热输入对深海X70粗晶区组织和韧性的影响

刘治文 贾书君 杨浩 梁小凯 张亮 樊祎宁 韩鹏彪

摘 要：為解决深海X70管线钢在实际焊接中粗晶区（CGHAZ）的脆化问题，在不同热循环工艺下对X70管线钢进行了热模拟研究。采用Gleeble-3800热模拟机模拟X70管线钢CGHAZ，研究CGHAZ在10～60 kJ/cm不同热输入（HI）条件下组织和韧性的变化规律，并通过光学显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）和夏比冲击试验等手段表征CGHAZ的组织和韧性。结果表明，不同热输入下试验钢的组织主要由粒状贝氏体（GB）、贝氏体铁素体（BF）和马-奥组元（M-A组元）组成;当HI不断增大时，BF比例减少，GB比例增加，M-A组元粗化，冲击吸收能先升高再降低;当HI为20 kJ/cm时，BF和GB可获得优异组合，断口为韧性断裂，冲击吸收能达到173.8 J;当HI大于20 kJ/cm时，断口解离断裂，冲击吸收能下降明显，最低为18.8 J。因此，较低的热输入可提高CGHAZ的韧性，使X70管线钢具有高强度、高韧性和良好的焊接性。研究结果可为优化焊接工艺提供理论依据。

关键词：焊接工艺与设备;X70管线钢;粗晶区;热输入;组织;韧性

中图分类号：TG406   文献标识码：A

doi：10.7535/hbkd.2021yx05010

收稿日期：2021-08-12;修回日期：2021-09-20;责任编辑：张士莹

基金项目：河北省重点研发项目（19211007D）

第一作者简介：刘治文（1997—），男，山东潍坊人，硕士研究生，主要从事金属材料成型及控制方面的研究。

通讯作者：韩鹏彪教授。E-mail：hpb68@163.com

贾书君高级工程师。E-mail：jiajsj504@126.com

Effect of heat input on microstructure and toughness of CGHAZ of deep-sea X70

LIU Zhiwen1，JIA Shujun2，YANG Hao3，LIANG Xiaokai2，ZHANG Liang1，4，FAN Yining1，HAN Pengbiao1，4

（1.School of Materials Science and Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang，Hebei 050018，China;2.Institute of Structural Steels，Central Iron and Steel Research Institute，Beijing 100081，China;3.Research Institute of HBIS Group，Shijiazhuang，Hebei 050018，China;4.Hebei Key Laboratory of Material Near-Net Forming Technology，Shijiazhuang，Hebei 050018，China;）

Abstract：In order to solve the embrittlement problem of coarse grain zone （CGHAZ） of deep-sea X70 pipeline steel in actual welding，the thermal simulation study of X70 pipeline steel was carried out under different thermal cycle processes.X70 pipeline steel CGHAZ was simulated by Gleeble-3800 thermal simulator to study the microstructure and toughness of CGHAZ under different heat input （HI） conditions in the range of 10～60 kJ/cm.The microstructure and toughness of CGHAZ were characterized by means of optical microscope （OM），scanning electron microscope （SEM） and Charpy impact test.The results show that the microstructure of the test steel under different heat input is mainly composed of granular bainite （GB），bainite ferrite （BF） and martensite-austenite component（M-A component）.When HI increases continuously，the proportion of BF decreases，the proportion of GB increases，the M-A component coarsens，and the impact absorption energy first increases and then decreases.In the case of 20 kJ/cm，the excellent combination of BF and GB is obtained，the fracture is ductile fracture，and the impact absorption energy reaches 173.8 J;when HI is greater than 20 kJ/cm，the fracture is dissociated and fractured，and the impact absorption energy decreases obviously，with the lowest of 18.8 J.Therefore，lower heat input can improve the toughness of CGHAZ，make X70 pipeline steel have high strength，high toughness and good weldability，and provide some theoretical guidance for the optimization of welding process.

