赵红波，毕宗岳，牛 辉，包志刚，付宏强

（1．国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西 宝鸡 721008；2.宝鸡石油钢管有限责任公司 钢管研究院，陕西 宝鸡721008）

焊接热输入对厚壁X80管线钢粗晶热影响区组织及性能的影响

赵红波1,2，毕宗岳1,2，牛 辉1,2，包志刚1,2，付宏强1,2

（1．国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西 宝鸡 721008；2.宝鸡石油钢管有限责任公司 钢管研究院，陕西 宝鸡721008）

为了研究焊接热输入对X80管线钢粗晶热影响区的组织及性能影响，采用热模拟技术，对不同焊接热输入下X80管线钢的力学性能与显微组织进行了研究和分析。研究结果表明，在不同热输入量下厚壁X80管线钢粗晶热影响区组织为板条贝氏体、粒状贝氏体及M-A岛组织。当热输入量小于25 kJ/mm时，粗晶热影响区组织以贝氏体板条为主，冲击韧性最佳，但硬度较高；当热输入量在25 kJ/mm时，试验钢粗晶热影响区组织为板条贝氏体与粒状贝氏体，冲击韧性较高，且硬度适中；随着热输入的增大，粗晶热影响区中的粒状贝氏体变得极为粗大，同时，M-A形态与分布发生急剧变化，粗晶热影响区出现严重软化，冲击韧性值明显下降。

焊接；X80；管线钢；厚壁；热输入；热影响区；显微组织；力学性能

天然气目前在我国一次能源中所占份额较低，普及率也远远不够，供需存在较大的缺口，因此迫切需要提高管道年输气能力，开发出具有高承压、大流量的管线钢管。X80管线钢相比于X70及以下钢级管线钢可节省7%的建设费用，因此，高钢级管线钢已经逐渐成为天然气管道建设用钢的主要发展趋势[1]。X80级20 mm以上壁厚螺旋焊管具有高强度、高承压，低成本等特点，可有效解决国内在大输量（超过300亿m3/a）、高压力（12 MPa以上）、长远距离天然气输送方面的难题。目前X80管线钢已成为国内外长距离、高压输送天然气管道工程用钢的首选。X80管线钢属于低碳微合金控轧钢，但相比于低级别管线钢其具有较高的碳当量与合金含量，因此具有明显的冷裂倾向[2]。特别是20 mm以上壁厚的X80管线钢焊接时，由于焊接线能量大、热量集中明显，邻近焊缝的热影响粗晶区组织和性能极易发生恶化，因而会严重影响焊管的整体性能。

焊接是一个加热与冷却的热循环过程，其所形成的焊接热影响区宽度较小，仅几毫米[3]。采用普通方法检测该区域的性能难度较大，且无法准确再现线能量区间的分布。本研究采用热模拟方法对X80级22 mm厚管线钢焊接粗晶热影响区的冲击韧性、硬度、组织等的情况进行了研究，得出了不同焊接热输入对粗晶热影响区的冲击韧性、硬度等的影响规律。

1 试验方案

试验材料取自X80级22 mm厚热轧卷板，加工成11 mm×11 mm×71 mm的热模拟试样，采用Gleeble 3500热模拟试验机进行试验，模拟不同焊接热输入对粗晶热影响区组织和性能的影响。试验中峰值温度为1 300℃，加热速率130℃/s，焊接热输入分别为15 kJ/cm、25 kJ/cm、35 kJ/cm、45 kJ/cm，其他条件不变。试验热模拟曲线通过试验机自带的HAZ软件包Rykalin 2D模型计算获得，热模拟曲线如图1所示。

图1 X80级22 mm厚热轧卷板不同热输入下的热模拟曲线

为了研究不同焊接热输入下材料组织与性能的变化情况，对所得的热影响区试样依据标准GB/T 229—2007在－10℃下进行了夏比冲击试验，试样规格10 mm×10 mm×55 mm，采用V形缺口。对4种不同热输入下焊接所得试样进行了粗磨、细磨、抛光与4%的硝酸酒精腐蚀后，采用Leica DMI5000M金相显微镜观察其组织，并检测对应位置的维氏硬度。

