加热速度对管线钢相变行为的影响*

胡美娟，田 野，王 磊，陈宏远，齐丽华，李为卫

(1.中国石油集团工程材料研究院有限公司，石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室 陕西 西安 710077；2. 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

环焊是铺设现场将管线钢管连接起来的一种焊接方式。焊接热循环会改变管线钢管的原始组织，影响热影响区的强度和韧性。相变是影响热影响区显微组织和性能变化的重要因素之一。国内大多数研究集中在焊接冷却过程中的相变和组织转变规律，对于加热阶段相变和组织转变规律的研究较少。但是，在加热阶段管线钢中合金元素的作用，尤其是碳氮化合物的溶解和晶粒长大，对冷却过程中的相变和原始奥氏体晶粒尺寸有重要的影响[1-3]。通常增加铌元素或铌钼镍等微合金元素是管线钢领域普遍采用的提高其管体和热影响区性能的常用方法。通过加入少量的铌元素有利于控制轧制过程中奥氏体再结晶的晶粒尺寸，轧制过程中形成的碳氮析出物则起到沉淀强化的效果，在合理的热机械轧制工艺(TMCP)或者高温轧制工艺(HTP)下，可以同时提高含铌管线钢的强度和韧性。但是在焊接热循环时，铌元素对相变和晶粒长大的影响更复杂，导致出现了一些相互矛盾的研究结果[4-6]。本文针对3种不同铌含量的管线钢，对其不同加热速度下的相变温度进行了详细的分析。

1 试验材料与试验方法

本研究的试验材料取自3种商用X80级螺旋缝埋弧焊钢管，根据其化学成分中铌合金元素的含量分别编号为：A067，C079和M085，具体化学成分见表1。沿钢管横向制备Φ6 mm×71 mm的圆棒试样，在Gleeble3500热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) %

试验方案为： 1)采用0.05 ℃/s的加热速度将试样加热至1 050 ℃，根据测得的升温热膨胀曲线确定材料的AC1和AC3。2)采用100 ℃/s的加热速度将试样加热至1 300 ℃，根据测得的升温热膨胀曲线确定材料在焊接加热过程中的相变。

2 试验结果和分析

2.1 温度-膨胀量曲线

图1是加热速度分别为0.05 ℃/s和100 ℃/s时3种材料的升温热膨胀曲线，其中黑色曲线为温度-膨胀量曲线，红色曲线为温度-膨胀量的斜率曲线。由图可知，在0.05 ℃/s的缓慢升温过程中，3种管材都存在相变孕育期，膨胀量随着温度线性增长变缓，斜率曲线先降低后升高的情况，但是程度差异较大；经过一定的“孕育期”，开始奥氏体化转变，膨胀量降低，斜率曲线陡降，奥氏体转变结束较缓慢。三者的差异出现在奥氏体相变结束后，虽然其膨胀量都随着加热温度的增加而增加，但是通过斜率曲线可知，3种材料分别出现的3种情况：A067的膨胀量增加速率随温度的增加而增加，C079则随温度增加而减小，M085基本保持恒定的膨胀速率。

图1 3种X80级管线钢不同加热速度的热膨胀曲线

在100 ℃/s的快速升温过程中，3种管材在奥氏体相变前都未出现明显的孕育期，均在700 ℃左右开始相变。在快速的加热速度条件下，奥氏体转变结束后所需要的时间也较短。但3种材料在奥氏体相变结束后膨胀量速率变化规律与缓慢加热时一致。M085在1 000 ℃以后膨胀量增加速率开始陡升。另外，在100 ℃/s的升温过程中，A067和C079都在1 136 ℃左右出现了2次相变，膨胀量再次出现陡降。

2.2 相变温度

利用膨胀曲线确定相变温度，通常采用的方法有：顶点法、切线法、斜率法、切角法和平均值法等。其中切线法是符合金属学原理、应用较广的方法；斜率法则结果最明确，但是对采集数据的稳定性要求较高[7]。本研究分别采用切线法和斜率法对曲线进行分析。表2和表3分别为利用两种方法确定的相变温度。

表2 X80级管线钢加热速度为0.05 ℃/s的奥氏体相变温度

表3 X80级管线钢加热速度为100 ℃/s的奥氏体相变温度

对比采用切线法和斜率法确定的相变温度可知：当奥氏体相变发生的较为迅速时，切线法和斜率法确定的相变温度基本一致，差异不大，例如缓慢加热和快速加热时的相变开始温度。当奥氏体相变缓慢进行时，切线法和斜率法确定的相变温度差异较大，例如缓慢加热时奥氏体相变的结束温度。在这种情况下，采用切线法测定相变温度时的主观性较强，斜率法确定的相变温度则更客观。因此本文分析讨论采用斜率法确定的相变温度。

2.3 分析讨论

在早期的研究中，随着加热速度的增加，管线钢的奥氏体转变开始和结束温度都会增加。在图2中对比分析3种螺旋钢管的相变起始温度：在0.05 ℃/s的加热速度下，3种成分管线钢的相变启动温度差别不大，都在700 ℃左右。在100 ℃/s的加热速度下，3种管线钢没有明显的相变孕育期，在700 ℃的左右开始奥氏体相变，相变温度几乎和低速时的相变启动温度完全重合。在0.05 ℃/s的加热速度下，随着铌元素合金含量的增加，奥氏体相变结束温度逐渐上升，A067和M085奥氏体相变结束温度相差了83 ℃。在100 ℃/s的加热速度下，奥氏体相变的结束温度也随着铌元素的含量增加逐渐上升，但是程度较小，A067和M085奥氏体相变结束温度相差了28 ℃。这主要是因为快速加热过程中奥氏体均匀化程度不足，相变加速发生。

图2 3种成分X80级管线钢不同加热速度下的相变温度

3种成分管线钢在不同的加热速度下，相变温度区间的整体规律是随着铌元素含量的增加，管线钢的相对膨胀量较小。但是在快速的加热速度下，相变过程中的相对膨胀量均高于缓慢加热时，这说明高速加热降低了未溶解析出粒子对晶界的钉扎作用，合金元素抑制晶粒长大的作用降低。另外，一旦加热温度高于1 000 ℃，铌元素的固溶导致其对奥氏体晶粒长大的阻碍作用迅速消失，在镍等其他控制晶粒长大元素缺少的情况下，即使在较高的铌元素含量的条件下如M085，奥氏体晶粒开始快速长大，表现出膨胀量增加速率开始陡升。因此，在管线钢焊接性研究中，不仅要考虑相变温度，还应考虑相变温度以上的膨胀量增加速率，进而分析合金元素对晶粒长大的控制和影响。

3 结 论

研究了在不同加热速度下3种不同铌含量的X80级管线钢的相变过程，得出以下结论：

1)在0.05 ℃/s的加热速度下，3种成分管线钢相变时皆存在相变孕育期；100 ℃/s的快速加热下则无明显的相变孕育期。

2)3种成分管线钢在不同加热速度下的相变启动温度皆在700 ℃左右，随着铌元素含量的增加，相变发生的温度区间扩大；同种合金成分的管线钢，加热速度的增加减少了奥氏体相变的温度范围，奥氏体化相变结束温度降低。

3)在管线钢焊接性研究中，不仅要考虑加热和冷却速度对相变温度的影响，还应考虑相变结束后线性膨胀量的增加速率。