Keywords：

welding process and equipment;X70 pipeline steel;CGHAZ;heat input;microstructure;toughness

随着国民经济的快速增长，中国对石油等资源的需求急剧提高，人们在开采陆地资源的同时，也在着手开发海底资源[1]。管道输送是运送石油和天然气最为高效便捷的方式，在海底运输中占据重要地位[2]。管线钢作为输送管道的主要材料，不但要具有优异的力学性能，还需要拥有良好的可焊性[3]。通过合理的成分设计以及控轧控冷后，X70管线钢可获得超细晶粒组织，具有高强度、高韧性和良好的焊接性[4-5]。但是，受焊接过程中焊接热循环作用的影响，管线钢组织发生粗化，打破了其良好的强度和韧性平衡，热影响区韧性变差。一些科研人员采用焊接热模拟技术以及SEM等手段，研究了低碳钢不同热输入对组织的影响[6-10];田万鹏利用焊接热模拟技术和夏比冲击试验，研究了管线钢不同热输入对韧性的影响[11];还有学者发现，增加冷却速度，M-A组元的数量会增多，M-A组元形态会对低碳钢中热影响区的硬度值和韧性产生影响[12-14]。然而这些试验均未对不同热输入下CGHAZ组织、M-A组元以及断口形貌的变化与韧性进行系统性分析。

为此，笔者采用光学显微镜（OM）和扫描电镜（SEM）观察不同热输入下样品的显微组织，利用硬度试验和夏比冲击试验测量样品性能，并观察其断口形貌，分析断口的形成机制，建立热输入与组织转变和冲击韧性之间的关系。

1 材料及方法

采用某钢厂生产的X70管线钢板，板厚为14.6 mm，是一种典型的微合金高强度钢。表1列出了钢板的化学成分，原始组织如图1所示。在Gleeble-3800型热模拟机上进行热模拟试验，样品从钢板沿垂直于轧制方向切割，尺寸为70 mm×11 mm×11 mm，在不同热输入（10，20，30，40，50，60 kJ/cm）下进行焊接热循环，通过连接到样品上的K型热电偶采集样品温度。图2显示了X70管线钢CGHAZ的6种热循环工艺：以100 ℃/s的升温速率加热到1 300℃的峰值温度，在峰值温度保温1 s，冷却时间t8/5分别为4，26.6，36.9，66.3，104，149 s。

为了对CGHAZ热模拟样品进行组织观察和性能分析，在焊接热模拟试验结束后，从均匀加热部位切割样品，对样品表面进行机械研磨，并采用4%（体积分数，下同）硝酸酒精溶液进行腐蚀，采用OM和SEM观察样品组织。使用维氏硬度计对样品进行硬度测试，载荷为1 kg，对每个样品进行9次测量，取平均值作为硬度值，随后将样品按照GB/T 229—2020加工成55 mm×10 mm×10 mm的冲击样品[15]。在PTT452G-4试验机上进行夏比冲击试验，根据管线钢低温冲击试验标准，设置温度为-20 ℃，每组试验重复3次，取其平均值，随后观察断口形貌。

2 结果与分析

2.1 不同焊接热输入下CGHAZ的光学显微组织

经历不同热输入后，X70管线钢粗晶区的晶粒尺寸以及组成相的种类、形状和分布都发生了变化，这种组织结构上的变化导致不同热输入下粗晶区的力学性能呈现出明显差异。样品的光学显微组织如图3所示，由于峰值温度达到1 300 ℃，因此CGHAZ晶粒尺寸比原来的大，组织形态转变为GB，BF和M-A组元。GB和BF的区别在于岛的形状，前者的小岛呈岛状，后者的小岛有明显拉长的趋势[16]。

