X80與X100管線鋼粗晶區(qū)SHCCT曲線的比較研究

唐 麗 ，李 東 ，尹立孟 ，王學軍 ，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(shè)工程有限責任公司，四川成都610213）

X80與X100管線鋼粗晶區(qū)SHCCT曲線的比較研究

唐 麗 1，李 東 1，尹立孟 1，王學軍 2，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(shè)工程有限責任公司，四川成都610213）

采用相變儀DIL805A/D將X80、X100管線鋼空心微縮管狀試樣，以200℃/s加熱至1 350℃，保溫10s后以1～200℃/s的不同速度冷卻至室溫，在分析顯微組織、硬度和相變溫度的基礎(chǔ)上獲得兩種管線鋼的粗晶區(qū)SHCCT曲線。對比發(fā)現(xiàn)，隨著冷卻速度的增加，X80與X100的相變溫度均降低，而硬度都增加；在相同冷卻速度下，X100的相變溫度明顯低于X80，硬度卻更高。對于X100管線鋼，當v＜10℃/s時，粗晶區(qū)為GB、QF和M-A組元的混合組織；當10℃/s≤v≤50℃/s時，組織由GB、BF和M-A組元組成；當v＞50℃/s時，出現(xiàn)LM組織，當v＞100℃/s后轉(zhuǎn)變?yōu)長M和M-A組元的混合組織。而X80管線鋼只有當v≥25℃/s時才出現(xiàn)BF，v＞100℃/s時開始出現(xiàn)LM組織。

管線鋼；粗晶區(qū)；SHCCT曲線；顯微組織；硬度

0 前言

油氣輸送管道不斷朝著高壓、大口徑、長距離、大厚壁以及高強韌性方向發(fā)展，要求管線鋼本身和焊接接頭均具有優(yōu)良的性能以確保管線的安全性和可靠性[1]。模擬焊接熱影響區(qū)連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變曲線（SHCCT曲線）不僅可以直觀準確地判斷金屬材料的組織及其冷裂傾向、硬度等性能，還能為組織與性能之間的定量相關(guān)性研究提供參考依據(jù)。

目前，關(guān)于同一管線鋼在不同成分和有無應(yīng)變的情況下的SHCCT曲線已有不少研究。Gianetto等人[2]研究了不同成分的X80管線鋼粗晶區(qū)SHCCT曲線后發(fā)現(xiàn)，增加釩元素會導致粗晶區(qū)（CGHAZ）的相變溫度下降，增加應(yīng)變將使X80管線鋼的貝氏體轉(zhuǎn)變溫度提高30～80℃。不過，應(yīng)變程度對管線鋼的組織規(guī)律影響不明顯，有無變形均使X80管線鋼在較小冷速生成粒狀貝氏體（GB）組織、在中等冷速生成貝氏體鐵素體（BF）組織、在較大冷速獲得板條馬氏體（LM）組織[3]。張驍勇等人[4-5]模擬X100管線鋼粗晶區(qū)SHCCT曲線得知，生成GB組織時晶粒內(nèi)伴有不均勻的粗大塊狀/條狀M-A組元產(chǎn)生，而BF組織則以細密、平行生長態(tài)存在；且隨著冷卻速度的增加，相變開始溫度和結(jié)束溫度均降低，GB數(shù)量減少，LM數(shù)量增多，原溫度奧氏體晶粒和BF板條細化，使該區(qū)域的硬度值高于母材。文獻[6]研究發(fā)現(xiàn)，為了防止熱硬化和降低冷裂紋敏感性，預熱溫度100～150℃并采用線能量為12～18 J/cm的工藝進行焊接最佳。鑒于高強度、高韌性X100管線鋼的經(jīng)濟性和工程應(yīng)用的前景性，以及目前尚無X80和X100管線鋼兩者的SHCCT曲線對比研究的相關(guān)報導，本研究基于焊接熱模擬技術(shù)，采用DIL805A/D相變儀和光學、掃描電子顯微鏡以及維氏硬度計測定兩種管線鋼粗晶區(qū)的SHCCT曲線，對比分析兩者異同，以期為X100管線鋼焊接工藝的優(yōu)化和推廣應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 實驗材料和方法

