X80钢焊接热影响区的二次热循环组织脆化

　试　验　研　究　 X80钢焊接热影响区的二次热循环组织脆化 占焕校 1, 2 ,王 　勇 1 , 吕统全 1 (1. 中国石油大学 (华东 ) 机电工程学院 ,山东 东营 　257061; 2. 大庆石油管理局 ,黑龙江 大庆 163453) 摘 　要 :针对 X80钢的多道焊接过程 ,采用热模拟技术研究了不同的二次热循环峰值温度对焊接热 影响区粗晶区组织和低温冲击韧性的影响。试验结果表明 ,经过一次热循环峰温 1300 ℃、二次峰 温 800 ℃作用后 ,晶粒粗大 ,韧性显著下降 ,发生严重脆化 ;而经过二次热循环峰温 650 , 950, 1200 ℃作用 ,则晶粒细化 ,获得韧窝状断口形貌。800 ℃的组织脆化现象与晶粒粗化以及最快沉淀温度 附近第二相粒子的大量偏析和聚集有关。 关键词 :焊接 ;脆化 ;热循环 ;管线钢 ;船舶 中图分类号 : TG406　　文献标识码 : A　　文章编号 : 1001 - 4837 (2008) 02 - 0009 - 04 M icro - structure Br ittleness of Hea t Affected Zone after the Second Therma l Cycle for X80 P ipeline Steel ZHAN Huan - x iao1, 2 , W ANG Y ong1 , L V Tong - quan1 (1. Department ofMechanical and Electronic Engineering, China University of Petroleum ( East China) , Dongying 257061, China; 2. Daqing Petroleum Adm inistrative Bureau, Daqing 163453, China) Abstract:W ith regard to multi - pass welding p rocesses, the m icro - structures and p roperties of the coarse - grain of heat - affected zones affected by the peak temperatures of the second thermal cycle were studied with thermal simulation technique. The experimental results indicated, when the heat - affected zone subjected to a thermal cycle peak temperature of 1300 ℃ first, then re - cooled from 800 ℃, the grains are coarsen and toughness value dropped severely, while the fine grain and dimp le fracture appear2 ance can obtained after the second thermal cycle with 1200 ℃ of the peak temperature. The brittleness of m icro - structure is related with coarse grain and multitude second phase particles which segregated and congregated around the critical point of fastest p recip itation temperature. Key words:welding; brittleness; thermal cycle; p ipeline steel; ship 1　引言 在船体建造中 ,焊接工时、焊接成本各占总体的 40%左右 ,对于缩短造船周期、保证船舶产品质量具 有十分重要的意义 [ 1, 2 ]。进一步提高焊接质量 ,减 少污染 ,节约能源 ,实现船舶高效绿色焊接 ,将成为 造船行业在新形势下的主要目标 [ 3 ]。焊接技术研 究主要集中在材料、工艺和设备等方面 ,其中焊接材 料很大程度影响着焊接工艺、焊接方法与焊接生产 管理。船舶和海洋工程结构物在海水、低温、风浪、 不同腐蚀介质等恶劣环境服役 ,对焊接结构的断裂 ·9· © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 特性、失效分析和可靠性提出了更高的要求。经过 控轧控冷工艺 ( TMCP)得到的低碳微合金钢具有高 强度、高韧性、高抗腐蚀性和焊接性良好、接头抗延 性断裂能力良好等特点 ,作为结构材料在新型船舶、 海洋工程和地下油气输运管道的建设中得到大量应 用 [ 4 ]。文中结合焊接热模拟、示波冲击、扫描电镜 等试验对 X80低合金高强钢多道焊过程中的二次 热循环结果进行深入研究 ,分析焊接热影响区 (HAZ)的脆化问题。 2　试验材料及方法 2. 1　试验材料 试验所用的 X80管线钢是从西气东输管道工 程中铺设冀宁支线的 X80钢管上截取的管材 ,板厚 18 mm。