焊接热输入对X90管线钢CGHAZ组织和冲击性能的影响

王端军，付志斌，夏乾峰，范 磊，陈 英，王青峰

（1.南京钢铁股份有限公司技术质量部，南京210035；2.燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室，河北秦皇岛066004）

焊接热输入对X90管线钢CGHAZ组织和冲击性能的影响

王端军1，付志斌1，夏乾峰2，范 磊2，陈 英2，王青峰2

（1.南京钢铁股份有限公司技术质量部，南京210035；2.燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室，河北秦皇岛066004）

采用焊接热模拟技术、显微组织分析和冲击试验的方法，研究焊接线能量对X90管线钢粗晶热影响区组织和力学性能的影响规律。结果表明，不同线能量下试验钢的组织均为板条贝氏体（LBF）和粒状贝氏体（GBF），线能量为25 kJ/cm时，试验钢的组织主要为LBF，冲击功较高；随着焊接线能量的增加，GBF增加，晶粒粗化，韧性显著下降。

X90管线钢；粗晶热影响区；线能量；显微组织；力学性能

1 引言

随着现代社会的高速发展，对油气能源的需求量不断增加，结合国内对油气管道的要求，开发具有高强高韧的管线钢是今后管道发展的必然趋势。根据现有装备和技术，通过合理的成分设计和工艺优化，要获得较高强度的钢板还是比较容易的，但是，在一般情况下，强度和韧性是相互矛盾的，特别是焊缝及热影响区的强韧性匹配问题比较突出。本着节约成本、经济高效安全的营运，国内外都已进行更高级别管线钢的研制，为了进一步提高管线钢的输送能力，开发X90级别管线钢建设相关试验工程已经提到我国石油管线建设的议事日程。X90管线钢采用了以板条贝氏体和粒状贝氏体中温相变组织为主的设计思路，结合适合的TMCP工艺，容易获得较高的强度，然而，其服役安全可靠性，特别是延性裂纹止裂等关键问题仍未得到完全解决。

本项目利用Gleeble-3500对试验钢粗晶热影响区的组织和冲击性能进行了研究，探讨了组织与性能之间的关系，分析了线能量对试验钢的组织和性能的影响规律。

2 试验材料及方法

试验材料为X90热轧钢板，板厚16.3 mm，其化学成分质量百分数为C：0.06，Si：0.30，Mn：1.85，Cu：0.24，（Ni+Cr+Mo）：1.04，（Nb+Ti+V）：0.145。

热模拟试样是从试验钢热轧钢板上直接取样，尺寸为11 mm×11 mm×80 mm。焊接热循环曲线采用Gleeble-3500自带的HAZ软件包Rykalin2D模型计算获得，其中峰值温度为1 350℃，加热速率100℃/s，模拟线能量为25、30、40、50、60 kJ/cm钢板所经历的焊接过程。经热模拟后，为了观察不同线能量下试验钢的组织，利用光学显微镜和透射电镜进行组织观察；将试样加工为标准冲击试样进行-20℃低温冲击实验，尺寸为10 mm×10 mm× 55 mm，缺口为KV2。

3 试验结果及分析

3．1 组织演变

图1为不同线能量下试验钢的金相和透射组织照片，从图中可以看出，试验钢的组织主要是板条贝氏体（LBF）和粒状贝氏体（GBF）。当线能量较小时，板条贝氏体为主，碳化物取向比较明显，取向相近的板条束在原奥晶粒内形成不同取向的packet，把原奥晶粒分割成不同区域，且板条细小。随着焊接线能量的增加，高温停留时间变长，铁素体相变温度升高，晶粒长大趋势明显，GBF逐渐增加，取向不明显，板条束相对变粗，碳化物呈无规则的分布在铁素体基体上[1]。图1（c）、（d）为不同线能量下试验钢的透射组织照片，在线能量为25和60 kJ/cm时，组织主要是GBF、LBF和分布在铁素体基体上的M/A岛。当线能量为25 kJ/cm时，见图1（a），组织主要为LBF，板条取向明显，且较细长，M-A组元形态主要是呈条状或杆状分布在板条间；当线能量增加到60 kJ/cm时，组织主要是GBF和少量的LBF，M-A组元形态不一，有条状和块状，且M-A组元尺寸较大，长径比较小。

图1 不同线能量下试验钢的金相和透射组织

图2是线能量为60 kJ/cm时试验钢的着色腐蚀照片，图中白色、灰色和黑色分别代表M-A组元、铁素体基体和晶粒边界。对不同线能量下试验钢的着色腐蚀照片进行统计，结果见表1。随着线能量增大，M-A组元的面积百分数增加，等效圆直径增大，表明M-A组元的数量增加、尺寸增大。当线能量为25 kJ/cm时，尺寸较小，数目较少，M-A组元主要呈细条状，近似于平行地排列在铁素体板条之间。当线能量进一步增大到60 kJ/cm时，M-A组元主要呈块状，数目明显增多、尺寸增大。