在较低热输入时，CGHAZ组织主要由BF组成，还有少量的GB和M-A组元。原奥氏体晶界清晰，BF组织中区分明显，原奥氏体晶粒被分割成若干个铁素体板条，铁素体板条从晶界向晶粒里和原奥氏体晶粒里生长，相同方向的板条聚集在一起，形成包状和块状。M-A组元主要分布在原奥晶界和铁素体板条间，t8/5的冷却时间较短，为4 s，冷却速度快，晶粒细小，板条紧密排列在原奥氏体晶粒中，如图3 a）所示。热输入为20 kJ/cm时，GB占比增加，相对于10 kJ/cm时的晶粒尺寸变小。GB将BF分割，让具有相同取向的BF变得更细、更短，如图3 b）所示。当热输入继续增大30 kJ/cm时，晶粒尺寸急剧增大，组织以GB为主，还有少量的BF，M-A组元开始粗化，分布在晶界和晶粒内，如图3 c）所示。当热输入为40 kJ/cm时，由于冷却时间长，原奥晶粒开始相互融合，晶界变得模糊，使得晶粒尺寸粗大且不均匀，此时粗晶区组织主要由GB和M-A组元构成，如图3 d）所示。当热输入为50 kJ/cm和60 kJ/cm时，晶粒尺寸变得更大，原奥晶界更加模糊，M-A组元主要以块状和条状分布在晶界和晶粒内部，组织中出现少量的软相准多边形铁素体（QF），如图3 e）和图3 f）所示。

2.2 M-A組元分析

在不同热输入时，CGHAZ中 M-A 组元的形态分布如图4所示。在SEM下M-A组元为亮白色，由于M-A的亚结构主要为孪晶，故随M-A含量的增加，韧性下降[17-18]。M-A组元的形态、数量、尺寸对强韧性都会产生影响。当热输入为10 kJ/cm时，M-A组元尺寸相对细小，主要呈点状或薄膜状分布，如图4 a）所示。在中等热输入20kJ/cm和30 kJ/cm时，M-A组元增多，主要以岛状和条状分布，与热输入20 kJ/cm相比，热输入为30 kJ/cm时M-A组元浮凸，并出现块状组织，如图4 b）和图4 c）所示。随着线能量继续增加到50 kJ/cm时，M-A组元粗化，呈块状和条状分布，形状不规则，且M-A 组元浮凸效果更为明显，如图4 d）所示。

2.3 CGHAZ的力学性能

焊接热模拟试验后，样品硬度如图5所示。随着热输入的增加，样品的硬度值不断降低。在低热输入时，由于冷却时间快，在X70管线钢热影响区，碳没有足够的扩散时间，以过饱和状态存在于残余奥氏体中，并在中温下随奥氏体转变为贝氏体铁素体。与铁素体相比，BF含碳量高[19]，因此具有高硬度，最大值为289.1 HV。当热输入不断增大时，组织中GB的含量增加，晶粒尺寸增大，导致显微硬度值逐渐降低，最小值为216.8 HV。此外，图5中虚线表示初始试验钢的硬度为222 HV。在10～40 kJ/cm时，由于焊接热循环后得到BF组织，而BF是硬相，所以模拟CGHAZ较母材有更高的硬度;当热输入为50 kJ/cm和60 kJ/cm时，组织中出现软相准多边形铁素体以及块状M-A组元，硬度值比母材略低，表明粗晶区与母材具有良好的匹配性。综上可知，该样品的硬度值最高为289.1 HV。相关研究表明，当管线钢显微硬度值低于350 HV时，可以显著降低冷裂风险[20-21]。

试验钢-20 ℃低温冲击吸收能随不同热输入的变化规律如图6所示。由图6可知，随着热输入的增加，冲击吸收能先略有增加，然后下降。当热输入为10 kJ/cm时，冲击吸收能高于100 J，表明模拟热影响区具有良好的韧性。当热输入为20 kJ/cm时，冲击吸收能最大，为173.8 J。这是因为晶粒尺寸较小，且BF随着GB的增加而减少，由此获得了GB和BF的最佳组织比例。随着热输入从20 kJ/cm增加到30 kJ/cm，M-A组元急剧增多，晶粒尺寸增大，组织主要为GB，冲击吸收能迅速降低到73 J。当热输入为40～60 kJ/cm时，冲击吸收能低于50 J，表明热影响区表现出明显的脆化特性，与初始冲击吸收能216.5 J相比，模拟热影响区的冲击吸收能远低于X70管线钢。这是因为CGHAZ靠近熔合线，温度较高，且受热循环作用，导致晶粒严重粗大，同时GB显著增加。

