外焊溫度對X80鋼二次熱循環后熱影響區粗晶區組織與力學性能的影響

林　哲，李紅斌，徐樹成，李小林

（1.華北理工大學冶金與能源學院，河北唐山063009；2.河北省現代冶金技術重點實驗室，河北唐山063009）

外焊溫度對X80鋼二次熱循環后熱影響區粗晶區組織與力學性能的影響

林哲1，2，李紅斌1，2，徐樹成1，2，李小林1，2

（1.華北理工大學冶金與能源學院，河北唐山063009；2.河北省現代冶金技術重點實驗室，河北唐山063009）

通過熱模擬技術、V型缺口沖擊試驗、硬度實驗與顯微分析方法研究了外焊溫度對二次熱循環X80管線鋼粗晶熱影響區組織與性能的影響規律。結果表明：當外焊熱循環峰值溫度在（α+γ）兩相區范圍時，X80管線鋼的韌性最低，明顯低于一次加熱粗晶區；硬度最大，明顯高于一次加熱粗晶區，金相組織中出現大量的粗大、富碳的M-A組元，證明內焊亞臨界粗晶區出現明顯脆化和硬化現象。

X80管線鋼；四絲埋弧焊；二次熱循環；粗晶區

0　前言

在高鋼級管線鋼的焊接時，對于多絲埋弧焊接來說，在打底焊完成后，內焊和外焊都是一道完成，這就造成了內焊的熱影響區和外焊的熱影響區相互重疊。因此內焊熱影響區和外焊熱影響區相互作用，經過兩次熱循環，形成二次熱影響區。內焊時，熱影響區粗晶區在焊縫周圍呈“U”型帶狀分布，由于這條細帶上不同的位置距離外焊熱源長度不同，因此，其受到外焊的二次加熱的峰值溫度不同[1]，引起內焊HAZ粗晶區顯微組織和性能發生變化[2]。X80管線鋼內外焊接熱循環對母材所產生的熱影響區（HAZ）的組織與性能的變化情況國內外已有大量的研究文獻[3-5]，但對于外焊熱循環對內焊熱影響區組織與性能的影響目前少見研究報道。在此研究了外焊溫度對X80管線鋼二次熱循環后熱影響區粗晶區組織與力學性能的影響，總結出隨著外焊峰值溫度的變化，其顯微組織和力學性能的變化規律，對制定合理的焊接工藝具有重要作用。

1.1試樣制備

試驗材料選用國產某鋼廠生產的X80管線鋼，加工成的圓柱型試樣和夏比沖擊試驗所需的方柱。其主要化學成分如表1所示。

表1　X80管線鋼化學成分Tab.1X80 pipeline steel components ％

1.2試驗方法

試驗模擬的是四絲埋弧焊，每個焊絲直徑為φ4 mm，X80管線鋼四絲埋弧焊接內焊重疊熱影響區示意如圖1所示。為獲取X80管線鋼在四絲埋弧焊接內焊重疊熱影響區的組織特點和性能規律，利用Gleeble3500熱模擬機進行熱模擬實驗，采用的熱模擬實驗參數如表2所示。切割拋光后的試樣使用4％的硝酸酒精腐蝕，采用DMI5000M自動金相顯微鏡和S-4800場發射掃描電子顯微鏡觀察金相組織。力學性能測試采用HVST-1000ZA顯微硬度計測試試樣的硬度，試樣選取10 mm×10 mm×55 mm的長方體試樣，選擇長方體的長度方向不同的三個點進行測試，然后取平均值；采用ZBC2602-3型沖擊試驗機測試試樣的沖擊韌性，選取試樣三個為一組，尺寸10 mm×10 mm×55 mm，采用V型缺口。每組三次試驗結果，取平均值作為有效值。

圖1　X80管線鋼內焊熱影響區粗晶區受外焊作用的重疊區Fig.1Overlapping area of external welding on coarse grain zone of internal welding heat affected zone of X80 pipeline steel

表2　內焊重疊熱影響區的熱模擬參數Tab.2Thermal simulation parameters of overlapping area on interior welding heat affected zone