其化学成分如表 1所示。 表 1　X80管线钢的化学成分 (W t% ) 　 元素 C Si Mn P S Cr Mo N i A l Sb V Pb 数值 0. 055 0. 2002 1. 3971 0. 0017 0. 0019 0. 0318 0. 3184 0. 2636 0. 0173 < 0. 0010 0. 04 0. 0009 元素 Sn A s B i Ca Cu Nb Ti B Zn N Fe Sb 数值 0. 0038 0. 0039 0. 0094 0. 0015 0. 2373 0. 0679 0. 0151 0. 0006 < 0. 0015 < 0. 0005 96. 79 < 0. 0010 2. 2　试验方法 焊接热模拟试验在 DM - 100A型热模拟试验 机上进行 ,试样尺寸为 12 mm ×12 mm ×120 mm ,根 据材料的热物性参数和试验方法选定试验参数见表 2,每组参数取 4个试样。热模拟试验后把每组中的 3个试样加工成尺寸为 10 mm ×10 mm ×55 mm的 冲击试样 ,按照 GB 4159—84在 PW 30示波冲击试 验机上进行低温冲击试验 ,试验温度 - 20 ℃,结果 取每组 3个试样的平均冲击韧性值。利用扫描电镜 (JSM - 5410LN )观察冲击断口形貌。然后把每组留 下的 1个试样制备金相 ,在光学显微镜下观察其微 观组织形貌。 表 2　热循环模拟试验参数 组号 加热速度(℃ / s) 一次峰温 Tmax1 (℃) 二次峰温 Tmax2 (℃) Tmax1 ～800 ℃ 冷却时间 ( s) Tmax2 ～800℃ 冷却时间 ( s) 一次热循环 t8 /5 ( s) 二次热循环 t8 /5 ( s) 1 160 800 1300 - 10 8 15 2 160 1300 650 5 - 8 9 3 160 1300 800 5 - 8 15 4 160 1300 950 5 4 8 15 5 160 1300 1200 5 9 8 15 3　试验结果及分析 3. 1　HAZ的二次热循环低温冲击韧性 不同热循环对应的低温 - 20 ℃时冲击韧性值 见图 1,其中“0”代表 X80管线钢母材。结果表明 , X80管线钢受二次焊接热循环作用后 ,低温冲击韧 性显著变化。一次峰温 1300 ℃加热后的粗晶区 ,再 经过二次热循环作用 :当二次峰温为 800 ℃时韧性 显著下降 ,严重脆化 ;而二次峰温为 1200 ℃时韧性 值高于母材 ;二次峰温为 650 ℃和 950 ℃时韧性值 与母材接近。但一次峰温为 800 ℃,再经二次峰温 1300 ℃作用 ,冲击韧性值则远低于母材 ,发生严重 脆化。 3. 2　二次热循环 HAZ组织特征分析 X80钢母材组织为细小的针状铁素体 (见图 2) ,其特征为非等轴铁素体基体上分布着碳化物微 图 1　低温冲击韧性值 粒和 M - A组元 ;针状铁素体彼此咬合 ,交错分布 , 微裂纹在扩展过程中受到阻碍 ,有效提高韧性 [ 5 ] ; 针状铁素体具有高的位错密度和亚结构 ,且第二相 粒子 (微合金元素的碳氮化物 )对位错有钉扎作用 , 均使韧性提高。 经一次热循环峰温 1300 ℃加热后 ,当二次峰温 为 650℃时 ,组织以大量下贝氏体和少量板条马氏 ·01· CPVT　　　　　　　　　　　　X80钢焊接热影响区的二次热循环组织脆化 　　　　　　　　　　　　Vol251No2 2008 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 图 2　X80管线钢组织 　1000 × 体为主 ,同时组织内析出碳化物 (见图 3 ( a) ) ,在晶 界和晶内聚集长大 ,形成一些粒状 M - A组元 ,对韧 性损伤不大 ;大量的下贝氏体组织使得再热粗晶区 韧性值较高。当二次峰温为 800 ℃ (见图 3 ( b) ) , 冲击韧性很低 ,表现为局部脆化 ,板条马氏体粗化 , 冷却重结晶后 ,晶粒未得到细化 ,表现出组织遗传现 象。同时 ,形成大量富碳的粗大 M - A组元 ,使晶界 进一步脆化 ,造成该区整体韧性大大下降。当二次 峰温为 950 ℃,二次热循环使粗晶区组织得到细化 , 得到块状铁素体组织 (见图 3 ( c) ) ,韧性提高。当 二次峰温为 1200 ℃ (见图 3 ( d) ) ,因冷却速度相对 较慢 ,晶粒有所长大 ,但组织分布均匀 ,晶内铁素体 细长针状、交错分布 ,再热粗晶区的韧性值较高。热 循环顺序为 800 ℃ + 1300 ℃时 ,得到粗大的贝氏体 组织 (见图 3 ( e) ) ,由于二次热循环峰温较高 , V , Ti, Nb等的氮化物和碳化物大量的溶解 ,第二相粒 子数量减少和分布不均匀 ,丧失钉扎晶界、阻碍晶粒 长大作用 ,贝氏体板条束粗大、平行 ,甚至贯穿整个 奥氏体晶粒 ,造成晶粒粗化 ,韧性显著下降。 图 3　不同热循环条件下 X80管线钢热影响区的组织形态 　　试验结果表明 ,热影响区经历热循环峰值温度 800 ℃加热或再次加热后 ,得到的晶粒明显粗大 ,冲 击韧性值不足母材的 10%。而在峰值温度为 1200、 950及 650 ℃条件下 ,组织得到改善 ,韧性值降低较 少 ,尤其是经过 1200 ℃的高温加热后 ,晶粒内部为 细长的针状铁素体 ,低温冲击韧性值反而高于母材。 