t8/5对X90管线钢焊接热影响区细晶区显微组织的影响*

李 东，尹立孟，耿燕飞，王学军，蒋 勇，王 刚

（1.重庆科技学院冶金与材料工程学院，重庆401331；2.四川石油天然气建设工程有限责任公司，成都610041；3.四川大西洋焊接材料股份有限公司，四川 自贡643000）

t8/5对X90管线钢焊接热影响区细晶区显微组织的影响*

李 东1，尹立孟1，耿燕飞1，王学军2，蒋 勇3，王 刚1

（1.重庆科技学院冶金与材料工程学院，重庆401331；2.四川石油天然气建设工程有限责任公司，成都610041；3.四川大西洋焊接材料股份有限公司，四川 自贡643000）

为了研究焊接冶金与热循环过程对X90管线钢焊接热影响区细晶区显微组织的影响，采用淬火变形膨胀仪模拟了不同t8/5条件下X90管线钢热影响区细晶区的热循环过程，并在光学显微镜和扫描电子显微镜下观察了其显微组织随t8/5不同而变化的情况。研究结果表明，当t8/5＜6 s时，X90管线钢会获得粒状贝氏体、贝氏体铁素体和板条马氏体的混合组织；当t8/5＞12 s时，X90管线钢组织以多边形铁素体为主，并随着t8/5的减小，会先后出现珠光体和粒状贝氏体；当t8/5控制在6～12 s时，细晶区组织主要为性能良好的贝氏体组织和少量准多边形铁素体。为获得综合性能优异的焊接接头，冷却过程中焊接热影响区细晶区的t8/5应控制在6～12 s更为合适。

焊接；X90管线钢；焊接热影响区；t8/5；细晶区；显微组织

随着世界经济的飞速发展，各个领域对石油天然气的需求日益增加，进而加速了全球管道工业和管线钢产业的快速发展[1]。我国敷设的长输管道所用材料大多为X80管线钢[2]，但从目前我国石油天然气蓬勃发展的现状来看，研发更高级别的管线钢来实现大直径小壁厚的设计要求已是大势所趋，因此X90管线钢成为备受广泛关注的焦点[2-3]。由于目前世界各国对X90管线钢的研究还处于探索阶段，对其微观组织、力学性能以及抗腐蚀性、焊接性能等方面的理解还亟待深入[4-6]。尤其是对于X90管线钢的焊接性能，大量的工作主要集中于焊接接头最薄弱的热影响区粗晶区[7-10]，而对于热影响区细晶区的研究非常少见。由于X90管线钢无论是在制管还是管道敷设焊接时均经历了复杂的焊接冶金与热循环过程，焊接接头的显微组织和性能都发生了显著变化，因此接头中任何区域的缺陷皆有可能造成极大的破坏，导致石油天然气输送管道泄露等重大事故。

本研究采用淬火变形膨胀仪模拟了不同t8/5条件下X90管线钢热影响区细晶区的热循环过程，并在光学显微镜和扫描电子显微镜下观察了其显微组织随t8/5不同而变化的情况，以期为X90管线钢的基本组织和性能理解以及焊接工艺制订与优化提供参考依据和科学指导。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验材料取自X90管线钢，其主要化学成分见表1，原始显微组织如图1所示。试验板材厚度为18.4mm，硬度为300 HV10。X90管线钢的化学成分采用直读光谱仪测定。由图1可见，X90管线钢的原始显微组织为粒状贝氏体（GB）和准多边形铁素体（QF）。

表1 X90管线钢的主要化学成分 %

图1 X90管线钢的原始显微组织

1.2 试验方法

在线切割机上将X90试验钢加工成尺寸为Φ4mm×10mm的试样，并用机械精加工的方法将试样表面加工至光洁平整，以确保试样的光洁度和平行度。采用DIL805A淬火变形膨胀仪对试样进行不同工艺的焊接热模拟试验，即以10℃/s的加热速度将试样加热到920℃，保温10 min，然后以 3 s、 3.75 s、6 s、12 s、20 s、30 s、60 s、120 s、300 s、600 s的t8/5分别冷却至室温，再将试样精细打磨抛光，以4%的硝酸酒精腐蚀溶液腐蚀4～6 s，最后在Leica DM2500光学显微镜和S-3700N扫描电子显微镜下观察分析试样的显微组织。

2 试验结果与分析

当t8/5为300 s时，试样的显微组织主要为多边形铁素体（PF）和少量零星分布的珠光体（P）组织，如图2所示。从图2可以看出，多边形铁素体的组织尺寸较小，呈碎片状，珠光体呈团絮状分布。这是由于最高温度仅为920℃，未能达到原始奥氏体晶粒急剧长大的温度，所以冷却后形成的铁素体组织也比较细小。

