外焊温度对X80钢二次热循环后热影响区粗晶区组织与力学性能的影响

林　哲，李红斌，徐树成，李小林

（1.华北理工大学冶金与能源学院，河北唐山063009；2.河北省现代冶金技术重点实验室，河北唐山063009）

外焊温度对X80钢二次热循环后热影响区粗晶区组织与力学性能的影响

林哲1，2，李红斌1，2，徐树成1，2，李小林1，2

（1.华北理工大学冶金与能源学院，河北唐山063009；2.河北省现代冶金技术重点实验室，河北唐山063009）

通过热模拟技术、V型缺口冲击试验、硬度实验与显微分析方法研究了外焊温度对二次热循环X80管线钢粗晶热影响区组织与性能的影响规律。结果表明：当外焊热循环峰值温度在（α+γ）两相区范围时，X80管线钢的韧性最低，明显低于一次加热粗晶区；硬度最大，明显高于一次加热粗晶区，金相组织中出现大量的粗大、富碳的M-A组元，证明内焊亚临界粗晶区出现明显脆化和硬化现象。

X80管线钢；四丝埋弧焊；二次热循环；粗晶区

0　前言

在高钢级管线钢的焊接时，对于多丝埋弧焊接来说，在打底焊完成后，内焊和外焊都是一道完成，这就造成了内焊的热影响区和外焊的热影响区相互重叠。因此内焊热影响区和外焊热影响区相互作用，经过两次热循环，形成二次热影响区。内焊时，热影响区粗晶区在焊缝周围呈“U”型带状分布，由于这条细带上不同的位置距离外焊热源长度不同，因此，其受到外焊的二次加热的峰值温度不同[1]，引起内焊HAZ粗晶区显微组织和性能发生变化[2]。X80管线钢内外焊接热循环对母材所产生的热影响区（HAZ）的组织与性能的变化情况国内外已有大量的研究文献[3-5]，但对于外焊热循环对内焊热影响区组织与性能的影响目前少见研究报道。在此研究了外焊温度对X80管线钢二次热循环后热影响区粗晶区组织与力学性能的影响，总结出随着外焊峰值温度的变化，其显微组织和力学性能的变化规律，对制定合理的焊接工艺具有重要作用。

1.1试样制备

试验材料选用国产某钢厂生产的X80管线钢，加工成的圆柱型试样和夏比冲击试验所需的方柱。其主要化学成分如表1所示。

表1　X80管线钢化学成分Tab.1X80 pipeline steel components ％

1.2试验方法

试验模拟的是四丝埋弧焊，每个焊丝直径为φ4 mm，X80管线钢四丝埋弧焊接内焊重叠热影响区示意如图1所示。为获取X80管线钢在四丝埋弧焊接内焊重叠热影响区的组织特点和性能规律，利用Gleeble3500热模拟机进行热模拟实验，采用的热模拟实验参数如表2所示。切割抛光后的试样使用4％的硝酸酒精腐蚀，采用DMI5000M自动金相显微镜和S-4800场发射扫描电子显微镜观察金相组织。力学性能测试采用HVST-1000ZA显微硬度计测试试样的硬度，试样选取10 mm×10 mm×55 mm的长方体试样，选择长方体的长度方向不同的三个点进行测试，然后取平均值；采用ZBC2602-3型冲击试验机测试试样的冲击韧性，选取试样三个为一组，尺寸10 mm×10 mm×55 mm，采用V型缺口。每组三次试验结果，取平均值作为有效值。

图1　X80管线钢内焊热影响区粗晶区受外焊作用的重叠区Fig.1Overlapping area of external welding on coarse grain zone of internal welding heat affected zone of X80 pipeline steel

表2　内焊重叠热影响区的热模拟参数Tab.2Thermal simulation parameters of overlapping area on interior welding heat affected zone

2　试验结果和讨论

2.1内焊热影响区粗晶区重叠区显微组织与力学性能

在内焊热影响区，距离熔融区相同距离的“U”型区域内，热循环历程完全相同，且有相同的峰值温度（1 300℃）。内焊结束后，经历1 000 s的冷却过程，然后经历外焊过程的再次升温。由于此“U”型区域所处的位置距离外焊熔融区垂直距离不同，因此在外焊二次加热时，其峰值温度不同（在此取600℃、800℃、900℃、1 000℃、1 200℃进行研究），导致X80管线钢模拟内焊粗晶热影响区的硬度差异很大，随着外焊峰值温度的变化，X80模拟内焊热影响区粗晶区的硬度如图2a所示。冲击韧性与外焊峰值温度的规律如图2b所示。

钢的热影响区的韧性取决于内焊一次热循环和外焊二次热循环过程中形成的特定组织及其分布形态[6]。当模拟内焊热影响区峰值温度为1 300℃，外焊热影响区峰值温度不同时，这种热循环下所形成的显微组织分别如图3所示。

由图3可知，X80多丝埋弧焊接在内焊峰值温度为1 300℃时，外焊热循环随峰值温度的变化有一定的规律性[7]。当外焊热循环峰值温度在Ac1以下时即600℃（见图3a），一次热循环粗晶区经历了一个短时回火过程：（1）存在部分铁素体的再结晶；（2）部分M-A组元的分解；（3）少量碳化物的析出。外焊时由于升温的峰值温度为600℃，没有发生相转变，只发生了组织的轻微转变即回火软化过程，各相含量不变，强度硬度下降，韧性升高[8]。