这种现象一方面与组织形态、晶粒大小有关 ,另一方 面 ,有研究表明第二相粒子的高温析出对韧性值也 有很大的影响 [ 6 ]。X80钢含有 Nb, V , Ti等沉淀强 化元素 ,其中 Nb不仅可以提高强度和过冷奥氏体 的稳定性 ,并且适量的 Nb有助于细化晶粒 ,提高韧 性。在高温奥氏体区 , Nb主要固溶于基体中并偏聚 于晶界 ,阻止奥氏体回复与再结晶 ;而在低温奥氏体 区则在晶内、晶界析出碳氮化物 ,钉扎结晶晶界与位 错 ,提高再结晶温度。峰值温度为 1200 ℃时 , V的 碳氮化物全部溶解 ,此时奥氏体晶界上的 TiN基本 不溶解 ;近似球形的第二相粒子 Nb ( C, N )部分溶 解 ,大部分固溶于基体 ,共同阻止奥氏体晶粒长大 , 细化晶粒。峰值温度 800 ℃韧性恶化现象可能与过 多的化合物在晶界析出、聚集有关 ,增大了钢的脆 ·11· 第 25卷第 2期 　　　　　　　　　　　　　　　　压 　　　力 　　　容 　　　器 　　　　　　　　　　　　　总第 183期 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 性。且根据大量的结果表明 [ 7 ] :微合金碳氮化物在 铁素体中沉淀的最大形核率温度约为 600 ℃,最快 沉淀温度约为 700 ℃,沉淀完成时间远低于形核完 成所用时间。经历 800 ℃峰温作用 ,最快沉淀温度 区产生的 VN, VC, Nb (C, N )等碳氮化物大部分都析 出 ,同时由于微合金碳氮化物没有充分时间进行平 衡沉淀析出 ,热影响区中保留了较多的非平衡固溶 氮 ,使韧性降低。 3. 3　冲击断口特征分析 不同热循环条件下 , X80管线钢低温冲击断口 发生从韧性到脆性 ,再向韧性的转变。在二次峰值 温度为 650 ℃,断口形貌以准解理断裂为主 (见图 4 ( a) ) ,其中解理平台较小 ,局部产生撕裂棱 ,断口存 在大量的微裂纹。当二次峰值温度为 800 ℃时 (见 图 4 ( b) ) ,断口形貌以解理断裂为主 ,具有扇形花 样 ,解理平台较大 ,撕裂棱较少且不明显 ,是典型的 解理断裂形貌 ,与大量的第二相粒子在晶界、缺陷处 偏析聚集有关。整个断口为解理断裂 ,韧性值极低。 而当二次峰值温度为 950 ℃和 1200 ℃时 ,均得到如 图 4 ( c)的韧窝状断口形貌 ,韧性得到显著改善。 图 4　二次热循环低温冲击断口形貌 4　结论 (1) X80管线钢多道焊时 ,前一焊道粗晶区受 到后一焊道的再次加热时 ,热影响区的组织、性能将 发生显著变化 ; (2)热影响区经一次峰温 1300 ℃、二次峰温为 650 , 950, 1200 ℃作用 ,晶粒细小 ,组织分布较为均 匀 ,低温冲击韧性较好 ; (3)经一次峰温 1300 ℃、二次峰温 800 ℃作用 后 ,热影响区冲击韧性值大幅度降低 ,发生严重脆 化 ; (4)经热循环 800 ℃ + 1300 ℃作用后主要表现 为粗晶脆化 ,峰温 1300 ℃ + 800 ℃作用后组织脆化 现象受晶粒粗化影响 ,以及和最快沉淀温度附近的 第二相粒子大量偏析和聚集有关。 参考文献 : [ 1 ]　朱丙坤 , 吴伦发. 我国船舶焊接技术的应用现状和发 展趋势 [ J ]. 热加工工艺 , 2005, (10) : 13 - 16. [ 2 ]　李丽茹 , 顾长石. 国外造船焊接技术的发展 [ J ]. 造 船技术 , 2005, (2) : 33 - 34. [ 3 ]　郑惠锦 , 陈家本. 船舶焊接与可持续发展 [ J ]. 造船 技术 , 2005, (4) : 29 - 34. [ 4 ]　焦百泉. 管线钢性能的发展 [ J ]. 焊管 , 1999, 22 (4) : 1 - 7. [ 5 ]　Edmonds D V, Cochrane R C. Structure Properties Rela2 tionship in Bainitic Steels [ J ]. Meta. Trans, 1990, 21 (6) : 1527 - 1540. [ 6 ]　张爱文 , 徐震 , 李青 , 等. Nb对 V - Ti复合微合金化 曲轴用非调质钢组织和性能的影响 [ J ]. 钢铁 , 2004, 39 (6) : 63 - 67. [ 7 ]　Radko Kaspar, Josef Siegfried D istl, Klaus - Joachim, et al. Changes in Austenite Grain Structure of M icroalloyed Plate Steels due to Multip le Hot Deformation [ J ]. Steel Research, 1998, 57 (6) : 271 - 448. 收稿日期 : 2007 - 12 - 19 作者简介 :占焕校 (1983 - ) ,男 ,通讯地址 :山东省东营市中 国石油大学 (华东 )机电工程学院。 ·21· CPVT　　　　　　　　　　　　X80钢焊接热影响区的二次热循环组织脆化 　　　　　　　　　　　　Vol251No2 2008 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net