图2 t8/5为300 s时试样的显微组织

当t8/5为120 s时，试样的显微组织仍以多边形铁素体（PF）为主，珠光体（P）逐渐减少，粒状贝氏体（GB）开始出现，此时的粒状贝氏体的数量较少，尺寸较小，多以颗粒状或者短棒状聚集在多边形铁素体晶界处，如图3所示。

当t8/5为12 s时，冷却后试样的显微组织以粒状贝氏体（GB）为主，并伴随少量的准多边形铁素体（QF），而多边形铁素体（PF）在此条件下已经完全分解，如图4所示。图4（b）中扫描电镜照片可以清晰地观察到粒状贝氏体（GB）的板条以及板条间分布有块状及条状的M/A岛。

当t8/5为6 s时，在大面积的粒状贝氏体（GB）中开始发现贝氏体铁素体（BF）的存在，并伴随有少量细小的准多边形铁素体（QF），如图5所示。同样地，由于原奥氏体晶界较小，晶界不明显，且粒状贝氏体与贝氏体铁素体外形比较相似，在图5（a）的光学照片中较难区分，而在图5（b）扫描电子显微镜照片中则可以明显的观察到贝氏体铁素体内部细长而平直的板条。

图3 t8/5为120 s时试样的显微组织

图4 t8/5为12 s时试样的显微组织

图5 t8/5为6 s时试样的显微组织

当t8/5为3 s时，主要仍为粒状贝氏体（GB）组织，但是在扫描电子显微镜下，少量板条状的贝氏体铁素体（BF）和板条马氏体（LM）组织形态开始逐渐明显，相对于贝氏体铁素体，板条马氏体的板条更为细密平直而且更加清晰，如图6所示。

图6 t8/5为3 s时的显微组织

由于冷却速度（t8/5为3 s）过小时在产生马氏体组织的同时会出现较大的应力，以致严重影响焊接接头的韧性，在实际焊接工艺的制定中应尽量避免。

综上，在不同的t8/5条件下，X90管线钢焊接热影响区的显微组织随t8/5不同而变化。t8/5控制在6～12 s时，细晶区的组织主要为性能良好的贝氏体组织和少量准多边形铁素体组织。为了获得综合性能优异的焊接接头，冷却过程中焊接热影响区细晶区的t8/5应控制在6～12 s更为合适。

3 结 论

研究了最高加热温度为920℃的X90管线钢在奥氏体化比较充分（保温10 min）的情况下，不同冷却速度（相对于焊接冷却时间t8/5）对其焊接热影响区细晶区显微组织的影响，得到的主要结论如下：

（1）由于原始奥氏体晶粒尚未显著变大，不同t8/5冷却速度下的组织均比较细小；

（2）t8/5处于3～120 s范围内的X90管线钢试样都可以观察到粒状贝氏体（GB）的存在；

（3）为获得综合性能优异的焊接接头，冷却过程中焊接热影响区细晶区的t8/5应控制在6～12 s更为合适。

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Influence of t8/5on the Microstructure in HAZ Fine Grain Zone of X90 Pipeline Steel

LI Dong1，YIN Limeng1，GENG Yanfei1，WANG Xuejun2，JIANG Yong3，WANG Gang1
（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.Atlantic China Welding Consumables,Zigong 643000,Sichuan,China）

In order to study the influence of the welding metallurgy and heat cycle process on microstructure in HAZ fine grain zone of X90 pipeline steel,the heat cycle process was simulated by quenching deformation expansion instrument under different t8/5conditions,and the microstructure change was observed by the optical microscope（OM） and scanning electron microscopy（SEM）.The results showed that a mixed microstructure containing granular bainite（GB），bainite ferrite（BF） and lath martensite（LM） appear under the condition of a t8/5less than 6 s；the microstructure was predominantly polygon ferrite（PF）when t8/5is more than 12 s，and with the decrease of the t8/5，pearlite（P） and granular bainite（GB） will appear successively.Only when the t8/5was limited in 6～12 s，the microstructure of fine grain zone was bainite（B） dominantly and is accompanied by a small quantity of quasi-polygonal ferrite（QF）.In order to obtain excellent comprehensive properties of welded joint,the t8/5in HAZ fine grain zone during the cooling process should be controlled in 6～12 s.

welding;X90 pipeline steel；welding HAZ；t8/5；fine grain zone;microstructure

TG142.1 文献标志码：A DOI:10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.03.001

重庆市前沿与应用基础研究项目“X80管线钢热丝TIG焊接头组织控制及局部腐蚀行为研究”（项目号cstc2015jcyjA50017）；重庆市研究生科研创新项目“微缩高级别管线钢连续冷却的显微组织与力学性能研究”（项目号 CYS15227）。

李 东（1992—），男，硕士研究生，主要从事高性能管线钢焊接与力学可靠性评价工作。

2015-12-29

李 超