管線鋼焊縫中晶內針狀鐵素體的研究進展*

李 東，尹立孟，王學軍，蔣 勇，耿燕飛，姚宗湘

（1.重慶科技學院冶金與材料工程學院，重慶 401331；2.四川石油天然氣建設工程有限責任公司，成都610041；3.四川大西洋焊接材料股份有限公司，四川自貢643000）

管線鋼焊縫中晶內針狀鐵素體的研究進展*

李 東1，尹立孟1，王學軍2，蔣 勇3，耿燕飛1，姚宗湘1

（1.重慶科技學院冶金與材料工程學院，重慶 401331；2.四川石油天然氣建設工程有限責任公司，成都610041；3.四川大西洋焊接材料股份有限公司，四川自貢643000）

為了研究晶內針狀鐵素體（intragranular acicular ferrite，IAF）對低碳微合金高強度管線鋼焊接質量的影響，從IAF的本質、形核機理和長大以及影響其形核的因素等幾方面進行了詳細分析。研究認為，IAF是一種以非金屬夾雜物誘發形核長大的組織，夾雜物種類、夾雜物尺寸、原奧氏體晶粒尺寸和冷卻速度是影響其形核的主要因素，低碳微合金高強度管線鋼焊縫中的IAF具有顯著提高管線鋼強度和改善韌性的作用。研究結果以期為高性能管線鋼焊接的深入研究及生產實踐提供科學指導與參考。

管線鋼；晶內形核針狀鐵素體（IAF）；形核長大；機理

隨著全球對石油、天然氣需求的日益增長以及管道工業的持續快速發展，對油氣運輸管道的要求也越來越高[1]。為了滿足低成本、高強度、高壓力與大直徑等方面的要求，低碳微合金高強度管線鋼應運而生，其中X70、X80已經得到比較廣泛的應用，X90、X100和X120第三代高強度高韌性管線鋼的研究與應用也日臻成熟。X80等管線鋼在生產過程中采用控軋控冷技術（TMCP）以獲得晶粒細小的針狀鐵素體（acicular ferrite，AF），并伴隨有微合金元素析出相和位錯亞結構，最終使其具有良好的綜合力學性能[2]。然而，這些管線鋼在焊接時往往經歷了復雜的焊接冶金過程和熱循環作用，導致焊接接頭（尤其是焊縫）組織和性能發生了很大的變化，成為運輸管道（管線）中最為薄弱的部分[3]。通過長期的實踐探索與研究，最近人們發現了一種可以顯著提高和改善焊接接頭力學性能的晶內針狀鐵素體（intragranular acicular ferrite， IAF）。

Smith等最早在1972年就提出了針狀鐵素體的概念，并且普遍認為管線鋼中的針狀鐵素體是指在略高于上貝氏體形成溫度的條件下，以切變和擴散混合機制形成的具有高位錯密度的貝氏體（B）[2]。 與針狀鐵素體（AF）不同的是， 晶內形核針狀鐵素體（IAF）最初發現于低碳微合金化高強度鋼的焊接接頭中[4]，是依靠焊縫中的夾雜物誘發形核長大的一類鐵素體組織（F），并且被認為是一種改善焊接接頭韌性和提高強度的理想組織。因此，關于IAF的研究毋容置疑成為人們關注的焦點問題，引起了學術和工業界持續與廣泛的關注。本研究擬從IAF的本質、形核機制與長大過程以及影響IAF形核的因素等方面進行較為深入的闡述，以期為低碳微合金高強度管線鋼焊接的深入研究及生產實踐提供科學指導與參考。

1 晶內針狀鐵素體（IAF）的本質

在早期的研究中，一些學者認為焊縫中形成的IAF是一種不同于鐵素體（F）、貝氏體（B）的全新組織，也有些學者認為，IAF是晶內形核的魏氏體鐵素體組織（WF）。Bhadeshia等人基于IAF和貝氏體的轉變溫度相同而認為IAF就是貝氏體組織[5-6]。但是，僅僅從轉變溫度來說明兩者本質上的等同有點過于牽強，并且IAF和貝氏體的具體轉變溫度實際上也很難確定。

從形核的角度可以較好地解釋IAF和魏氏體鐵素體以及貝氏體的一些區別，圖1所示為夾雜物以及晶粒尺寸等形核條件與生成組織的對應關系[7]。

從圖1可以看出，當奧氏體內含有夾雜物，同時原奧氏體晶粒尺寸較大時才會形成IAF，否則將形成魏氏體鐵素體或者貝氏體。通常，晶界鐵素體（allotriomorphic ferrite）是甄別奧氏體內部組織是否為IAF的重要標志。只有魏氏體鐵素體或貝氏體存在的奧氏體是沒有晶界鐵素體的，因此也就不可能形成IAF。