2 试验结果及分析

2.1 母材组织及力学性能

试样取自X80级22 mm壁厚的螺旋埋弧焊管，其化学成分见表1，力学性能见表2，试样显微组织如图2所示。

表1 X80级22 mm厚螺旋埋弧焊管的化学成分%

表2 X80级22 mm厚螺旋埋弧焊管的力学性能

X80管线钢原始组织为通过微合金设计和控轧控冷技术得到细小针状铁素体和粒状贝氏体组织，其中铁素体特征组织为细小的非等轴铁素体，且铁素体呈交错状分布，片内具有高的位错密度和亚结构；同时第二相粒子的沉淀物 （微合金元素的碳氮化物）弥散地分布在基体上，对位错起到了钉扎作用，从而有效地提高了材料的强韧性[4-6]。通常X80管线钢在经过热输入被加热到1 300℃后，针状铁素体会发生转变，碳氮化合物也会被部分溶解，X80管线钢发生奥氏体化，高温下扩散系数增大，晶粒长大，位错亚结构密度降低；冷却过程中，奥氏体组织发生固态相变形成低温组织，使X80管线钢的原始组织发生改变[7]。

图2 X80管线钢的显微组织

2.2 热输入对热影响区力学性能的影响

不同焊接热输入下热影响粗晶区的冲击韧性以及硬度分布情况如图3所示。由图3（a）可看出，随着焊接热输入的增加，热影响粗晶区的冲击韧性值呈线性下降趋势，到35 kJ/cm时，冲击韧性值下降到最低，并且随着热输入增加到45 kJ/cm，热影响粗晶区冲击韧性值趋于稳定。由图3（b）可见，随着焊接热输入的增大，X80管线钢热影响粗晶区硬度呈明显下降趋势，且当焊接热输入增大到35 kJ/cm时，硬度下降到低于材料的原始硬度值，热影响粗晶区发生了明显的软化现象。

图3 不同热输入下X80管线钢热影响粗晶区的冲击韧性和硬度分布

2.3 热输入对热影响区组织的影响

图4 不同热输入焊接后X80管线钢热影响区的显微组织

模拟不同焊接热输入下热影响区的显微组织如图4所示，TEM金相照片如图5所示。由图4可见，经过不同热输入焊接后，X80管线钢热影响粗晶区组织形态及分布形式发生了明显的变化。热输入较小时，热影响粗晶区中原奥氏体晶界平直、清晰可见，板条铁素体自奥氏体晶内一侧或两侧呈平行的束状沿奥氏体长入晶内，将奥氏体晶粒分成不同区域，碳化物则沿板条按一定的方向排列成行分布于铁素体片层间 （见图4（a））；当热输入为25 kJ/cm时，热影响粗晶区中晶粒大小不均匀，部分铁素体板条呈针状交割状分布，碳化物变得较分散，呈无规则状分布在铁素体基体上，同时，还出现了少量的先共析铁素体组织；随着热输入进一步增加，原奥氏体晶粒不断增大，多边形铁素体块增多，且尺寸大小不一致，先共析铁素体特征越来越明显，碳化物由短条状转变成块状，并呈弥散状分布在铁素体基体上（见图4（c）和图 4（d））。

图5 不同热输入焊接后X80管线钢热影响区的TEM金相照片

3 分析与讨论

X80管线钢的组织为通过控轧控冷与合金化技术得到的细小晶粒铁素体与粒状贝氏体，其中，大量贝氏体与铁素体呈交错状、不规则的等轴状分布。同时，对于位错具有钉扎作用的氮化物、碳化物等第二相沉淀物呈弥散状分布在铁素体基体上，从而有效提高了原始材料的冲击韧性[8-9]。然而，当热输入量过小或者过大时，都会使原始组织中的细小铁素体及粒状贝氏体组织的形态发生变化，促使晶粒大小与位错亚结构密度发生改变，进而影响到粗晶热影响区的性能。

