X80管線鋼焊接局部脆化區(qū)斷裂韌性的研究

1、    X80管線鋼焊接局部脆化區(qū)斷裂韌性的研究                         更新時(shí)間：2009-07-09 15:18:45              

2、60;              序言   為適應(yīng)長(zhǎng)輸油氣管線大口徑、高壓輸送的發(fā)展需要，X80高性能管線鋼的研制和開發(fā)正日益受到重視，我國(guó)正在擬建X80鋼級(jí)的管線。目前，通過微合金化，超純凈冶煉和現(xiàn)代控軋、控冷技術(shù)，冶金部門已可提供具有足夠強(qiáng)韌性的管線鋼板卷。然而，這種高性能管線鋼在焊接過程中組織惡化和性能損傷的問題仍未很好地解決，這是高性能管線鋼研究開發(fā)和應(yīng)用中一個(gè)需要深入研究的問題。本文采用物理模擬技術(shù)，工程測(cè)試手段和顯微分析方法，對(duì)高性能

3、X80管線鋼在焊接熱過程中的性能特征和組織變化規(guī)律進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究。 1 試驗(yàn)材料 試驗(yàn)材料為X80管線鋼，板厚14.6mm。X80管線鋼的化學(xué)成分如表1，常規(guī)力學(xué)性能如表2。 表1 試驗(yàn)用X80管線鋼的化學(xué)成分 （wt%） C Si Mn P S Nb V Ti Cr Mo Ni Cu Al B 0.065 0.24 1.85 0.011 0.0028 0.057 0.005 0.024 0.022 0.34 0.38 0.01 / 0.0006 表2   試驗(yàn)鋼常規(guī)力學(xué)性能 s (MPa) sb (MPa) (%) s/sb 567 739 33.0 0.77 2 焊

4、接熱模擬試驗(yàn) 工程上管線鋼熱影響區(qū)沖擊試驗(yàn)所獲得的韌性值，實(shí)際上是母材、焊縫和熱影響區(qū)性能的平均值，并未反映熱影響區(qū)的真實(shí)情況。欲了解熱影響區(qū)韌性的真實(shí)分布，尋求焊接接頭的最薄弱部位，建立焊接工藝參數(shù)與組織性能間的關(guān)系，應(yīng)采用建立在焊接傳熱學(xué)和物理冶金學(xué)基礎(chǔ)上的數(shù)學(xué)模擬和物理模擬技術(shù)1-3。 管線鋼在焊接熱過程中所形成的熱影響區(qū)如圖1所示1。可見，由于焊接熱量傳遞的影響，焊接熱影響區(qū)呈現(xiàn)一種不同區(qū)域組成的梯度組織。為獲取熱影響區(qū)中經(jīng)歷不同峰值溫度的不同區(qū)域的組織和性能，采用的熱模擬參數(shù)如表3所示。為了模擬粗晶區(qū)在不同規(guī)范下的組織性能，采用的參數(shù)如表4所示。熱模擬試驗(yàn)在Gleeble 1500熱

5、模擬機(jī)進(jìn)行。試樣尺寸為101055mm。 圖1  管線鋼HAZ示意圖 表3 不同峰值溫度的焊接熱模擬參數(shù) E(KJ/cm) 加熱速度（/s） t8/5（s） 峰值溫度（） 20 130 20 1300,1100,950, 850,650 表4  CGHAZ焊接熱模擬的參數(shù) 加熱速度 （/s） 峰值溫度 （） t8/5 （s） 層間溫度 （） 130 1300 3，5，10，20， 40，70，100 200 沖擊試驗(yàn)在TINIUS OLSEN試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。采用101055 Charpy試樣。試樣位于板厚中部（沿板厚方向兩側(cè)加工）沿板材橫向取樣，缺口沿板厚方向，試驗(yàn)溫度為-2