圖1 形核條件與生成組織的對應關系

另外，還有學者認為IAF和貝氏體的生長機制以及溫度范圍完全一致，只是形核位置有所區別[8]。Ghomashchi集合大家的觀點認為IAF可能包括晶界鐵素體、魏氏體鐵素體和貝氏體，是幾種組織的混合物[7]。我們認為，當形核條件完全處于IAF形核條件范圍內的時候，IAF本質上應該就是鐵素體，既不是魏氏體鐵素體，也不是貝氏體。

2 晶內針狀鐵素體（IAF）的形核

2.1 形核機理

關于IAF的形核機理，目前比較認同的有晶格錯排誘發IAF形核、應力應變場誘發IAF形核、化學反應或溶質損失增加轉變所需的驅動力誘發IAF形核和惰性界面誘發IAF形核4種。

晶格錯排誘發IAF形核機理認為某些夾雜物之所以可以誘發IAF形核，是因為其具有與鐵素體相近的晶體結構，可以和鐵素體形成共格界面或半共格界面，從而降低了鐵素體形核的界面能，促進IAF形核[9]。然而該機理對于與鐵素體具有較小晶格錯配度的TiN和Al2O3這兩種夾雜物卻不適用。相反，Ti2O3與鐵素體的晶格錯配度較大卻可以誘發IAF形核[10]。

應力應變場誘發IAF形核機理認為在同樣的冷卻條件下，由于奧氏體和夾雜物的熱膨脹系數（CTE）不同，分別表現出不同的收縮程度，進而導致兩者界面處產生應力應變場，增加了鐵素體形核的驅動力，促進其形核。但是，與奧氏體CTE值相近的夾雜物A12O3和TiO2在誘發IAF形核時表現出的趨勢則完全相反[10]。

化學反應或溶質損失、增加轉變所需熱驅動力誘發IAF形核機理認為，在夾雜物表面會析出錳化物或者碳化物，導致夾雜物周圍形成脫碳區或脫錳區，從而提高IAF轉變溫度，鐵素體相變驅動力增大，形核功降低，促進其形核[11]。然而，MnS周圍沒有元素擴散依然可以誘發形成IAF[12]。

惰性界面誘發IAF形核機理認為夾雜物表面可以作為惰性界面，為IAF形核提供位置，并且IAF的形核是由夾雜物的尺寸、形狀以及奧氏體和夾雜物的界面能決定的，而與夾雜物種類無關[5]。相對而言，惰性界面誘發形核機理可以比較全面地解釋IAF在夾雜物上形核。但是，是否不同的夾雜物具有不同的形核機理，不同的條件下夾雜物會以不同的方式形核等問題還有待進一步研究。

綜上所述，現有的4種機理均不能很好地解釋全部夾雜物的形核過程，甚至存在彼此矛盾的地方。我們認為，復合形核機理似乎更能全面地解釋IAF的形核，即幾種機理協同作用誘發IAF形核。

2.2 形核及長大

在一次焊接熱循環過程中，IAF首先在一部分夾雜物形核，并放射狀生長呈“星狀”（starlike），此時形成的IAF稱為一次IAF。原奧氏體晶粒中的多個夾雜物同時形核，長大的IAF板片相互交錯，將原奧氏體晶粒分割成若干很小的區域，每個單獨IAF隨后的生長也會被限制在小區域內，這正是IAF晶粒細小的原因之一[13]。

二次焊接熱循環為那些在一次熱循環過程中沒有形核的夾雜物提供了形核的可能，這些夾雜物會以同樣的方式形核并長大，二次熱循環產生的IAF稱為二次IAF。由于焊接過程的復雜性，若高溫停留時間較短或冷卻速率較快，IAF形核點周圍環境來不及變化，在冷卻過程中，該點會再次析出IAF板片。這種以原位析出方式長出的IAF即使出現在二次熱循環過程中，也稱之為一次IAF，這也證明了IAF具有遺傳性[14]。隨著IAF板片的長大與形核的發生，不同角度生長的IAF板片會發生越來越多的接觸，這種接觸不僅發生在IAF之間，而且發生在IAF與晶界鐵素體之間， 這種現象稱為“硬接觸”（hard impinge-ment）[15]，導致IAF最終呈現“筐狀”（basket-weave）。 另外，在相鄰夾雜物形核的IAF板片之間會自發形成新的鐵素體，這種現象稱為共感形核（sympathetic nucleation）。它出現在IAF邊界的特定部位上。在一次IAF和共感形核的二次IAF相交處有明顯的相貫線。圖2是基于圖像三維重建技術得到的共感形核模型[16]。共感形核現象也是焊縫金屬經歷二次熱循環后所獨有的現象[17]。共感生成的二次IAF在一次鐵素體的基體上形核并以一定的速率迅速長大到有限的尺寸，而與一次IAF中夾雜物的成分、形態無關。共感形核過程中起著重要作用的是一次IAF中的高密度位錯，它所造成的高應力應變能與一次IAF中的高界面能共同促使共感現象的發生[18]。