2　試驗結果和討論

2.1內焊熱影響區粗晶區重疊區顯微組織與力學性能

在內焊熱影響區，距離熔融區相同距離的“U”型區域內，熱循環歷程完全相同，且有相同的峰值溫度（1 300℃）。內焊結束后，經歷1 000 s的冷卻過程，然后經歷外焊過程的再次升溫。由于此“U”型區域所處的位置距離外焊熔融區垂直距離不同，因此在外焊二次加熱時，其峰值溫度不同（在此取600℃、800℃、900℃、1 000℃、1 200℃進行研究），導致X80管線鋼模擬內焊粗晶熱影響區的硬度差異很大，隨著外焊峰值溫度的變化，X80模擬內焊熱影響區粗晶區的硬度如圖2a所示。沖擊韌性與外焊峰值溫度的規律如圖2b所示。

鋼的熱影響區的韌性取決于內焊一次熱循環和外焊二次熱循環過程中形成的特定組織及其分布形態[6]。當模擬內焊熱影響區峰值溫度為1 300℃，外焊熱影響區峰值溫度不同時，這種熱循環下所形成的顯微組織分別如圖3所示。

由圖3可知，X80多絲埋弧焊接在內焊峰值溫度為1 300℃時，外焊熱循環隨峰值溫度的變化有一定的規律性[7]。當外焊熱循環峰值溫度在Ac1以下時即600℃（見圖3a），一次熱循環粗晶區經歷了一個短時回火過程：（1）存在部分鐵素體的再結晶；（2）部分M-A組元的分解；（3）少量碳化物的析出。外焊時由于升溫的峰值溫度為600℃，沒有發生相轉變，只發生了組織的輕微轉變即回火軟化過程，各相含量不變，強度硬度下降，韌性升高[8]。

圖2　不同外焊熱循環峰值溫度下X80鋼模擬內焊粗晶區的力學性能分布規律Fig.2Distribution law of mechanical properties of simulated internal welding coarse grain zone under the peak temperature of different external welding thermal cycle

圖3　不同外焊熱循環峰值溫度下模擬內焊粗晶區的顯微組織Fig.3Microstructure of simulated internal welding coarse grain zone under the peak temperature of different external welding thermal cycle

當外焊熱循環峰值溫度高于Ac3溫度時即1 100℃（見圖3d），此時奧氏體完全重結晶，其組織明顯細化。綜合以上實驗結果可知，當內焊峰值溫度為1 300℃，外焊峰值溫度在Ac1以下和Ac3以上時，材料韌性優良，韌性和硬度沒有明顯變化。

當外焊熱循環峰值溫度處于Ac1～Ac3之間，即相變臨界區（α+γ）溫度范圍時（在此選取800℃），顯微組織如圖3b所示。此時力學性能則發生明顯變化[9]，硬度最高，表現為內焊焊接臨界粗晶區（IICGHAZ）脆化。隨著溫度的降低，奧氏體和部分高溫馬氏體轉變為貝氏體、馬氏體、鐵素體和殘余奧氏體。

2.2內焊熱影響區重疊區亞臨界粗晶區局部脆化機理

（1）晶粒粗大導致脆化。

X80管線鋼的內焊焊接熱循環粗晶區在經歷Ac3即900℃以上溫度的外焊接熱循環后，微觀組織發生轉變，奧氏體發生完全重結晶，故其組織得到明顯細化。與此不同的是，X80鋼的內焊熱循環粗晶區經歷峰值溫度在Ac1～Ac3之間溫度時，即（α+γ）兩相區間的外焊接熱循環后，雖然發生了部分重結晶，但經歷外焊熱循環后，內焊焊接熱循環粗晶區經歷并沒有明顯細化，變為內焊亞臨界粗晶區。

內焊接熱循環粗晶區形成了少量針狀鐵素體。這些組織在奧氏體某一取向上以切變方式生成，并與母相保持著某種位向關系。當內焊熱循環粗晶區的這些非平衡組織受到（α+γ）兩相區溫度區間的外焊二次熱循環時，重結晶奧氏體為減小相變阻力，形核時力求與結晶學有序組織在密排面和密排方向上保持平行。這種有取向形核導致重結晶奧氏體繼承了內焊熱循環粗晶區的粗大組織。所以在外焊熱循環時，雖然發生了部分重結晶，但是組織大小不均，已重結晶的部分會細化，沒有重結晶的部分不細化。導致二次熱循環形成的內焊臨界粗晶區韌性較差。與此不同的是，當二次焊接熱循環的峰值溫度超過900℃時，已形成的奧氏體由于相變硬化現象而發生重結晶，導致晶粒細化，從而使韌性提高[10]。

