Cr含量對低合金耐蝕管線鋼焊接接頭組織和性能的影響

1、第31卷2010年第3期3月材料熱處理學(xué)報Vol.31MarchNo.32010TRANSACTIONSOFMATERIALSANDHEATTREATMENTCr含量對低合金耐蝕管線鋼焊接接頭組織和性能的影響胡麗華，張雷，許立寧，路民旭（北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100083）摘要：采用鎢極氬孤弧焊（TIG）對Cr含量為1wt%5wt%的低合金耐蝕管線鋼進(jìn)行焊接，研究Cr含量對焊接接頭組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，隨著低合金耐蝕管線鋼中Cr含量提高，粗晶熱影響區(qū)晶粒尺寸變大，熔合區(qū)組織不均勻，易出現(xiàn)淬硬組織。隨Cr含量提高，焊接接頭的硬度呈上升趨勢，沖擊韌性呈下降趨勢，尤其當(dāng)Cr含

2、量達(dá)5wt%時，硬度的提高和沖擊韌性的可得到硬度適中、韌性較高的焊接接頭。下降尤為明顯。低合金耐蝕管線鋼的Cr含量不超過3wt%時，關(guān)鍵詞：低合金耐蝕管線鋼；中圖分類號：TG406Cr含量；焊接接頭；組織；力學(xué)性能文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A6264（2010）03-0092-05文章編號：1009-EffectsofCrcontentonmicrostructureandpropertiesoflowalloycorrosionresistantpipelinesteelweldjointsHULi-hua，ZHANGLei，XULi-ning，LUMin-xu（SchoolofMaterialsScie

3、nceandEngineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China）Abstract：Lowalloycorrosionresistantpipelinesteelscontaining1wt%5wt%Crwereweldedbytungsteninertgaswelding（TIG），andtheeffectofCrcontentonmicrostructureandmechanicalpropertiesoftheweldjointswereinvestigated.Theresultsshowthat

4、，withCrcontentincreasing，grainsizeofheat-affectedzonewithcoarsegrainincreases，inhomogeneousmicrostructureisobservedinfusionzone，andhardenedphasestendtobepresentintheweldjoint.WithCrcontentincreasing，hardnessoftheweldjointincreasesanditsimpacttoughnessdecreases，especiallywhenCrcontentisupto5wt%.Thewe

5、ldjointswithproperhardnessandhighertoughnesscanbeobtainedwhentheCrcontentoflowalloycorrosionresistantpipelinesteelisnomorethan3wt%.Keywords：lowalloycorrosionresistantpipelinesteel；Crcontent；weldjoint；microstructure；mechanicalproperties根據(jù)我國能源戰(zhàn)略的需求，陸上及海底管道開始大規(guī)模建設(shè)，對管線鋼性能的要求也日益苛刻，如石H2S會引起管道嚴(yán)重腐蝕，油天然氣介質(zhì)中的

6、CO2、誘發(fā)安全事故并造成經(jīng)濟(jì)損失。盡管潔凈冶煉和現(xiàn)代控軋控冷技術(shù)的發(fā)展使管線鋼的強(qiáng)度、韌性等力學(xué)性能不斷得到提高，但對其耐蝕性等服役性能的改善仍十分有限，開發(fā)耐蝕性較好的低合金耐蝕管線鋼已12。由于添加少量Cr成為國內(nèi)外研究的熱點問題元素即可使碳鋼表面腐蝕產(chǎn)物結(jié)構(gòu)發(fā)生改變并提高其抗CO2腐蝕能力，因此Cr的合金化是低合金耐蝕管線鋼發(fā)展的重點34含Cr低合金耐蝕管線鋼焊接接頭硬度偏高、韌性不足，在提高焊接接頭綜合力學(xué)性能方面可能存在一定難度1，6。但國內(nèi)外在該方面的研究尚少，對焊接接頭的組織與力學(xué)性能之間的關(guān)系等許多問題尚未清楚，無法為含低Cr低合金耐蝕管線鋼開發(fā)和應(yīng)用提供依據(jù)。為進(jìn)一步揭示C

