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X100螺旋埋弧焊管焊接接头冲击韧性研究*

2013-03-28张建勋毕宗岳

焊管 2013年12期
关键词:韧窝冲击韧性母材

张建勋 毕宗岳 孙 茜

(1.西安交通大学金属材料强度国家重点实验室,西安710049;2.国家石油天然气管材工程技术研究中心,陕西宝鸡,721008;3.宝鸡石油钢管有限责任公司钢管研究院,陕西宝鸡721008)

采用焊接方式将管线钢制成焊管时,由于焊接快速热循环作用,使得焊缝和热影响区(HAZ)的强度和韧性等力学性能与母材相比都有很大不同,而且焊接HAZ是焊接接头的薄弱区域[1-4]。

SHIN与HWANG等人针对X70和X80两种管线钢的冲击韧性进行了研究,指出针状铁素体的有效晶粒尺寸对其冲击韧性的影响[5]。孟凡刚等在对管线钢和粗晶区及临界粗晶区中的M-A岛进行统计分析后认为,母材中M-A岛分布均匀,弦长较小,韧性较好,而粗晶区则弦长较大,韧性变差[6];对于高钢级管线钢焊接接头而言,热影响区的粗晶区中M-A岛基本以条状为主,分布在晶界及晶内,对韧性造成影响;而细晶及混晶区中的M-A岛以块状形式弥散分布,对韧性并未造成严重的影响,相反在一定程度上可以提高韧性。

牛靖等人采用焊接热模拟试验技术研究了不同奥氏体化温度对管线钢组织和性能的影响[7],结果表明,不同的奥氏体化温度得到不同形态的M-A岛,且冲击韧性也有明显差异,其中当奥氏体化温度为1 150℃时,冲击韧性最差。

本研究采用落锤冲击试验装置研究了X100螺旋埋弧焊管焊接接头在-40℃条件下的冲击韧性特征,并探讨了断口形貌及显微组织对冲击韧性的影响规律。

1 材料与试验过程

试验材料为X100管线钢,屈服强度750MPa,抗拉强度840 MPa。试验对象为螺旋埋弧焊管,规格为φ1 219 mm×15.3 mm。X100管线钢管母材的化学成分见表1。

表1 X100螺旋焊管母材的化学成分 %

根据相关标准及实际情况对焊接接头进行取样,采用V形缺口冲击试样,试样尺寸为5 mm×10 mm×55 mm,缺口深度为2 mm。沿焊缝厚度方向连续取5个试样。由于管壁厚度的限制,相邻两个取样可能存在重叠现象。在图1所示的位置中取3个试样进行热影响区的冲击韧性测定。

采用自动冷却箱对试样进行温度控制,冷却介质为酒精。试验温度为-40℃,冲击试样的保温时间为30 min。利用Instron 9250落锤冲击试验装置对不同位置的低温冲击韧性进行测定,试验所设置的冲击功为150 J,落锤的标定质量为46.8 kg,落锤冲击试验的初始速度约为2.5 m/s。

图1 热影响区冲击试样取样位置示意图

2 试验结果与讨论

2.1 冲击试验结果

X100焊管焊接接头-40℃的冲击韧性如图2所示,图中分别为焊缝、HAZ和母材的冲击韧性值。由图2可见,焊缝的冲击韧性略高于热影响区,而母材的冲击韧性最高。由于是半尺寸冲击试样,如果换算成标准试样,X100管线钢管母材的冲击功平均值为245 J,焊缝的冲击功平均值为140 J,热影响区的冲击功平均值为130 J。由于热影响区的组织不均匀,缺口位置直接影响着冲击试验结果,在研究中每个缺口都穿过热影响区中的各个区域,同时也含有少部分母材,因此是一个综合结果。

图2 X100焊管焊接接头冲击韧性

X100焊管焊接接头不同区域的冲击试验曲线如图3所示。由图3可见,焊缝、HAZ和母材的峰值载荷及下降速度不同,母材的峰值载荷最高,下降幅度较慢,而热影响区与焊缝最大载荷相近,但下降速度较快。从起裂的角度来看,母材具有较高的抵抗裂纹形成能力,而热影响区及焊缝易起裂;从裂纹扩展的角度来看,焊缝和HAZ的裂纹比母材更容易扩展。

图3 X100焊管焊接接头不同区域冲击曲线

X100焊管焊缝不同位置冲击功如图4所示。由图4可以看出,内焊道的冲击韧性稍高一些,这是外焊道对内焊道有一定的回火作用,但总体上沿厚度方向相差较小,分布较均匀。

2.2 冲击断口分析

为了更好地说明焊接接头各区域冲击韧性的差异,对冲击试样宏观及微观断口形貌进行了分析。X100焊管焊接接头冲击试样典型宏观断口形貌如图5所示,图中显示冲击功分别为76 J,60 J和123 J的宏观断口形貌。由图5可见,焊缝和HAZ的冲击功较低,冲击断口较平,剪切唇面积相对较小;而对于母材,冲击断口凸凹较大,剪切唇面积也相对较大。