图2 线能量为60 kJ/cm试验钢的M-A岛

3．2 低温冲击性能

不同线能量下试验钢的-20℃时的低温冲击试验结果如表1所示。可以看出，试验钢的冲击功随着线能量的增加呈下降趋势，当线能量为25 kJ/cm时冲击功达到最高值89 J。随着焊接线能量的增大，韧性逐渐降低，这是由于线能量小时，冷速较大，晶粒较细，大角度晶界增多，大角度晶界都能有效阻碍裂纹的扩展；线能量增大，冷速降低，导致晶粒粗化，晶界和晶粒内部都有大量的脆性相M/A岛析出，韧性下降。当线能量从30 kJ/cm增大到40 kJ/cm时，由于晶粒粗化严重，韧性急剧下降。

表1 M-A组元量化结果与冲击性能

4 分析与讨论

在低碳微合金管线钢中，钢的低温冲击韧性主要与组织类型、晶粒大小、第二相分布状态及第二相的形态和尺寸有关[2]。在焊接过程中，由于钢板经历快速加热和快速冷却，组织和性能会有较大的改变，特别是会在热影响区出现脆化现象，影响钢管性能。

不同线能量下，试验钢的组织类型基本不变，都是由LBF、GBF和M-A岛组成。随着线能量的增加，GBF数量增加，LBF的减少，晶粒粗化，大角度晶界减少，而大角度晶界（如packet）的边界可以在低温断裂过程中有效地阻止裂纹扩展[3]。因此，晶粒粗化是导致低温韧性严重降低的主要原因之一。

M-A岛是残余奥氏体在加速冷却时转变为马氏体而形成的第二相，由于M-A岛是脆性相，对韧性影响比较显著。由表1可知，随着线能量的增加，冲击功随M-A组元面积百分数的增加而降低。这是因为M-A组元是一种典型的脆性组织，受到外力的作用时，由于M-A组元与铁素体基体的强度差异，铁素体基体会发生明显的滑移而产生塑性变形，而M-A组元仍保持原有的形态，会阻碍铁素体的塑形变形。当位错运动到M-A组元与铁素体之间的界面时，会由于M-A组元的阻碍作用而产生位错塞积，造成局部应力集中，使M-A组元由于受到较大应力的作用从而易与基体分离而萌生微裂纹，降低基体的韧性。显然，M-A组元的数量越多，发生脆性断裂的可能性就越大[4-5]。

5 结论

（1）试验钢经热循环后的组织类型为LBF、GBF和M-A岛。当线能量较小时，试验钢组织以LBF为主；随着线能量的增大，GBF增加，板条粗化。

（2）随着线能量的增加，晶粒粗化，冲击功呈下降趋势。

（3）M-A组元对韧性的影响较大，线能量较小时，M-A组元的相对含量少，尺寸较小，低温冲击韧性较好；随着线能量增大，M-A组元相对量增多，尺寸增大，M-A组元成块状，长径比小，韧性下降。

[1] Lee Sunghak,Chun Byung.Fracture toughness analysis of HAZ in HSLA steel welds[J].Metallurgical Transaction，1993，24A（5）：1 133-1 141.

[2]方鸿生，刘东雨.贝氏体钢的强韧化途径 [J].机械工程材料，2001，25（6）：1-5.

[3]王学敏，杨善舞.超低碳贝氏体钢焊接热影响区冲击韧度的研究[J].钢铁研究学报，2000，12（1）：47-52.

[4] 杜土青，洪永昌，孙希庆.欧标低合金结构钢粗晶热影响区组织和韧性的热模拟研究[J].热处理，2010，25（2）：35-41.

[5]陈翠欣，李午申，王庆鹏，等.X80管线钢焊接粗晶区的组织和性能[J].焊接学报，2005，26（6）：77-80.

（编辑 潘娜）

Influence of Welding Heat Input on CGHAZ Structure and Impact Property of X90 Pipeline Steel

WANG Duan-jun1,FU Zhi-bin1,XIA Qian-feng2,FAN Lei2,CHEN Ying2and WANG Qing-feng2
(1．Technology and Quality Department of Nanjin Iron and Steel Shareholding Co．,Ltd,Nanjing,Jiangsu Province 210035,China;2．State Key Laboratory of Metastable Materials Science and Technology, Yanshan University,Qinhuangdao,Hebei Province 066004,China)

The influential regularity of welding heat input on the microstructure and mechanical properties of coarse grain heat affected zone (CGHAZ)in X90 pipeline steel was studied by means of welding thermal simulation technology,microstructure analysis and impact test．The results showed that the microstructure of tested steel with different heat input consisted of lath bainite and granular bainite．When the heat input was 25kJ/cm,the microstructure was mainly lath bainite with high absorbed-in-fracture energy;with the increase of heat input,there was a tendency of granular bainite increase with grain coarsened and toughness obviously reduced．

X90 pipeline steel;coarse grain heat affected zone;heat input,microstructure;mechanical property

10．3969/j．issn．1006-110X．2014．01．008

2013-12-20

2014-01-05

国家高技术研究发展计划资助项目(2007AA03Z509)

王端军（1969—），男，江苏人，本科，高级工程师。

王青峰（1966—），男，湖北人，博士研究生，教授，博士生导师，E-mail：wqf67＠ysu．edu．cn。