由图 4（a）可见，当热输入过小（15 kJ/cm）时，组织形态为沿奥氏体晶内生长的细密板条贝氏体，且原奥氏体晶界清晰可见。对图5（a）TEM分析进一步表明，铁素体以板条状平行分布在晶内，并呈多位向析出，片状的M-A岛组织也同时沿板条纵轴呈交错状存在。这种组织特征使得裂纹在穿过晶粒内部时行迹较为曲折，减小了扩展的平均自由路径，对材料的开裂起到了良好的阻止作用，从而使热影响区表现出了优良的韧性。另外，这种铁素体板条具有细小的亚结构和高密度的位错，使其在滑移过程中更容易与材料内的第二相质子缠结起来，形成位错的塞积群，导致粗晶热影响区处的硬度出现急剧升高[10-11]。

由图4（b）可见，当热输入为25 kJ/cm时，粗晶热影响区组织形态主要为粒状贝氏体及针状铁素体，此时的铁素体板条仍具有清晰的边界，但相比于15 kJ/cm时铁素体由原来的细密的板条束转变成长条状，并成一定的交错状分布，同时，依附在板条间M-A岛也变得较为粗大。M-A岛作为X80管线钢中经常出现的组织，是分布在铁素体基体上的马氏体和残余奥氏体组成的岛状物，它的存在破坏了基体的连续性，并引起了周围的晶格或多或少产生畸变而引起应力集中，在一定程度上减弱了裂纹扩展时的阻力，故其冲击韧性出现了一定的下降[12]。由图5（b）TEM分析可见，针状铁素体呈杂乱无序交错分布，板条相互参差不齐，彼此交叉，在板条内具有较高密度位错团。这一特征组织的存在对裂纹的扩展起到了一定的阻碍作用，相当于进一步细化了晶粒，因而使得热影响区仍具有较好的冲击韧性值[13]。与此同时，由于此时该区域中铁素体多为短板、条状组织结构，且基本呈平行分布，使得铁素体板条更容易实现多向滑移，因而使该区域表现出了适中的硬度。

由图 4（c）和图 4（d）可见， 当热输入过大（（35～45）kJ/cm）时，其高温停留时间明显增大，晶粒尺寸变得大小不均匀，组织形态发生了明显的变化，针状铁素体基本消失，此时粗晶热影响区主要以多边形铁素体与粒状贝氏体混杂存在。由图5（c）TEM组织照片可见，此时，粗晶区热影响区组织主要以粗大的粒状贝氏体为主，其中，粗大的铁素体呈多边形状，分布极为不规则，大小参差不齐，且边界粗糙、模糊，凸凹不平，呈锯齿状形态，位错含量较低。同时，由于粗晶热影响区在高温下停留时间增长，使得组成第二相质子的Nb、Ti、V碳氮化合物部分发生溶解，致使在奥氏体晶粒长大时，晶界析出物无法起到钉扎作用，晶粒出现粗化。与此同时，在低温断裂过程中有效阻止裂纹扩展的大角度晶界急剧减少，使得裂纹更容易扩展，从而导致冲击韧性值出现急剧的恶化[14-15]。另外，由于此时所存在的大晶粒的多边形铁素体相比于原始母材组织位错密度更低，无明显的亚结构，因而使得粗晶热影响区表现出了软化现象。

4 结 论

（1）热输入量为15 kJ/cm时，由于粗晶热影响区中呈多位向、大角度、高密度位错的细密贝氏体板条束的存在，使得该区域表现出了较高的冲击韧性，但硬度较高；热输入量为25 kJ/cm时，由于依附在板条间粗大M-A岛使粗晶热影响区冲击韧性值出现一定下降，但仍具有良好的韧性及适中的硬度值；在热输入为 （35～45）kJ/cm时，由于粗大多边形铁素体的增多，Nb、Ti、V碳氮化合物的溶解，导致粗晶热影响区冲击韧性值明显恶化，硬度严重下降。

（2）通过对比可见，将X80厚壁管线钢焊接热输入量控制在25 kJ/cm时，可保证粗晶热影响区在具有良好的冲击韧性值，同时，有较为适中的硬度。

[1]QIANCW，WANG Y M.Development and application of high-grade pipeline steel at home and abroad[J].Petroleum Engineering Construction，2012，38（1）：1-4.