圖2 一次IAF和共感形核IAF

3 晶內針狀鐵素體（IAF）形核的影響因素

3.1 夾雜物尺寸

研究發現，能夠誘發IAF形核的夾雜物的尺寸介于0.2～0.6 μm之間[19-20]。當夾雜物尺寸太小的時候，非金屬原子貧乏區的能量勢壘減小，不足以完成IAF的形核。若夾雜物數量少且尺寸小，則這些小尺寸的復合夾雜物在焊接熱循環升溫過程中能夠有效地阻礙奧氏體晶粒的長大，最終導致奧氏體晶粒粗大化，不足以形成IAF；若夾雜物尺寸小、數量多，則對奧氏體晶粒有釘扎作用[21]，得到的奧氏體晶粒比較小，晶界鐵素體會先于IAF形成。大尺寸夾雜物的主要作用是為鐵素體形核提供位置[22]。

3.2 夾雜物種類

在焊接過程中，由于復合夾雜物熔點較高，在經歷了二次焊接熱循環后依然可以保持不溶解[10]，從而為IAF形核創造了良好的條件。但并非所有的夾雜物都能形成IAF。通過對IAF形核夾雜物進行能譜分析，發現夾雜物主要包括TiOx、SiO2、Al2O3等氧化物和 Mn、Cu與 S形成的MnS、CuS等多相硫化物，以及AlN、TiN等氮化物。夾雜物的形成和長大主要發生在液態金屬中。在高溫熔池中，一些元素會發生氧化或脫氧反應形成高熔點的氧化夾雜物。在焊縫冷卻過程中，高熔點夾雜物周圍的原子會向夾雜物表面遷移并迅速結合成為高熔點的復合夾雜物。有研究對單個夾雜物的4個不同位置進行能譜分析，發現同一夾雜物的不同位置的元素含量差別很大[23]。隨著冷卻的繼續發生，硫元素也會和某些合金元素結合形成熔點相對較低的硫化物質點[10，24]。這些夾雜物都為IAF的形核提供了位置條件。

3.3 原奧氏體晶粒尺寸

在多道焊中，由于焊接熱循環的峰值溫度不同，原奧氏體晶粒的大小也不一樣。當原奧氏體晶粒尺寸處于一個較小的范圍時，由于晶界面積的增多，有助于形成晶界鐵素體和貝氏體。只有當原奧氏體晶粒尺寸大于一定值的時候，才會形成IAF。有研究通過原位觀察的方法，對試樣進行不同峰值溫度和保溫時間的處理，測量了奧氏體晶粒尺寸并觀察了試驗后的組織，發現當原奧氏體晶粒尺寸小于55.0μm時將不會產生IAF[21]。

3.4 冷卻速度

焊縫中形成的IAF可以在較大的冷卻速度范圍內出現，并且冷卻速度是影響IAF形成的關鍵因素之一。在較小的冷卻速度下，尤其是線能量（熱輸入）較大時，淬硬性不足以完成鐵素體形核。而冷卻速度較大時，則有可能形成大量的貝氏體和馬氏體。

4 結 語

晶內針狀鐵素體（IAF）是最近發現的一種改善管線鋼強度與韌性的理想組織，其形核與長大歷經焊接冶金與熱循環復雜過程，影響IAF形核的因素較多，如夾雜物尺寸、夾雜物種類、原奧氏體晶粒尺寸以及冷卻速度等。另外，關于IAF的形核機理，目前尚未達成共識，亟待進一步深入研究。

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Research Progress of Intragranular Acicular Ferrite in Pipeline Steel Weld

LI Dong1,YIN Limeng1,WANG Xuejun2,JIANG Yong3,GENG Yanfei1,YAO Zongxiang1
（1.School of Metallurgy and Materials Engineering,Chongqing University of Science and Technology,Chongqing 401331,China;2.Sichuan Petroleum Construction Engineering Co.,Ltd,Chengdu 610041,China;3.Sichuan Atlantic Welding Consumable,Zigong 643000,Sichuan,China）

In order to study the influence of intragranular acicular ferrite(IAF)on welding quality of low carbon microalloyed high strength pipeline steel,in this article,it detailedly analyzed from several aspects,such as IAF essence,nucleation mechanism and grow up,and effect factors on nucleation.The research results considered IAF is a kind of structure caused by non-metallic inclusion inducing nucleation,inclusions species,inclusions size,the original austenite grain size and cooling rate are the main factors affecting nucleation.IAF in low carbon microalloyed high strength pipeline steel weld can significantly improve the strength and toughness of pipeline steel.The study will provide scientific guidance and reference for further research and production practice of high performance pipeline steel welding.

pipeline steel;intragranular acicular ferrite(IAF);nucleation growth;mechansim

TG113.12

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.02.003

重慶市前沿與應用基礎研究項目（cstc2014 jcyjA40009、cstc2015jcyjA50017），重慶市研究生科研創新項目（CYS15227）。

李 東（1992—），男，碩士研究生，主要從事高性能管線鋼焊接與力學可靠性評價工作。

2015-11-30

羅 剛