7、r含量對低合金耐蝕管線鋼焊接性能的影響規(guī)律，本文采用鎢極氬弧焊（TIG焊）對含1wt%5wt%Cr的低合金耐蝕管鋼進(jìn)行焊接，研究Cr含量對焊接接頭的組織、硬度和沖擊韌性的影響，確定低合金耐蝕管線鋼的最佳Cr含量。但Cr元素的加入會使低合金耐蝕管線鋼碳當(dāng)量或焊接冷裂紋敏感性指數(shù)提高，5提高淬硬傾向，影響焊接性能。國外有研究認(rèn)為，02-24；收稿日期：2009-基金項目：作者簡介：10-03修訂日期：2009-1實驗材料及方法低合金耐蝕管線鋼實驗材料經(jīng)實驗室冶煉制備，3wt%、5wt%（以下分別設(shè)計Cr含量分別為1wt%、北京市自然基金重大項目（3080001）胡麗華（1980），女，博士研究生，

8、主要從事低合金耐蝕3Cr、5Cr），簡稱為1Cr、軋制成10mm厚的鋼板，再經(jīng)線切割加工成所需要的試樣。焊絲采用Cr含量為2.的（：G），62332458，E-發(fā)表論文4，mail：。第3期胡麗華等：Cr含量對低合金耐蝕管線鋼焊接接頭組織和性能的影響93的化學(xué)成分。焊接板厚度為10mm，開V型坡口，坡口角度=（60±5）°，鈍邊b=（2±0.5）mm，間隙c=（2±0.5）mm。為確保得到質(zhì)量較好的焊接接頭，采用TIG焊，由于低合金耐蝕管線鋼添加了1wt%5wt%Cr元素，碳當(dāng)量提高，為防止焊接熱影響區(qū)產(chǎn)4生冷裂紋，故選擇焊前預(yù)熱及層間溫度為200，焊接

9、工藝參數(shù)見表2。1000TM型硬度計測試焊接各區(qū)域組織，采用HXD-接頭各區(qū)域顯微硬度，載荷為200g。按照GB2649-89焊接接頭機(jī)械性能試驗取樣方法從焊接板上切300B沖擊試驗機(jī)進(jìn)行夏比沖取沖擊試樣。采用JB-擊試驗，試樣尺寸為55mm×10mm×5mm，在試樣中間開2mm的V型缺口，缺口位置分別開在母材、熱影響區(qū)、熔合區(qū)及焊縫中心，實驗溫度為30，1450掃描電鏡觀察沖擊試樣斷口形貌。采用LEO-表1Table1Material1Cr3Cr5CrWeldingwireC0.070.070.070.03母材及焊絲化學(xué)成分（wt%）Chemicalcomposition

10、ofbasemetalandweldmetal（wt%）Si00.50Mn0.550.550.551.15Cr1.003.005.002.23Mo51.05FeBal.Bal.Bal.Bal.2.1實驗結(jié)果和分析組織觀察1Cr為圖1為低合金耐蝕管線鋼母材顯微組織，3Cr、5Cr組織呈不規(guī)則多邊形鐵素體加少量珠光體，鐵素體貝氏體（或稱無碳貝氏體）特征，該組織在原奧氏體晶內(nèi)形成大致平行且起源于奧氏體晶界的條狀鐵素體束，在貝氏體相變區(qū)的上部溫度范圍內(nèi)形成，鐵素體內(nèi)不含碳或近于無碳，富碳奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物及殘余奧氏體分布在鐵素體板條間。Cr元素溶入延長了珠光體轉(zhuǎn)

11、變的奧氏體后提高了奧氏體穩(wěn)定性，孕育期，降低了珠光體轉(zhuǎn)變速率，使C曲線右移，導(dǎo)致貝氏體轉(zhuǎn)變更易發(fā)生組織呈現(xiàn)貝氏體特征。7表2Table2Current/A80100Voltage/V12TIG焊焊接工藝參數(shù)ParametersofTIGweldingTungstenpolardiameter/mm1.6Protectgasflowing/（L·min1）67。因此，隨著Cr含量增加，4%硝酸酒精溶液侵從焊接板上截取金相試樣，蝕，利用LeicaDM2500M金相顯微鏡觀察焊接接頭圖1Fig.1低合金耐蝕管線鋼母材組織（a）1Cr；（b）3Cr；（c）5Cr（a）1Cr；（b）3Cr；（