（2）M-A組元致脆。

管線鋼在內焊一次焊接熱循環過程中形成的M-A組元是除晶粒大小之外內焊臨界粗晶區局部脆化的形成主要機理[11]。X80管線鋼的內焊亞臨界粗晶區，內焊臨界粗晶區，內焊過臨界粗晶區，內焊未變粗晶區的顯微組織分別如圖4所示。

圖4　內焊熱影響區重疊區不同區域的SEM圖像Fig.4SEM images of ISCGHAZ，IICGHAZ，ISCCGHAZ，IUCGHAZ

由于經歷內焊過程的粗晶熱影響區晶粒粗大，為相變過程M-A組元的形成提供了必要條件，因而M-A組元優先在原奧氏體晶界處形成，在形態上表現為“散開的珠子”結構[12]。

內焊臨界粗晶區局部脆化受到M-A組元的形態、含量和大小的影響。分析掃描電鏡照片可知，內焊臨界粗晶區中的M-A組元形態主要分為塊狀和條狀兩類。研究表明，M-A組元的含量和大小是引起局部脆化的重要因素，M-A組元誘發裂紋輔助因素。由圖4可知，在內焊臨界粗晶區中有比內焊亞臨界粗晶區、內焊過臨界粗晶區、內焊未變粗晶區中含量更多、尺寸更粗大的M-A組元，這種粗大形態的M-A組元是導致內焊臨界粗晶區脆性增強的主要原因。

研究表明，對內焊一次焊接熱循環粗晶區進行外焊二次焊接熱循環到（α+γ）混合區再冷卻后，MA組元的含量和尺寸發生變化，而且形成的M-A組元的形態發生特定的變化。分析表明，鋼的熱影響區經一次熱循環形成的非平衡組織具有一定位向性，當外焊二次熱循環的峰值溫度處于Ac1～Ac3之間時，即（α+γ）兩相區，由于碳原子易于作定向分布，使得碳的濃度分布不均勻。由于在奧氏體、鐵素體兩相混合區內，鐵素體的形成過程伴隨著其碳元素的析出，使得形成的奧氏體的含碳量高于單相奧氏體。隨著冷卻的進行，這種富碳的γ會轉變成為含碳量更高的M-A組元。這種M-A組元極易誘發顯微裂紋和成為裂紋擴展的通道，致使韌性嚴重降低。

3　結論

（1）在內焊熱影響區粗晶區內，當外焊熱循環峰值溫度在（α+γ）兩相區范圍時，X80管線鋼的韌性最低，明顯低于一次加熱粗晶區；硬度最大，明顯高于一次加熱粗晶區，證明內焊臨界粗晶區出現明顯脆化和硬化現象。

（2）大量粗大、富碳的M-A組元引起組織脆化和硬化，使內焊亞臨界粗晶區組織性能較內焊熱影響區重疊區內的其他區域差。

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Influence of the external welding temperature on microstructure and mechanical properties of coarse grain heat-affected zone after secondary welding thermal cycle in an X80 steel

LIN Zhe1，2，LI Hongbin1，2，XU Shucheng1，2，LI Xiaolin1，2
（1.College of Metallurgy and Energy North China University And Technolgy，Tangshan 063009，China；2.Hebei Province Key Laboratory of Modern Metallurgical Technology，Tangshan 063009，China）

The influence law of external welding temperature on microstructure and property of coarse grain heat-affected zone in a X80 pipeline steel during double welding thermal cycle was investigated by thermal simulation technique，Charpy V test，Hardness test and microscopic analysis method.The results indicated that the toughness of X80 pipeline steel was the lowest when external welding peak temperature during double welding thermal cycle was in two phase(α+γ)temperature range，which was significantly inferior to primary coarse grain heat-affected zone；and the hardness of X80 pipeline steel was the biggest in the same case，which was significantly higher than the primary coarse grain heat-affected zone，lots of M-A component which was thick and carbon-rich appeared in the metallographic structure，proved that the embrittlement and hardening phenomenon had happened in subcritical coarse grain zone of internal welding.

X80 pipeline steel；four wire submerged arc welding；secondary thermal cycle；coarse grain zone

TG457.11

A

1001－2303（2016）03－0084-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.03.18

2015－10－11

相變法制備亞微米鐵素體研究（E2015209243）

林哲（1990—），男，廣西欽州人，碩士，主要從事焊接熱影響區組織及力學性能演變的研究。