图2　不同外焊热循环峰值温度下X80钢模拟内焊粗晶区的力学性能分布规律Fig.2Distribution law of mechanical properties of simulated internal welding coarse grain zone under the peak temperature of different external welding thermal cycle

图3　不同外焊热循环峰值温度下模拟内焊粗晶区的显微组织Fig.3Microstructure of simulated internal welding coarse grain zone under the peak temperature of different external welding thermal cycle

当外焊热循环峰值温度高于Ac3温度时即1 100℃（见图3d），此时奥氏体完全重结晶，其组织明显细化。综合以上实验结果可知，当内焊峰值温度为1 300℃，外焊峰值温度在Ac1以下和Ac3以上时，材料韧性优良，韧性和硬度没有明显变化。

当外焊热循环峰值温度处于Ac1～Ac3之间，即相变临界区（α+γ）温度范围时（在此选取800℃），显微组织如图3b所示。此时力学性能则发生明显变化[9]，硬度最高，表现为内焊焊接临界粗晶区（IICGHAZ）脆化。随着温度的降低，奥氏体和部分高温马氏体转变为贝氏体、马氏体、铁素体和残余奥氏体。

2.2内焊热影响区重叠区亚临界粗晶区局部脆化机理

（1）晶粒粗大导致脆化。

X80管线钢的内焊焊接热循环粗晶区在经历Ac3即900℃以上温度的外焊接热循环后，微观组织发生转变，奥氏体发生完全重结晶，故其组织得到明显细化。与此不同的是，X80钢的内焊热循环粗晶区经历峰值温度在Ac1～Ac3之间温度时，即（α+γ）两相区间的外焊接热循环后，虽然发生了部分重结晶，但经历外焊热循环后，内焊焊接热循环粗晶区经历并没有明显细化，变为内焊亚临界粗晶区。

内焊接热循环粗晶区形成了少量针状铁素体。这些组织在奥氏体某一取向上以切变方式生成，并与母相保持着某种位向关系。当内焊热循环粗晶区的这些非平衡组织受到（α+γ）两相区温度区间的外焊二次热循环时，重结晶奥氏体为减小相变阻力，形核时力求与结晶学有序组织在密排面和密排方向上保持平行。这种有取向形核导致重结晶奥氏体继承了内焊热循环粗晶区的粗大组织。所以在外焊热循环时，虽然发生了部分重结晶，但是组织大小不均，已重结晶的部分会细化，没有重结晶的部分不细化。导致二次热循环形成的内焊临界粗晶区韧性较差。与此不同的是，当二次焊接热循环的峰值温度超过900℃时，已形成的奥氏体由于相变硬化现象而发生重结晶，导致晶粒细化，从而使韧性提高[10]。

（2）M-A组元致脆。

管线钢在内焊一次焊接热循环过程中形成的M-A组元是除晶粒大小之外内焊临界粗晶区局部脆化的形成主要机理[11]。X80管线钢的内焊亚临界粗晶区，内焊临界粗晶区，内焊过临界粗晶区，内焊未变粗晶区的显微组织分别如图4所示。

图4　内焊热影响区重叠区不同区域的SEM图像Fig.4SEM images of ISCGHAZ，IICGHAZ，ISCCGHAZ，IUCGHAZ

由于经历内焊过程的粗晶热影响区晶粒粗大，为相变过程M-A组元的形成提供了必要条件，因而M-A组元优先在原奥氏体晶界处形成，在形态上表现为“散开的珠子”结构[12]。

内焊临界粗晶区局部脆化受到M-A组元的形态、含量和大小的影响。分析扫描电镜照片可知，内焊临界粗晶区中的M-A组元形态主要分为块状和条状两类。研究表明，M-A组元的含量和大小是引起局部脆化的重要因素，M-A组元诱发裂纹辅助因素。由图4可知，在内焊临界粗晶区中有比内焊亚临界粗晶区、内焊过临界粗晶区、内焊未变粗晶区中含量更多、尺寸更粗大的M-A组元，这种粗大形态的M-A组元是导致内焊临界粗晶区脆性增强的主要原因。

研究表明，对内焊一次焊接热循环粗晶区进行外焊二次焊接热循环到（α+γ）混合区再冷却后，MA组元的含量和尺寸发生变化，而且形成的M-A组元的形态发生特定的变化。分析表明，钢的热影响区经一次热循环形成的非平衡组织具有一定位向性，当外焊二次热循环的峰值温度处于Ac1～Ac3之间时，即（α+γ）两相区，由于碳原子易于作定向分布，使得碳的浓度分布不均匀。由于在奥氏体、铁素体两相混合区内，铁素体的形成过程伴随着其碳元素的析出，使得形成的奥氏体的含碳量高于单相奥氏体。随着冷却的进行，这种富碳的γ会转变成为含碳量更高的M-A组元。这种M-A组元极易诱发显微裂纹和成为裂纹扩展的通道，致使韧性严重降低。

3　结论

（1）在内焊热影响区粗晶区内，当外焊热循环峰值温度在（α+γ）两相区范围时，X80管线钢的韧性最低，明显低于一次加热粗晶区；硬度最大，明显高于一次加热粗晶区，证明内焊临界粗晶区出现明显脆化和硬化现象。

（2）大量粗大、富碳的M-A组元引起组织脆化和硬化，使内焊亚临界粗晶区组织性能较内焊热影响区重叠区内的其他区域差。

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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

相变法制备亚微米铁素体研究（E2015209243）

林哲（1990—），男，广西钦州人，硕士，主要从事焊接热影响区组织及力学性能演变的研究。