12、c）5CrMicrostructureoflowalloycorrosionresistantpipelinesteels普通碳鋼管線鋼焊接接頭由于合金含量較低，焊縫組織一般由沿奧氏體邊界析出的先共析鐵素體和晶內(nèi)有方向性的細(xì)小針狀鐵素體組成。當(dāng)焊縫金屬中添加了Cr等合金元素后，焊縫組織發(fā)生改變，先共析鐵素體和針狀鐵素體隨Cr含量增加呈快速減少趨M-A相彌散分布在基勢，鐵素體逐漸被貝氏體取代，8體相中。低合金耐蝕管線鋼焊接接頭焊縫區(qū)組織3種焊接接頭焊縫由于采用同種焊絲，如圖2所示，含量提高，鐵素體晶粒尺寸減小，所占比例降低，粒狀貝氏體比例相應(yīng)提高。圖3為低合金耐蝕管線鋼焊接接頭中熔合區(qū)（FZ）組

13、織。1Cr焊接接頭熔合區(qū)組織較均勻，焊縫與熱影響區(qū)以多邊形鐵素體和粒狀貝氏體自然過渡。母材Cr含量提高對接頭熔合區(qū)有顯著影響，當(dāng)Cr含量提高至3wt%時，盡管焊縫金屬與母材Cr含量十分但熔合區(qū)仍呈現(xiàn)明顯的不均勻性，部分區(qū)域以接近，94材料熱處理學(xué)報第31卷Cr含量提高至5wt%時，焊接接頭熔合區(qū)存在明顯鋸齒狀的熔合分界線，熔合線兩側(cè)組織存在顯著差異。這種熔合區(qū)的組織不均勻特性，將會對沖擊韌性產(chǎn)生較大的影響。圖2Fig.2焊縫組織（a）1Cr；（b）3Cr；（c）5CrMicrostructureofweldmetals（WM）（a）1Cr；（b）3Cr；（c）5Cr圖3Fig.3熔合區(qū)組織（a

14、）1Cr；（b）3Cr；（c）5Cr（a）1Cr；（b）3Cr；（c）5CrMicrostructureoffusionzone（FZ）圖4為低合金耐蝕管線鋼焊接接頭的粗晶熱影響區(qū)組織。1Cr焊接接頭粗晶熱影響區(qū)晶粒長大不明顯，組織以多邊形塊狀鐵素體為主，存在極少量粒狀貝氏體。3Cr和5Cr焊接接頭粗晶熱影響區(qū)中的原奧氏體晶粒發(fā)生明顯長大，這可能是因為該區(qū)域所經(jīng)歷的熱循環(huán)過程超過了碳化物、氮化物等彌散化合物的溶解溫度，對晶界遷移的阻礙作用消失，晶粒迅速長大，晶內(nèi)組織在冷卻過程中大部分轉(zhuǎn)變成粒狀貝氏體。5Cr母材合金含量較高，淬硬傾向提高，使焊接接頭粗晶熱影響區(qū)晶內(nèi)產(chǎn)生少量低碳馬氏體。圖4Fig

15、.4粗晶熱影響區(qū)組織（a）1Cr；（b）3Cr；（c）5Cr（a）1Cr；（b）3Cr；（c）5CrMicrostructureofheataffectedzone2.2硬度低合金耐蝕管線鋼母材的Cr含量不同，相應(yīng)的焊接接頭各個區(qū)域的顯微組織存在較大差異，這將直接接頭的總體硬度隨母材Cr含量增加呈升高趨勢，見圖5。1Cr和3Cr焊接接頭硬度峰值出現(xiàn)在熔合線附近，而5Cr則出現(xiàn)在熱影響區(qū)。焊縫一側(cè)，三者硬第3期胡麗華等：Cr含量對低合金耐蝕管線鋼焊接接頭組織和性能的影響95別。1Cr焊接接頭熱影響區(qū)硬度與母材相當(dāng)，明顯低于熔合線附近。3Cr焊接接頭硬度由熔合線經(jīng)熱影過渡平緩。5Cr焊接接頭熱影響