實驗采用厚度分別為18.4 mm的X80管線鋼和13.5 mm的X100管線鋼，其主要化學成分和綜合力學性能分別如表1、表2所示。為了實驗方便以及接近實際工程焊接情況，將兩種管線鋼精密加工成 4 mm×3 mm×10 mm（外徑×內(nèi)徑×長度）的空心微縮管狀試樣。X80和X100管線鋼的顯微組織如圖1所示。X80管線鋼的顯微組織由準多邊形鐵素體（QF）、多邊形鐵素體（PF）和M-A組元組成（見圖1a），顯微硬度198 HV0.2；X100管線鋼的顯微組織由細小GB、少量QF和M-A組元組成（見圖1b），顯微硬度256 HV0.2。

表1 X80與X100管線鋼的主要化學成分%

表2 X80與X100管線鋼的主要力學性能

采用DIL805A/D相變儀進行模擬焊接，先將試樣以200℃/s加熱至峰值溫度1 350℃，保溫10 s，再分別以 1℃/s、5℃/s、10℃/s、15℃/s、25℃/s、50℃/s、100℃/s和200℃/s的速度冷卻至室溫。根據(jù)測得的熱膨脹曲線確定材料在各個冷卻速度下對應(yīng)的相變溫度。并將經(jīng)歷不同熱循環(huán)焊接模擬試驗的試樣打磨、拋光和腐蝕（4%硝酸酒精溶液）后采用光學顯微鏡（Leica-2500）和掃描電鏡（S-3700N）觀察其顯微組織，使用維氏硬度計（HV-1000）測定其硬度，最后利用Origin數(shù)據(jù)處理軟件繪制出SHCCT曲線。

圖1 X80與X100管線鋼的顯微組織

2 實驗結(jié)果和分析

2.1 顯微組織

不同冷卻速度下X80和X100管線鋼微縮試樣焊接CGHAZ的顯微組織分別如圖2、圖3所示。可以看出，在v＜10℃/s時，由于在高溫停留時間較長，主要發(fā)生高溫轉(zhuǎn)變，其組織類型變化不大，X80粗晶區(qū)主要為QF、PF和少量M-A組元的混合組織（見圖2a）。而X100粗晶區(qū)主要為GB以及少量QF和M-A組元的混合組織（見圖3a）。隨著冷卻速度的增大，PF、QF等韌性組織逐漸減少，原奧氏體的晶粒尺寸隨之增加，晶界逐漸清晰化。

圖2 不同冷卻速度下X80管線鋼CGHAZ的顯微組織SEM照片

在一定冷卻速度下，半擴散相變產(chǎn)生的GB將達到極限值，并開始生成BF組織。X80粗晶區(qū)在10℃/s≤v＜25℃/s時，由 QF、GB 和少量 M-A 組元組成（見圖 2b），在 25℃/s≤v≤100℃/s時，由 GB、BF和少量M-A組元組成（見圖2c）。X100粗晶區(qū)在10℃/s≤v≤50℃/s時，由GB、BF和少量M-A組元混合而成，如圖3c所示。隨著冷卻速度的進一步增大，GB逐漸減少，BF逐漸增加，同時BF的板條及板條束逐漸清晰化，由原奧氏體晶界以相互平行的板條向晶內(nèi)生長，不同BF板條束將原奧氏體晶粒以大角度晶界分隔成不同區(qū)域，使得晶粒尺寸較為細小，且在一個奧氏體晶粒內(nèi)的板條束以不同位向交錯分布，有效地細化晶粒并抑制裂紋擴展，這與已有研究發(fā)現(xiàn)基本一致[7-8]。同時，M-A組元也由塊狀向條狀、針狀轉(zhuǎn)變。

當v＞100℃/s時，X80管線鋼冷卻過程中較大的過冷度為相變提供驅(qū)動力，促使組織優(yōu)先發(fā)生切變型轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生LM組織（見圖2d、圖2e）；而X100管線鋼在v＞50℃/s時，所提供的過冷度足以提供切變型轉(zhuǎn)變所需的能量，得到LM、BF和少量M-A組元的混合組織（見圖3c～圖3e）。顯然，相變類型與冷卻速度密切相關(guān)，冷卻速度越大，發(fā)生切變型相變的可能性越大，當冷卻速度足夠大時（即v≥100℃/s），X100管線鋼CGHAZ的顯微組織幾乎只有LM和M-A組元，見圖3d～圖3e。此外，對比相同冷速下的X80與X100粗晶區(qū)的組織可以發(fā)現(xiàn)，X80管線鋼粗晶區(qū)的晶粒更均勻和細小。