采用扫描电镜研究了-20 ℃冲击样品的断口形貌。图7为热输入为10，20，30和50 kJ/cm时样品起裂区的断口形貌图。

由图7可以看出，这些断裂形态与夏比冲击试验测试数据一致。在10 kJ/cm的热输入下，断裂模式主要是韧性断裂，韧窝多且较浅，冲击韧性较好，如图7 a）所示。当热输入为20 kJ/cm时，断裂模式与热输入10 kJ/cm时相同，因为其韧窝大且深，所以冲击韧性相对提高，如图7 b）所示。在30 kJ/cm和50 kJ/cm时，断裂模式主要为解离断裂，断口形貌为层状撕裂棱以及解离台阶，解离面呈典型的扇形和河流花样，冲击韧性明显下降，如图7 c）和图7 d）所示。

3 结 论

1） CGHAZ组织主要由BF，GF和M-A组元组成。随着热输入的增大，BF减少、GF增多、M-A组元粗化，且晶粒尺寸增大，原奥晶粒相互融合，晶界变得模糊。当热输入大于40 kJ/cm时，组织中出现少量的QF。

2）在低热输入时，M-A组元主要呈点状分布。随着热输入的增大，M-A组元呈岛状和条状分布。当热输入达到50 kJ/cm时，M-A组元呈块状和条状分布，浮凸效果明显。

3）随着热输入的增大，CGHAZ的硬度下降，但硬度值保持在216.8～289.1 HV之间，说明CGHAZ未出现软化，与母材具有良好的匹配性。

4）随着热输入的增大，冲击吸收能先略有增加，然后下降。热输入为20 kJ/cm时，BF和GF达到最佳组合，-20 ℃冲击吸收能为173.8 J，断裂形式为韧性断裂，冲击断口形貌呈韧窝状;当热输入大于20 kJ/cm时，冲击吸收能急剧下降，断裂形式为解离断裂，形貌为典型的扇形和河流花样，粗晶区出现明显脆化。因此，在实际焊接时采取20 kJ/cm的热输入，可获得相对优异的组织和样品性能。

针对X70管线钢单道焊时CGHAZ的脆化问题，本研究通过焊接热模拟和SEM等手段，分析了CGHAZ出现脆化的原因，提出了可通过采用较低热输入来提高CGHAZ的韧性。然而，在实际焊接管线钢时，会有双面焊以及多道焊。因此，后续试验需对管线钢二次热循环时热影响区的组织和韧性进行更为深入的研究。

参考文献/References：

[1] 馬静，王申豪，张双杰，等.B+F双相X80管线钢模拟海水环境中慢应变拉伸各向异性研究[J].河北科技大学学报，2020，41（5）：455-461.

MA Jing，WANG Shenhao，ZHANG Shuangjie，et al.Study on anisotropy of B+F dual-phase X80 pipeline steel under slow strain tensile in simulated seawater[J].Journal of Hebei University of Science and Technology，2020，41（5）：455-461.

[2] 牛爱军，毕宗岳，张高兰.海底管线用管线钢及钢管的研发与应用[J].焊管，2019，42（6）：1-6.

NIU Aijun，BI Zongyue，ZHANG Gaolan.Development and application of pipeline steel and steel pipe for offshore pipeline in China[J].Welded Pipe and Tube，2019，42（6）：1-6.

[3] GAO J X，LI L J，LI J F，et al.Microstructure and properties of longitudinal submerged arc welded linepipes for deep-sea pipeline[J].Advanced Materials Research，2014，997：409-414.

[4] XU J Q，GUO B，ZHENG L，et al.Research and development of deep-sea pipeline steel[J].Advanced Materials Research，2010，152/153：1492-1498.

[5] 李震波，刘汝营.X70管线钢的工业试制与性能测试[J].现代冶金，2020，48（2）：5-7.