16、區(qū)至母材逐漸降低，響區(qū)寬度增加，硬度高于焊接接頭其他部位，與1Cr和3Cr相比，其熱影響區(qū)和母材之間的硬度差異十分明顯，相差超過100HV。根據(jù)低合金鋼碳當(dāng)量公式Cr元素的加入可大大提高材料的焊接冷計算可知，增大熱影響區(qū)的淬硬傾向，易出現(xiàn)裂紋敏感性指數(shù)，5淬硬組織。Cr元素添加量為1wt%3wt%時，由于低合金耐蝕管線鋼中含碳量較低，焊接冷裂紋敏感性指數(shù)仍滿足管線鋼的所要求的最高上限值；當(dāng)Cr元素添加量達(dá)5wt%時，低合金耐蝕管線鋼的焊接冷裂紋敏感性指數(shù)已超出管線鋼的要求，顯微組織觀察發(fā)現(xiàn)5Cr焊接接頭粗晶熱影響區(qū)中生成了低碳馬氏體（圖4c），因此其焊接接頭熱影響區(qū)硬度大大提高。圖6低合金耐蝕

17、管線鋼焊接接頭各區(qū)夏比沖擊韌性Fig.6Impactenergyoflowalloycorrosionresistantpipelinesteelandweldjoint接接頭各個區(qū)域的沖擊斷口均以韌窩狀韌性斷裂為主，其中3Cr焊接接頭熔合區(qū)的微觀斷口特征如圖7（a）所示。5Cr焊接接頭中，缺口開在母材區(qū)的沖擊試樣斷口亦表現(xiàn)為韌窩狀韌性斷裂特征，缺口開在熱影響區(qū)、熔合區(qū)及焊縫時，沖擊試樣斷口出現(xiàn)明顯的5Cr熔合區(qū)斷口如圖7放射區(qū)域，微觀上呈河流花樣，（b），表現(xiàn)出解理斷裂特征。圖5低合金耐蝕管線鋼焊接接頭硬度分布圖HardnessdistributionofweldjointsforFig.5

18、lowalloycorrosionresistantpipelinesteel2.3沖擊韌性低合金耐蝕管線鋼焊接接頭各個區(qū)域的沖擊韌3Cr、5Cr三種母材和焊縫的沖擊性如圖6所示。1Cr、功相近，表明Cr含量對母材和焊縫的沖擊韌性影響不大。三種焊接接頭熱影響區(qū)和熔合區(qū)的沖擊功則出現(xiàn)明顯差異，隨Cr含量增加均呈下降趨勢。1Cr焊接接頭粗晶區(qū)以塊狀鐵素體為主，晶粒長大不明顯，沖擊韌性較好，隨Cr含量提高，粗晶熱影響區(qū)原奧氏體晶粒長大，晶內(nèi)組織由粒狀貝氏體取代了鐵素焊接接頭粗體導(dǎo)致韌性下降。且Cr含量達(dá)5wt%時，晶熱影響區(qū)產(chǎn)生硬度較高的低碳馬氏體，進(jìn)一步降低韌性。隨Cr含量提高，熔合區(qū)組織變得不均

19、勻，也會。焊圖7沖擊試樣斷口SEM微觀形貌（a）3Cr熔合區(qū)斷口；（b）5Cr熔合區(qū)斷口Fig.7SEMmicrographsshowingmorphologyofimpactfracture；（96材料熱處理學(xué)報第31卷3結(jié)論2）焊接接頭的整體硬度隨Cr含量增加呈上升趨勢，沖擊韌性呈下降趨勢，尤其當(dāng)Cr含量達(dá)5wt%時，硬度的提高和沖擊韌性的下降尤為明顯；3）低合金耐蝕管線鋼設(shè)計Cr含量宜保持在1wt%3wt%，可具有較好的焊接性能。參考文獻(xiàn)1）低合金耐蝕管線鋼的Cr含量越高，焊接接頭粗晶熱影響區(qū)晶粒尺寸越大，熔合區(qū)組織越不均勻，易出現(xiàn)淬硬組織；1MurakiT，NoseK，AsahiH.D

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