高铌X80管线钢焊接热影响区连续冷却相变研究*

陈海艳

(管网集团(新疆)联合管道有限责任公司 新疆 乌鲁木齐 830013)

0 引 言

铌元素单独或与其他合金元素匹配使用是高强度管线钢普遍采用的成分设计。在合理的轧制工艺下，铌元素通过控制奥氏体再结晶的晶粒尺寸和碳氮析出物的沉淀强化，可以同时提高管线钢的强度和韧性。低成本的高铌无Mo合金体系管线钢各项性能均能满足工程设计要求，但是管体在焊接过程中热影响区在高温下的组织变化对性能的影响还需要进一步研究[1-3]。

本文采用Gleeble3500 热力学模拟试验机研究了高铌X80管线钢焊接粗晶热影响区(CGHAZ)的连续冷却相变行为，结合金相组织分析不同冷却速度对CGHAZ显微硬度和冲击韧性的影响，为实际焊接工艺规程的制定提供技术支持。

1 试验材料与试验方法

本研究的试验材料取自商用X80直缝埋弧焊钢管，具体化学成分见表1。由表1可知，铌合金元素的含量高于传统的管线钢，达0.099%，材料的冷裂纹敏感系数Pcm控制在0.16。X80管线钢的金相组织如图1所示，为轧制拉长的粒状贝氏体，晶粒内存在少量的粒状M-A岛，晶粒度为11.5级。沿钢管横向制备Φ6 mm×71 mm的圆棒试样和10.5 mm×10.5 mm×70 mm的方形试样，在Gleeble3500热力学模拟试验机上进行试验，采用S型热电偶检测温度，相变膨胀仪在圆棒试样上测量加热过程中试样的膨胀量，膨胀仪精度为±0.000 4 mm。

表1 试验用X80级管线钢化学成分(质量分数) %

图1 高铌X80管线钢金相组织

为了模拟得到焊接CGHAZ的组织，将试样采用100 ℃/s的加热速度加热至1 300 ℃，保温1 s。从1 300 ℃降温到900 ℃的时间固定为9 s。然后分别以0.2、0.3、0.5、1、2、3、5、7、10、15、20、50 ℃/s的冷却速度冷至到室温。根据冷却过程中的热膨胀曲线确定材料在不同冷却速度下的相变温度。

试验后将圆棒试样在热电偶位置轴向剖开，经过研磨、抛光和腐蚀后，观察焊接热模拟后材料显微组织和维氏硬度的变化。将方形试样加工成标准的冲击试样，并在-10 ℃进行夏比冲击试验。根据测得的不同冷却速度下的相变温度、相变时间、金相组织、显微硬度和冲击韧性绘制材料焊接CGHAZ的SH-CCT曲线。

2 试验结果和讨论分析

图2为不同冷却速度下高铌X80管线钢CGHAZ的显微硬度值。不同于常规管线钢CGHAZ显微硬度值随着冷却速度的增加逐渐增加，高铌管线钢的显微硬度分布较为均匀，整体差异度在46HV。CGHAZ即使在较慢的冷却速度，高铌合金含量也能保证较高的显微硬度。当冷却速度在1 ℃/s和5 ℃/s之间时，CGHAZ的显微硬度降低，但差异性较小仅为10HV。当焊接冷却速度大于5 ℃/s后，随着冷区速度的增加，显微硬度缓慢线性增加。当焊后冷却速度大于20 ℃/s后，显微硬度开始急剧增加。

图2 不同冷却速度下高铌X80管线钢CGHAZ显微硬度值

图3为不同冷却速度下高铌X80管线钢CGHAZ在-10 ℃的冲击韧性值。在较慢的焊接冷却速度下，CGHAZ的冲击韧性较低，特别是在焊后冷却速度等于1 ℃/s时，仅为14 J。当焊后冷却速度大于1 ℃/s后，CGHAZ的冲击韧性开始急速增加，当冷却速度大于2 ℃/s后，基本就稳定在400 J以上，并在15 ℃/s时达到最大值463 J后，随着冷却速度的继续增加，冲击韧性值才稍有降低。

图3 不同冷却速度下高铌X80管线钢CGHAZ冲击韧性值(-10 ℃)

图4为高铌X80管线钢的SH-CCT曲线，所对应的金相组织如图5所示。由图可知，在较慢的焊接冷却速度下(t8/5≥300 s时)，CGHAZ在750 ℃左右即开始缓慢的相变，高温相变产物为多边形铁素体和粒状贝氏体的混合组织，如图5所示，在0.3 ℃/s的焊后冷却速度下，较大的块状渗碳体出现在粒状贝氏体的晶界附近，这在一定程度上保证了高铌管线钢在较低冷却速度下的显微硬度。冲击韧性的主要影响因素为晶粒尺寸。缓慢冷却保留的粗大原始奥氏体晶粒使该区域的冲击韧性值显著降低[4-5]。

图4 高铌X80管线钢的SH-CCT曲线

图5 高铌X80管线钢不同冷却速度CGHAZ金相组织

在焊后冷却速度等于1 ℃/s时，CGHAZ中的大块渗碳体组织基本消失。虽然粗大的原始奥氏体晶粒减少，但是晶粒的不均匀增加，粒状贝氏体中的针状组织还未析出，这导致其显微硬度和冲击韧性值都达到最低。

随着冷却速度的进一步增加，当冷却速度在2 ℃/s和30 ℃/s之间时(10 s

当焊后冷却速度进一步增加到大于等于30 ℃/s后，CGHAZ的相变结束温度降低到400 ℃左右，CGHAZ开始出现板条马氏体组织，其含量随着冷却速度的增加而增加，这导致焊接热影响区的显微硬度开始显著增加。少量的板条马氏体可以提高焊接粗晶区的冲击韧性，但是随着冷却速度的进一步增加，局部区域的微小孪晶可会导致冲击韧性的降低。

3 结 论

研究了不同焊接冷却速度下高铌X80管线钢模拟CGHAZ的相变组织和性能，得出以下结论：

1)在所测的冷却速度范围内，高铌管线钢存在4种组织类型：多边形铁素体和粒状贝氏体组织，粒状贝氏体、板条贝氏体、板条贝氏体和马氏体组织。

2)试验用高铌管线钢在不同冷却速度下CGHAZ显微硬度较为均匀，整体差异度在46HV10。

3)试验用高铌管线钢焊后冷却速度在2～50 ℃/s，-10 ℃下焊接CGHAZ具有高达400 J的冲击韧性值。