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(江苏苏钢集团有限公司技术中心，苏州 215151)

0 引 言

在石油、天然气输送管线的建设中，高强度级别管线钢的应用可以节省原材料、提高输送压力，从而降低建设成本并产生巨大的经济效益[1]，因此近年来高强度级别管线钢，如X100、X120管线钢等已成为钢铁企业开发和研究的重点。目前，国内外在X120管线钢的研究和开发方面已取得了一些成果[2-3]，但现有研究主要集中在成分设计、热轧工艺与组织控制、改善强韧性等方面[4-6]，而有关焊接性能方面的研究相对较少。与普通强度级别管线钢相比，X120管线钢对焊接材料和工艺的要求更高，除应具有与母材相匹配的强度外，还要具备足够好的韧性。X120管线钢具有较高的碳当量，粗晶热影响区(CGHAZ)是其焊接接头性能最薄弱的部位[7]，因此粗晶热影响区韧性的提高是其应用的关键。为此，作者对X120管线钢进行了焊接热模拟试验，分析了焊接热输入对其粗晶热影响区显微组织和冲击韧性的影响规律，为X120管线钢的焊接提供试验依据。

1 试样制备与试验方法

试验材料为采用150 kg真空感应炉冶炼的X120管线钢，其化学成分如表1所示。将尺寸为220 mm×220 mm×350 mm的试验钢锭放入RX4-85-13型箱式炉中加热到1 200 ℃，保温2 h，然后采用再结晶区和未再结晶区的两阶段控制轧制和控制冷却工艺，将220 mm厚的钢锭轧制成14 mm厚的钢板，开轧温度约为1 050 ℃，二开轧温度约为880 ℃，终轧温度约为790 ℃，终冷温度约为400 ℃。轧制态钢板的纵向力学性能如表2所示。

表1 试验钢的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical composition of the tested steel (mass) %

表2 轧制态试验钢的纵向力学性能Tab.2 Longitudinal mechanical properties of the testedsteel in as-rolled state

在轧制态钢板上横向截取尺寸为11 mm×11 mm×55 mm的焊接热模拟试样，在Gleeble-3800型热模拟试验机上模拟实际焊接过程中粗晶热影响区的一次加热和冷却过程。焊接工艺参数如表3所示，其中选取的热输入基本覆盖了制管埋弧焊和管道现场焊接所采用的参数范围[9]。

表3 焊接热模拟试验工艺参数及原奥氏体晶粒尺寸Tab.3 Parameters of the welding thermal simulation tests andgrain size of prior austenite

将热模拟试验后的试样沿轧制方向截取出10 mm×10 mm×55 mm的V形缺口冲击试样，保证粗晶热影响区位于冲击试样的中心区域，缺口沿钢板厚度方向，采用Instron SI-1M型冲击试验机进行夏比冲击试验，试验温度为-20 ℃。

在轧制态钢板和热模拟试验后的试样上截取金相试样，经机械研磨、抛光和用体积分数为4%硝酸酒精溶液腐蚀后，在Carl Zeiss Axio Imager A1m型光学显微镜上观察轧制态试验钢和焊接接头粗晶热影响区的显微组织；采用JSM-7001F型场发射扫描电子显微镜(SEM)进行电子背散射衍射(EBSD)分析和冲击断口形貌观察。

2 试验结果与讨论

2.1 对显微组织的影响

由图1可知，轧制态试验钢的显微组织主要由板条贝氏体和少量粒状贝氏体组成。板条贝氏体可以保证X120管线钢具有很高的强度和较好的冲击韧性。

图1 轧制态试验钢的显微组织Fig.1 Microstructure of the tested steel in as-rolled state

由图2可知：当热输入为10 kJ·cm-1时，试验钢焊接接头粗晶热影响区的显微组织主要由板条贝氏体、粒状贝氏体及少量低碳马氏体组成；当热输入为20 kJ·cm-1时，粗晶热影响区的显微组织主要为细小的板条贝氏体，且板条贝氏体的尺寸比轧制态的细小；当热输入增加到30 kJ·cm-1时，粗晶热影响区的显微组织由粗大的板条贝氏体和一些粗大的粒状贝氏体组成；当热输入为40 kJ·cm-1时，粗晶热影响区的显微组织主要为粗大的粒状贝氏体，同时还存在较粗大的M/A(马氏体/奥氏体)组织。

当热输入较低时(10 kJ·cm-1)，由于冷却速率较大，原奥氏体晶粒来不及粗化和长大，因此试验钢粗晶热影响区的组织较细小且形成了少量低碳马氏体。随热输入的增加(15，20 kJ·cm-1)，在奥氏体相变重结晶区停留的时间变长，粗晶热影响区发生了再结晶，因此组织更加细小。当焊接热输入增加到30，40 kJ·cm-1时，由于冷却速率较小，在奥氏体相变重结晶区停留的时间过长，导致粗晶热影响区的组织粗化。