对图5中断口中心部位进行微观形貌分析,如图6所示。由图6可见,各区的断口形貌均为韧窝状,焊缝断口韧窝较小且均匀(见图6(a)),韧窝较浅;热影响区断口韧窝较大,在大韧窝中还可发现小韧窝存在,在韧窝底部可观察到第二相粒子或夹杂物(见图6(b));母材断口韧窝大小均匀性较差,存在大量大尺寸且很深的韧窝,变形很大,表明其韧性很好(见图6(c))。

图4 X100焊管焊缝不同位置冲击功

图5 X100焊管焊接接头典型宏观断口形貌

图6 X100焊管焊接接头冲击断口微观形貌

2.3 显微组织分析

研究结果表明,管线钢中的M-A岛对断裂韧性有着显著的影响,主要体现在M-A岛形态对裂纹起裂与扩展的阻碍作用。作为硬质相的M-A岛,与相对软质基体构成的相界面会成为微裂纹形成或裂纹扩展的通道[8-10]。管线钢焊接HAZ的条状M-A岛更易引发裂纹,使韧性变差[11-12]。

从焊接接头冲击试验结果可知,焊缝和热影响区的冲击韧性基本相同,母材最好。经焊接后,形成的焊接热影响区的冲击韧性下降较为明显,韧性损失值在50%左右。研究结果表明,在热影响区中对性能起决定作用的是粗晶区,经过焊接热循环后,存在晶界严重脆化现象,裂纹更容易沿晶界扩展,使冲击韧性更低[12]。

X100焊管冲击断口中沿裂纹走向的扫描照片如图7所示。由图7可见,M-A岛对裂纹的扩展有一定的阻碍作用。从图中A处可见,裂纹沿长条状M-A岛与基体的相界面扩展;而在B处所示的小块状或颗粒状的M-A岛则有效地阻碍了裂纹的扩展或改变裂纹扩展的方向。

图7 X100焊管焊缝中M-A岛形态

X100焊管焊缝显微组织如图8所示。由图8可见,焊缝的显微组织由针状铁素体和M-A岛组成。针状铁素体呈多角度排列,可有效地阻碍裂纹的扩展,但针状铁素体之间存在长条状M-A岛(如图中黑色箭头所示),使得韧性下降。

图8 X100焊管焊缝显微组织

X100焊管焊接热影响区粗晶区的显微组织如图9所示。从图9(a)中可见,组织形态为粒状贝氏体,奥氏体平均晶粒尺寸为20~30 μm,晶粒粗大,奥氏体晶粒内部的贝氏体铁素体成板条束分布,有效晶粒尺寸较大,因此对裂纹的扩展阻力较小。同时,该晶粒内部分布的长条状M-A岛不仅不会阻碍裂纹扩展,相反很容易同基体脱离,导致韧性下降;而在原奥氏体晶界交汇处分布的不规则块状M-A岛也容易出现微裂纹,同等加载的条件下,裂纹沿此边界及晶界处迅速扩展并脱落,直至断裂(见图9(b))。因此,M-A岛在晶内及晶界上的典型形态严重影响了粗晶区的冲击韧性,使得热影响区的整体韧性下降,成为焊接接头中的薄弱区域。

X100管线钢母材的显微组织如图10所示。由图10可见,其显微组织以细小粒状贝氏体为主,其M-A岛呈颗粒状弥散分布,且尺寸细小,不但不会降低冲击韧性,相反会在一定程度上提高该区域的冲击韧性,这也是母材比热影响区及焊缝韧性良好的重要因素。

图9 X100焊管焊接热影响区显微组织

图10 X100焊管母材显微组织

3 结论

(1)X100螺旋埋弧焊管焊缝沿管壁厚度方向的冲击韧性变化不明显;焊接接头中,母材冲击韧性最高,约是焊缝和热影响区的1倍,焊缝略高于热影响区。

(2)冲击断口形貌表明,无论是母材、焊缝还是热影响区,均为韧窝形断口。母材韧窝尺寸大且深,焊缝韧窝尺寸均匀但较浅,热影响区以小尺寸韧窝为主,含少量大尺寸韧窝;

(3)焊接接头组织中的M-A岛是决定冲击韧性的主要因素。与长条状M-A岛相比,块状或颗粒状M-A岛能更有效地阻碍裂纹扩展。焊缝及粗晶区的大尺寸条状或棒状M-A岛使冲击韧性下降。

参考文献:

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