6、0。 3 試驗(yàn)結(jié)果 3.1焊接熱影響區(qū)不同區(qū)域的韌性分布 X80焊接HAZ不同區(qū)域的沖擊試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。圖2 X80焊接HAZ不同區(qū)域韌性分布規(guī)律 上述試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)焊接加熱溫度超過1100時(shí)，X80熱影響區(qū)的韌性開始降低。一旦焊接加熱溫度達(dá)到1300，進(jìn)入粗晶熱影響區(qū)（CGHAZ）時(shí)，則韌性最差，成為熱影響區(qū)的韌性谷區(qū)。試驗(yàn)結(jié)果表明，950以下的焊接熱過程，對(duì)材料的韌性沒有大的損害。 粗晶熱影響區(qū)（CGHAZ）性能降低的主要原因是晶粒的長(zhǎng)大。粗晶熱影響區(qū)（CGHAZ）的晶粒度已接近5級(jí)，因而其韌性損傷最為嚴(yán)重。 粗晶熱影響區(qū)（CGHAZ）性能惡化的另一原因歸結(jié)于組織形態(tài)的變化2-3。焊

7、接熱影響區(qū)中不同峰值溫度的差異，使HAZ中不同區(qū)域形成的組織各異。處于CGHAZ臨界溫度（1100）上、下的組織出現(xiàn)十分明顯的差異。分析表明，在焊接熱過程高溫階段形成的粗晶區(qū)中，由于晶粒粗大，使得奧氏體轉(zhuǎn)變的穩(wěn)定性增加和非平衡的低溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物增多，因而在CGHAZ中可以觀察到少量上貝氏體。由于上貝氏體條間的碳化物易于萌生裂紋或成為裂紋擴(kuò)展的通道，致使材料的韌性降低。 3.2焊接規(guī)范對(duì)粗晶區(qū)組織性能的影響 為了提出試驗(yàn)鋼X80優(yōu)化的焊接工藝參數(shù)，重點(diǎn)研究了焊接熱輸入對(duì)粗晶熱影響區(qū)（HGHAZ）組織和性能的影響。試驗(yàn)鋼X80模擬粗晶熱影響區(qū)（CGHAZ）夏比沖擊韌性的變化規(guī)律如圖3。上述試驗(yàn)結(jié)果表明

8、，當(dāng)焊接熱輸入E為20 KJ/cm時(shí)，CGHAZ可獲得最佳韌性水平。因此，E=20 KJ/cm可作為試驗(yàn)鋼X80制管埋弧焊的推薦焊接規(guī)范。當(dāng)焊接熱輸入E為10-15 KJ/cm時(shí)，試驗(yàn)鋼X80仍有足夠的韌性水平。因此，E=10 KJ/cm可作為試驗(yàn)鋼X80鋼管現(xiàn)場(chǎng)環(huán)焊的推薦焊接規(guī)范。值得注意的是，該X80不適宜用于大規(guī)范的焊接施工。當(dāng)焊接熱輸入超過40 KJ/cm時(shí)，其韌性已嚴(yán)重惡化。圖3. 不同焊接規(guī)范下CGHAZ韌性的變化規(guī)律 X80是一種高性能的針狀鐵素體鋼。這種針狀鐵素體鋼的電子顯微圖像如圖4所示?？梢娖叫猩L(zhǎng)的板條束，板條界間分布有島狀組織，板條晶內(nèi)有纏結(jié)的位錯(cuò)，局部區(qū)域還可見相變孿

9、晶。在這種X80鋼中，與針狀鐵素體伴生的還可見少量塊狀鐵素體組織，如圖5所示。 圖4 母材中針狀鐵素體板條  ×20000 圖5 母材中塊狀鐵素體  ×20000 具有針狀鐵素體形態(tài)特征的這種X80管線鋼經(jīng)受不同焊接規(guī)范的熱過程后，其顯微組織發(fā)生較大的變化。圖6是在不同的焊接熱輸入下，試驗(yàn)鋼X80粗晶熱影響區(qū)（CGHAZ）的光學(xué)金相。 (a)  E10KJ/cm (b)  E20KJ/cm (c)  E40KJ/cm 圖6   不同焊接熱輸入下的CGHAZ光學(xué)金相  ×500 仔細(xì)觀察