由EBSD分析结果可知，当热输入为10，20，40 kJ·cm-1时，粗晶热影响区显微组织中的大角度晶界占比分别为47.1%，57.5%和43.2%。由图3可知：在低热输入(10 kJ·cm-1)条件下，原奥氏体晶粒较细小，粗晶热影响区显微组织主要为贝氏体，晶粒取向差较小，晶界为小角度晶界；当热输入为20 kJ·cm-1时，原奥氏体晶粒细小，粗晶热影响区显微组织主要为细小的贝氏体，板条束间为大角度晶界；在高热输入(40 kJ·cm-1)条件下，原始奥氏体晶粒粗大，粗晶热影响区显微组织主要为粗大的粒状贝氏体，原奥氏体晶界为大角度晶界，而在同一原奥氏体晶粒内，粒状贝氏体的取向差较小，晶界为小角度晶界。

图2 不同热输入下试验钢焊接接头粗晶热影响区的显微组织Fig.2 Microstructures of CGHAZ of the tested steel welded joint under different heat input conditions

图3 不同热输入下试验钢焊接接头粗晶热影响组织的EBSD分析结果Fig.3 EBSD analysis results of microstructures of CGHAZ of the tested steel welded joint under different heat input conditions:

MORRIS等[8]认为，只有属于不同贝茵组(Bain group)的贝氏体之间才具有大取向差，才能形成有效晶粒的晶界，而属于相同贝茵组之间的贝氏体间不能形成有效晶粒的晶界。通常，单一的晶粒取向必然会导致大角度晶界密度低，有效晶粒粗大。由图3还可以看出，并不是所有板条贝氏体之间都是大角度晶界，当原奥氏体晶粒内组织中的晶粒取向相近时，这些晶粒之间为小角度晶界。在低热输入(10 kJ·cm-1)和高热输入(40 kJ·cm-1)下，奥氏体晶粒内的产物多为同一组织，且该组织中的晶粒取向相近，因此晶界多为小角度晶界；在中等热输入(20 kJ·cm-1)条件下，原奥氏体晶粒较细小，同时冷却速率较大，在原奥氏体晶粒内经连续冷却相变所形成的组织中晶粒取向更丰富，大角晶界密度更高。因此，原奥氏体晶粒的细化和连续冷却相变产物选择的弱化都会增加大角晶界的密度[9]，这有利于提高试验钢的冲击韧性。

2.2 对冲击韧性的影响

由图4可知：随着热输入的增加，试验钢焊接接头粗晶热影响区的冲击吸收功先增大后减小，当热输入为20 kJ·cm-1时，冲击吸收功最大，冲击韧性最好；当热输入为10，15 kJ·cm-1时，粗晶热影响区的冲击韧性比轧制态试验钢的低；当热输入增加到20，25 kJ·cm-1时，粗晶热影响区的冲击韧性显著提高，且优于轧制态试验钢的；当热输入进一步增加时，粗晶热影响区的冲击韧性又逐渐下降，特别是当热输入达到40 kJ·cm-1时，其冲击性能显著恶化。

图4 试验钢焊接接头粗晶热影响区的冲击吸收功与热输入的关系Fig.4 Relationship between impact absorbed energy and heat input of CGHAZ of the tested steel welded joint

一般来说，热输入越低，试样的冲击韧性越好。但是在该试验中，低热输入(10 kJ·cm-1)条件下粗晶热影响区的冲击韧性却比热输入为20 kJ·cm-1时的差，这是由于：一方面，低热输入条件下粗大的原奥氏体晶粒被保留下来，且奥氏体晶粒内的产物多为同一组织或组织晶粒取向相近，造成大角度晶界的占比显著降低；另一方面，低的热输入造成试样的冷却速率较大，导致组织中存在一些淬硬相马氏体，马氏体中裂纹的启裂值较低[10]，不能起到有效抑制裂纹扩展的作用，从而使其冲击韧性下降。

由图5可以看出：当热输入为20 kJ·cm-1时，试验钢的断裂方式为韧性断裂，断口表面存在大量的韧窝；当热输入为30 kJ·cm-1时，断裂方式为脆性解理断裂和韧性断裂共存的混合断裂；当热输入为10，40 kJ·cm-1时，断裂方式为脆性解理断裂，试验钢发生穿晶断裂，断口表面存在河流状或扇形状的解理小平面。

图5 不同热输入下试验钢的冲击断口形貌Fig.5 Impact fracture morphology of the tested steel under different heat input conditions

3 结 论

(1) 热输入为10 kJ·cm-1时，X120管线钢焊接接头粗晶热影响区的组织主要由贝氏体和少量的低

碳马氏体组成，晶粒间的晶界为小角度晶界；热输入为20 kJ·cm-1时，粗晶热影响区的组织由细小的板条贝氏体组成，板条束间为大角度晶界；随着热输入的进一步增加，粗晶热影响区的组织主要为粗大的贝氏体，大角度晶界的占比降低。

(2) 当热输入由10 kJ·cm-1增加到40 kJ·cm-1时，粗晶热影响区的冲击韧性先增加后降低，当热输入为20 kJ·cm-1时，粗晶热影响区的冲击韧性最好，断裂方式为韧性断裂；热输入为30 kJ·cm-1时，断裂方式为脆性解理断裂和韧性断裂共存的混合断裂；热输入为10，40 kJ·cm-1时，断裂方式为脆性解理断裂。

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