区的冲击吸收功　随之降低，特别是当ｔ　大于４０　ｓ时，粗晶区的　韧性严重恶化，与母材相比其韧性下降幅度约达　８０％。　时，热影响区冲击断口的剪切唇较大，且断口上　分布着大量的细小韧窝，具有明显的韧性断裂特　征；而随着热输入的增加，冲击断口上的剪切唇　减少，断口较为平整，且断口上韧窝的数量急剧　减少，河流和扇形解理花样增多，呈现出准解理　２）随着冲击温度的降低，不同热输入下粗　晶区的冲击吸收功随之降低，说明试验用钢具有　明显的韧脆转变特性。　ｆ　对Ｘ８０管线钢粗晶区硬度的影响如图４　所示。　或解理的断裂特征；当ｔ　增加到４０　ｓ时，断口　为完全的解理断裂断口，呈现出明显的脆性断裂　特征。　２．３不同热循环下热影响区的显微组织　不同峰值温度下Ｘ８０管线钢热影响区的组　织形貌见图６。　由图６可见，焊接热影响区中峰值温度不　图４　ｔ　对Ｘ８０管线钢粗晶区硬度的影响　由图４可见，随着ｔ　的增加，粗晶区的硬　度逐渐降低。当ｔ　大于４０　ｓ时，粗晶区开始软　同，则热影响区不同区域的组织不同。当峰值温　度为１　０００～１　３４０℃时，热影响区的组织为粒　状贝氏体；当峰值温度为９００℃时，热影响区　的组织为铁素体＋粒状贝氏体；当峰值温度降为　８００　ｏＣ的临界区时，热影响区的组织以铁素体＋　颗粒状碳化物为主。　（ｂ）　（ｃ）　（ａ）１０　ｓ；（ｂ）４０　ｓ；（ｃ）８０　；（ｄ）１００　ｓ　（ｄ）　图５　不同ｔｓ／５下Ｘ８０管线钢粗晶区热模拟试样冲击断口形貌　（ｂ）　（ｄ）　（ａ）１　３４０℃；（ｂ）１　０００℃；（ｃ）９０Ｏ℃；（ｄ）８００℃；（ｅ）母材　图６不同峰值温度下Ｘ８０管线钢热影响区的组织形貌　颗粒状碳化物分布不均匀是导致临界区韧性　恶化的主要原因之一［　。测量发现，不同峰值温　度下热影响区的晶粒尺寸存在较大区别，在峰值　温度为９００　ｏＣ的细晶区，晶粒尺寸仅有６　ｍ左　剧长大；当峰值温度升至１　３４０　ｏｃ时，晶粒尺　寸达到５０　ｐＬｍ。　在不同的焊接热循环作用下，Ｘ８０管线钢粗　晶区的组织存在较大的区别。不同ｔ　下Ｘ８０管　线钢粗晶区热模拟试样的金相组织形貌见图７。　右；当峰值温度升至１　２００　ｏＣ时，晶粒发生急　（ｂ）　（ａ）１０　ｓ；（ｂ）６０　ｓ；（ｃ）１００　图７　不同ｔ８／５下Ｘ８０管线钢粗晶区热模拟试样的金相组织形貌　由图７可见，粗晶区中晶粒显著长大，其　条状贝氏体。随着热输入的增加，细小的板条状　长大程度取决于热输入。随着热输入的增加，原　始奥氏体晶粒尺寸随之增加，因此，不同的ｔ　下粗晶区的晶粒尺寸存在较大区别。当￡　为１０　ｓ时，原始奥氏体晶粒平均尺寸为５０　ｍ；而当　￡　为１００　ｓ时，原始奥氏体晶粒平均尺寸达到　１００　ｍ。同时，ｔ　对粗晶区的组织形态也有强　烈的影响。当热输入较小时，主要形成细小的板　贝氏体数量减少，板条束问宽度和板条束间碳化　物的宽度也随之增加，且粒状贝氏体的数量增　多。这种粗大的板条束几乎平行生长，贯穿整个　奥氏体晶粒，其间粗大的碳化物易于萌生裂纹或　易成为裂纹的扩展通道，导致粗晶区的韧性急剧　下降。　粗晶区韧性降低的另一个原因就是形成了大　量的Ｍ－Ａ（马氏体一残余奥氏体）组元等非平衡　态转变产物　Ｊ，且随着热输入的增加，Ｍ—Ａ组　元的数量和尺寸均有较大程度的增加，导致粗晶　区的韧性降低。另外，ＸＳ０管线钢中含有铌和钛　等沉淀强化元素，这些元素在晶内和晶界上形成　复合的碳氮化合物颗粒，对粗晶区晶粒的长大有　一定的抑制作用，但由于ＮｂＮ和ＮｂＣ的溶解温　度相对较低，在峰值温度较高的粗晶区，这些颗　粒基本完全溶解，而由于ＴｉＮ颗粒溶解温度较　高，所以ＴｉＮ颗粒能够很好地抑制粗晶区晶粒的　长大。Ｘ８０管线钢粗晶区中的Ｍ—Ａ组元和ＴｉＮ　颗粒见图８。　（ａ）　（ａ）Ｍ－Ａ组元；（ｂ）ＴｉＮ颗粒　（ｂ）　图８　Ｘ８０管线钢粗晶区中的　组元和ＴｉＮ颗粒　３结　论　参考文献　１）粗晶区是Ｘ８０管线钢焊接热影响区中韧　１李鹤林．天然气输送钢管研究与应用中的几个热点问　题．中国工程机械，２００１（３）：３４９—３５２　性较低的区域，其韧性恶化是由晶粒长大及上贝　氏体、粒状贝氏体和Ｍ—Ａ组元等非平衡中温和　低温转变产物的增多所致，且随着ｔ８／５的增加，　粗晶区的韧性和硬度均随之降低。　２刘恒，高惠临，丁学光．焊接热循环对ＸＳ０管线钢粗　晶区组织性能的影响．热加工工艺，２０Ｏ７（７）：４－６　３薛小怀，周　昀，钱百年等．Ｘ８０管线钢焊接粗晶　区组织与韧性的研究．上海交通大学学报，２００３　（１２）：１　８５４－１　８５７　２）细晶区是Ｘ８０管线钢焊接热影响区的软　化区域，硬度下降明显，且软化程度随着热输入　的增加而提高，但其韧性较高。　３）当ｔ　较小时，Ｘ８０管线钢焊接热影响　４李亚江，邹增大，陈祝年等．焊接热循环对ＨＱ１３０　钢热影响区组织及性能的影响．金属学报，１９９６　（５）ｌ　５３２－５３７　区粗晶区组织主要为板条贝氏体；随着　的增　５徐学利，辛希贤，石凯等．焊接热循环对Ｘ８０管线　钢粗晶区韧性和组织的影响．焊接学报，２００５（８）：　６９—７２　加，板条贝氏体数量减少，粒状贝氏体增多，且　板条束问的宽度和板条束问碳化物的宽度也随之　增加。　编Ｕｔ／高东梅