2.2 硬度

硬度是力學性能的一個重要指標。采用200 N小負荷維氏硬度計測得兩種管線鋼在不同冷卻速度下CGHAZ的硬度值如圖4所示。

由圖4可知，隨著冷卻速度的增加，PF和QF等高塑、韌性組織逐漸減少至消失，BF和LM等脆硬組織隨之增加，硬度值呈階梯形上升。其中X80粗晶區(qū)的硬度值由母材的198 HV0.2逐漸增至最大冷速（200℃/s）下的324.7 HV0.2，但增加幅度呈階段性減小。而X100粗晶區(qū)的硬度值由母材的256 HV0.2先減小至1℃/s冷速下的最小硬度值181.4HV0.2，再逐漸增加至200℃/s冷速下的硬度值336.4 HV0.2。由于硬度與顯微組織等因素密切相關(guān)，粗大的板條狀脆硬BF、LM比塊狀GB對硬度的影響更大[9]。經(jīng)歷熱循環(huán)作用后，X100母材中均勻細小的GB和QF組織轉(zhuǎn)變?yōu)镃GHAZ中板條狀的BF和LM組織，且隨著冷卻速度的增加，GB含量減少，BF、LM含量增加，同時板條寬度隨之增加，使得CGHAZ硬度增加。當v≤50℃/s時，X100粗晶區(qū)的硬度明顯低于母材，存在一定的軟化趨勢；當v＞50℃/s時，雖生成脆硬的LM組織，其硬度值仍低于國際焊接學會提出的鋼的焊接冷裂紋傾向的臨界硬度[10]。

此外，由于X100管線鋼中Cr元素的增加，強度近乎直線上升的同時硬度也大大增加，加上略高于X80管線鋼的Mn元素的固溶強化、Nb和V等元素的碳化物、氮化物或碳、氮化物的沉淀強化和析出強化作用[11-12]，其硬度值曲線相比X80的硬度值曲線向上移動，但冷卻速度小于5℃/s時由于嚴重的軟化作用，該趨勢不明顯。

2.3 SHCCT曲線

通過切線法獲得不同冷卻速度下X80、X100管線鋼所測得的熱膨脹曲線的相變開始溫度和相變結(jié)束溫度，如表3所示，并結(jié)合所得顯微組織和硬度，繪得兩管線鋼焊接粗晶區(qū)的SHCCT曲線如圖5所示。

圖4 不同冷卻速度下兩種管線鋼CGHAZ的硬度

表3 不同冷卻速度下兩種管線鋼的相變溫度

由表3可知，兩種管線鋼的相變溫度變化趨勢相似，均隨著冷卻速度的增加而降低，且相變區(qū)間都維持在較窄范圍（約100℃），各自的相變開始溫度和相變結(jié)束溫度變化趨勢也基本保持一致。X80管線鋼在v＜25℃/s時，相變開始溫度都高于550℃發(fā)生高溫轉(zhuǎn)變，因此得到PF、QF和M-A組元的混合組織；而X100管線鋼在v＜10℃/s時，轉(zhuǎn)變類型與X80相似，其CGHAZ組織也為QF等高溫組織，并且隨著冷卻速度的增加，相變溫度急劇下降，相變產(chǎn)物由QF等高溫產(chǎn)物向GB等中溫產(chǎn)物轉(zhuǎn)變。X80管線鋼在25℃/s≤v≤100℃/s時與X100管線鋼在10℃/s≤v≤50℃/s時一致，相變溫度都位于中溫轉(zhuǎn)變區(qū)，且下降趨勢非常緩慢，在該溫度區(qū)間管線鋼發(fā)生擴散和切變混合型的貝氏體轉(zhuǎn)變，即同種轉(zhuǎn)變機制的GB組織逐漸向BF組織過渡。X80管線鋼在v＞100℃/s和X100管線鋼在v＞50℃/s時，相變溫度均大幅度下降，發(fā)生切變型的馬氏體轉(zhuǎn)變，生成脆硬的板條馬氏體（LM）組織，且隨著冷速的增加，X100管線鋼相變溫度下降幅度放緩，導致LM組織的含量逐漸飽和。對比兩種管線鋼的轉(zhuǎn)變規(guī)律發(fā)現(xiàn)，發(fā)生同種轉(zhuǎn)變X100管線鋼需要的冷卻速度更小，使得其SHCCT曲線右移。