10、圖6的一組光學(xué)金相可以發(fā)現(xiàn)，不同的焊接熱輸入促使CGHAZ的晶粒發(fā)生程度不同的長(zhǎng)大。同時(shí)，焊接熱輸入也強(qiáng)烈的影響了CGHAZ組織形態(tài)的變化。 在較低的焊接熱輸入下，可以觀察到相當(dāng)數(shù)量的板條馬氏體組織(圖6(a)。在TEM下，這種馬氏體組織如圖7所示。選區(qū)電子衍射表明，這種組織由馬氏體板條和板條界間的殘余奧氏體組成。雖然這種殘余奧氏體是一種韌性相，但由于馬氏體板條的過飽和固溶，使得CGHAZ的韌性未能達(dá)到最佳狀態(tài)4。圖7 CGHAZ中的板條馬氏體（E=10 KJ/cm）×20000 在較高的焊接熱輸入下，由于冷卻速度的降低，已出現(xiàn)少量塊狀鐵素體和珠光體(見圖6(c)。在TEM下，這種組

11、織特征揭示得更為清晰。等軸的鐵素體（圖8）和等軸鐵素體與珠光體共存（圖9）的景象時(shí)而可見。在高的焊接熱輸入下，由于這種鐵素體+珠光體組織部分代替了針狀鐵素體，致使CGHAZ性能嚴(yán)重惡化。圖8  CGHAZ中的塊狀鐵素體 ×14000 圖9  CGHAZ中的塊狀鐵素體和珠光體 ×14000 在中等焊接熱輸入下（如E=20 KJ/cm），X80 CGHAZ表現(xiàn)了較好的強(qiáng)韌配合。圖6（b）為這種焊接熱過程中形成的針狀鐵素體的光學(xué)金相。在TEM連續(xù)拍攝的視域中，可觀察到這種針狀鐵素體的細(xì)小、密集的分布形態(tài)（圖10）。仔細(xì)觀察表明，這種針狀鐵素體經(jīng)常從原奧氏體的晶

12、界以不同的位向插入晶內(nèi)（圖10），因而使得鋼材的有效晶粒尺寸減小，從而有利于強(qiáng)韌性的提高。在高的熱輸入下，在原奧氏體晶界并不呈現(xiàn)這種形態(tài)（圖11），因而不利于韌性的提高。圖10 沿晶界不同位向生長(zhǎng)的針狀鐵素體（E=20 KJ/cm ） ×20000 圖11 晶界附近的塊狀組織（E=50 KJ/cm ） ×20000 在中等焊接熱輸入下，除形成針狀鐵素體外，還可觀察到下貝氏體的存在。圖12中不同區(qū)域的TEM圖像揭示了這種有利于韌性的下貝氏體組織形態(tài)。圖12   CGHAZ中的下貝氏體 ×20000 4 結(jié)論 (1) X80在焊接加熱溫度為1300時(shí)所形成的粗晶區(qū)韌性最低，是受焊區(qū)的薄弱環(huán)節(jié)。950以下的焊接熱過程，對(duì)管線鋼的韌性沒有大的損害。 (2)粗晶熱影響區(qū)性能惡化的主要原因是高溫引起的晶粒長(zhǎng)大。由于晶粒粗大而引起的非平衡低溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的增多也是引起性能惡化的主要因素。 (3)當(dāng)焊接熱輸入為20KJ/cm時(shí)，試驗(yàn)鋼X80粗晶熱影響區(qū)可獲得最佳的韌性水平，可作為X80制管埋弧焊的推薦焊接規(guī)范。導(dǎo)致韌性提高的原因是多位向分布的針狀鐵素體和細(xì)小的有效晶粒尺寸。形成的少量下貝氏體也為韌性的提高作出了貢獻(xiàn)。 (4) 當(dāng)焊接熱輸入為10KJ/cm，試驗(yàn)鋼X80也