[2]陈翠欣，李午申，王庆鹏，等.热循环对高铌管线钢焊接热影响区冲击韧性的影响[J].金属热处理，2009，34（12）：32-35.

[3]乔桂英，郭宝峰，陈小伟，等.X80焊接粗晶区的组织和性能[J].焊接学报，2005，26（6）：77-80.

[4]苗华军，王岩，曾莉.高Nb-X80管线钢奥氏体晶粒长大规律[J].金属热处理，2012，37（9）：64-66．

[5]衣龙海，杜林秀，王国栋，等.X80管线钢的组织与性能研究[J].东北大学学报（自然科学版），2008，29（2）：213-216．

[6]韩乐，任慧平，金自力，等.微观取向对X80管线钢动态冲击性能的影响[J]．金属热处理，2012，37（7）：86-89.

[7]崔忠圻，覃耀春.金属学及热处理[M].第2版.北京：机械工业出版社，2007.

[8]ZHOU M，DU L X，ZHAO Y F，et al.Microstructure characteristics and mechanical properities of X80 pipeline steels[J].Journal of Wuhan University of Technilogy Mater，2012，27（2）：252-255.

[9]刘方明，李午申，刘哲，等.X80管线钢焊接热影响区组织的模拟研究[J].Welding Technology，2007，36（3）：32-35.

[10]田德允，张瑞成.微合金高强钢焊接热影响区中粒状贝氏体微观组织结构的实验研究[J].金属学报，2000，36（2）：181-186.

[11]高惠临.管线钢与管线钢管[M].北京：中国石化出版社，2012.

[12]DAVISAND J E.Cleavage Initiation in the iercritically reheated coarse-affected zone：part1，fractographic evidence[J].Metall Trans，1996，27A（10）：3019-3029.

[13]于庆波.M-A岛对粒状贝氏体钢冲击韧性的影响[J].热加工工艺，2012，12（24）：41-42.

[14]王学敏，杨善舞.超低碳贝氏体钢焊接热影响区冲击韧度的研究[J].钢铁研究学报，2000，12（1）：47-52.

[15]齐亮，赵征志，赵爱民，等.铌对高钢级管线钢中第二相析出与奥氏体晶粒长大行为的影响[J].北京科技大学学报，2013，35（3）：304-311.

Influence of Welding Heat Input on Coarse Grain Heat Affect Zone Microstructure and Properties of Thick Wall X80 Pipleline Steel

ZHAO Hongbo1,2， BI Zongyue1,2， NIU Hui1,2， BAO Zhigang1,2， FU Hongqiang1,2
（1.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods，Baoji 721008，Shaanxi，China;2.Steel Pipe Research Institute，Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008，Shaanxi，China）

In order to study the influence of welding heat input on microstructure and properties of X80 thick wall pipeline steel coarse grain heat affected zone,it adopted the thermal simulation technology to investigate and analyze the mechanical properties and microstructure of X80 pipeline steel.The results indicated that the microstructure of X80 pipeline steel coarse grain heat affected zone compose of lath bainitic,granular bainite and M-A.When the heat input is less than 25 kJ/mm,the coarse grain heat affected zone mainly compose of lath bainitic,the impact toughness is optimum,but the hardenability is moderate;when the heat input is greater than 25 kJ/mm,the coarse grain heat affected zone mainly compose of lath bainitic and granular bainite,the impact toughness is higher,and the hardness moderate;with the increase of heat input,the granular bainite of coarse grain heat affected zone becomes very bulky,at the same time,the form and distribution of M-A structure rapidly change,the serious softening appear in coarse grain heat affected zone,the impact toughness values dropped to the lowest.

welding； X80； pipeline steel； thick wall； heat input； heat affected zone； microstructure； mechanical properties

TG407

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.09.002

赵红波（1981—），男，工程师，目前主要从事石油天然气管线钢用焊接材料及工艺研究，发表论文10余篇。

2017-05-10

修改稿收稿日期：2017-08-10

编辑：张 歌