[6] SHARMA S K，MAHESHWARI S.A review on welding of high strength oil and gas pipeline steels[J].Journal of Natural Gas Science and Engineering，2017，38：203-217.

[7] 李秀程，李学达，王学林，等.低合金钢焊接热影响区的微观组织和韧性研究进展[J].工程科学学报，2017，39（5）：643-654.

LI Xiucheng，LI Xueda，WANG Xuelin，et al.Research progress on microstructures and toughness of welding heat-affected zone in low-alloy steel[J].Chinese Journal of Engineering，2017，39（5）：643-654.

[8] 文明月，董文超，庞辉勇，等.一种Fe-Cr-Ni-Mo高强钢焊接热影响区的显微组织与冲击韧性研究[J].金属学报，2018，54（4）：501-511.

WEN Mingyue，DONG Wenchao，PANG Huiyong，et al.Microstructure and impact toughness of welding heat-affected zones of a Fe-Cr-Ni-Mo high strength steel[J].Acta Metallurgica Sinica，2018，54（4）：501-511.

[9] LAN L Y，KONG X W，QIU C L.Characterization of coarse bainite transformation in low carbon steel during simulated welding thermal cycles[J].Materials Characterization，2015，105：95-103.

[10]ZOU X D，SUN J C，MATSUURA H，et al.Unravelling microstructure evolution and grain boundary misorientation in coarse-grained heat-affected zone of EH420 shipbuilding steel subject to varied welding heat inputs[J].Metallurgical and Materials Transactions A，2020，51（3）：1044-1050.

[11]田万鹏.X80管线钢热影响区力学性能研究[J].南方农机，2020，51（15）：40-41.

[12]贾书君，段琳娜，刘清友.高钢级管线钢中M/A组元的控制工艺[J].材料热处理学报，2016，37（3）：82-88.

JIA Shujun，DUAN Linna，LIU Qingyou.Controlling process of M/A constituents in high grade pipeline steel [J].Transactions of Materials and Heat Treatment，2016，37（3）：82-88.

[13]HUDA N，MIDAWI A R H，GIANETTO J，et al.Influence of martensite-austenite （MA） on impact toughness of X80 line pipe steels[J].Materials Science and Engineering A，2016，662：481-491.

[14]LUO X，CHEN X H，WANG T，et al.Effect of morphologies of martensite-austenite constituents on impact toughness in intercritically reheated coarse-grained heat-affected zone of HSLA steel[J].Materials Science and Engineering A，2018，710：192-199.

[15]GB/T 229—2020，金属材料 夏比摆锤冲击试验方法[S].

[16]THEWLIS G.Classification and quantification of microstructures in steels[J].Materials Science and Technology，2004，20（2）：143-160.

[17]LAN L Y，QIU C L，ZHAO D W，et al.Analysis of martensite-austenite constituent and its effect on toughness in submerged arc welded joint of low carbon bainitic steel[J].Journal of Materials Science，2012，47（11）：4732-4742.

[18]王学林，李学达，尚成嘉.高强度管线钢焊接热影响区顯微组织精细表征[J].焊管，2019，42（7）：26-38.

WANG Xuelin，LI Xueda，SHANG Chengjia.Fine characterization of high strength pipeline steel welding HAZ microstructure[J].Welded Pipe and Tube，2019，42（7）：26-38.

[19]胡赓祥，蔡珣，戎咏华.材料科学基础[M].上海：上海交通大学出版社，2010.

[20]LI C W，WANG Y，HAN T，et al.Microstructure and toughness of coarse grain heat-affected zone of domestic X70 pipeline steel during in-service welding[J].Journal of Materials Science，2011，46（3）：727-733.

[21]蒋庆梅，陈礼清，许云波，等.一种微合金高强钢焊接冷裂纹敏感性[J].中国科技论文在线，2011，6（2）：103-108.

JIANG Qingmei，CHEN Liqing，XU Yunbo，et al.Cold cracking sensitivity of welding for a kind of low carbon micro-alloyed high strength steel[J].China Science Paper，2011，6（2）：103-108.