圖5 兩種管線鋼粗晶區(qū)的SHCCT曲線

此外，在相同冷卻速度下，由于X100管線鋼含有更多的Nb和Mo元素，Nb會延遲奧氏體再結(jié)晶過程、降低相變溫度；Mo也能夠降低相變溫度，并且抑制塊狀鐵素體的形成、促進針狀鐵素體的轉(zhuǎn)變[13]，使X100粗晶區(qū)的相變溫度明顯低于X80粗晶區(qū)的相變溫度。

3 結(jié)論

（1）總體而言，X80與X100粗晶區(qū)的組織變化規(guī)律類似。X100管線鋼粗晶區(qū)在v＜10℃/s時，為GB、少量QF和M-A組元的混合組織；在10℃/s≤v≤50℃/s時，為GB、BF和M-A組元的混合組織；當v＞50℃/s時開始出現(xiàn)LM組織，直到v＞100℃/s，全部由LM和M-A組元組成。而X80管線鋼則是在v＞25℃/s時才出現(xiàn)BF，v＞100℃/s時開始出現(xiàn) LM組織。

（2）隨著冷卻速度的增加，兩種管線鋼CGHAZ的硬度都增加；在相同冷卻速度下，X100粗晶區(qū)的硬度高于X80。

（3）兩種管線鋼的SHCCT曲線變化規(guī)律相似，相變溫度均隨著冷卻速度的增加而降低，相變區(qū)間都維持在100℃左右；但X100相比X80的SHCCT曲線向右移動，且在相同冷卻速度下相變溫度明顯低于X80。

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Comparison of SHCCT curves of coarse grained heat affected zone between X80 and X100 pipeline steel

TANG Li1，LI Dong1，YIN Limeng1，WANG Xuejun2，YAO Zongxiang1
（1.School of Metallurgy and Materials Engineering，Chongqing University of Science and Technology，Chongqing 401331，China；2.Sichuan Oil and Gas Construction Engineering Co.，Ltd.，Chengdu 610213，China）

The DIL805A/D quenching dilatometer was adopted to simulate thermal cycles of miniature and X80 and X100 pipeline steel hollow cylinder specimens.By using a heating rate of 200℃/s and a peak temperature of 1350℃with 10s holding time，then cooled down to room temperature with a cooling rate of 1～200℃/s.The SHCCT curves of coarse grained heat affected zone of two kinds of pipeline steels were obtained on the basis of the microstructure，hardness and phase change temperature.The results show that，as the cooling rate increases，the phase transition temperature of X80 and X100 decreases，but the hardness increases.The phase change temperature of X100 is obviously lower than that of X80 with the same cooling rate，but the hardness is higher than that of X80.The microstructure of coarse grained heat affected zone of X100 is a mixed structure when the cooling rate is lower than 10 ℃/s，including of GB，a small amount of QF and M-A constituents.GB，BF and M-A components prevail in the X100 with a cooling rate of 10～50℃/s.The LM forms in the X100 when the cooling rate is higher than 50℃/s.The microstructure is made entirely of LM and M-A components until the cooling rate is over 100℃/s.The BF and LM forms in the X80 with the cooling rate are higher than 25℃/s and 100℃/s，respectively.

pipeline steel；coarse grained heat affected zone；simulated HAZ continuous cooling transformation curves；microstructure；hardness

TG457.11

A

1001-2303（2017）11-0009-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.11.02

本文參考文獻引用格式：唐麗，李東，尹立孟，等.X80與X100管線鋼粗晶區(qū)SHCCT曲線的比較研究[J].電焊機，2017，47（11）：9-14.

2017-10-06；

2017-11-01

國家自然科學基金資助項目（51674056）；重慶科技學院研究生科技創(chuàng)新計劃項目（YKJCX1620213）；重慶市教委項目（KJ1713344）

唐 麗（1993—），女，在讀碩士，主要從事管線鋼焊接可靠性的研究。E-mail：18875015664@163.com。