X80与X100管线钢粗晶区SHCCT曲线的比较研究

唐 丽 ，李 东 ，尹立孟 ，王学军 ，姚宗湘

（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，四川成都610213）

X80与X100管线钢粗晶区SHCCT曲线的比较研究

唐 丽 1，李 东 1，尹立孟 1，王学军 2，姚宗湘 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，四川成都610213）

采用相变仪DIL805A/D将X80、X100管线钢空心微缩管状试样，以200℃/s加热至1 350℃，保温10s后以1～200℃/s的不同速度冷却至室温，在分析显微组织、硬度和相变温度的基础上获得两种管线钢的粗晶区SHCCT曲线。对比发现，随着冷却速度的增加，X80与X100的相变温度均降低，而硬度都增加；在相同冷却速度下，X100的相变温度明显低于X80，硬度却更高。对于X100管线钢，当v＜10℃/s时，粗晶区为GB、QF和M-A组元的混合组织；当10℃/s≤v≤50℃/s时，组织由GB、BF和M-A组元组成；当v＞50℃/s时，出现LM组织，当v＞100℃/s后转变为LM和M-A组元的混合组织。而X80管线钢只有当v≥25℃/s时才出现BF，v＞100℃/s时开始出现LM组织。

管线钢；粗晶区；SHCCT曲线；显微组织；硬度

0 前言

油气输送管道不断朝着高压、大口径、长距离、大厚壁以及高强韧性方向发展，要求管线钢本身和焊接接头均具有优良的性能以确保管线的安全性和可靠性[1]。模拟焊接热影响区连续冷却组织转变曲线（SHCCT曲线）不仅可以直观准确地判断金属材料的组织及其冷裂倾向、硬度等性能，还能为组织与性能之间的定量相关性研究提供参考依据。

目前，关于同一管线钢在不同成分和有无应变的情况下的SHCCT曲线已有不少研究。Gianetto等人[2]研究了不同成分的X80管线钢粗晶区SHCCT曲线后发现，增加钒元素会导致粗晶区（CGHAZ）的相变温度下降，增加应变将使X80管线钢的贝氏体转变温度提高30～80℃。不过，应变程度对管线钢的组织规律影响不明显，有无变形均使X80管线钢在较小冷速生成粒状贝氏体（GB）组织、在中等冷速生成贝氏体铁素体（BF）组织、在较大冷速获得板条马氏体（LM）组织[3]。张骁勇等人[4-5]模拟X100管线钢粗晶区SHCCT曲线得知，生成GB组织时晶粒内伴有不均匀的粗大块状/条状M-A组元产生，而BF组织则以细密、平行生长态存在；且随着冷却速度的增加，相变开始温度和结束温度均降低，GB数量减少，LM数量增多，原温度奥氏体晶粒和BF板条细化，使该区域的硬度值高于母材。文献[6]研究发现，为了防止热硬化和降低冷裂纹敏感性，预热温度100～150℃并采用线能量为12～18 J/cm的工艺进行焊接最佳。鉴于高强度、高韧性X100管线钢的经济性和工程应用的前景性，以及目前尚无X80和X100管线钢两者的SHCCT曲线对比研究的相关报导，本研究基于焊接热模拟技术，采用DIL805A/D相变仪和光学、扫描电子显微镜以及维氏硬度计测定两种管线钢粗晶区的SHCCT曲线，对比分析两者异同，以期为X100管线钢焊接工艺的优化和推广应用提供参考依据。

1 实验材料和方法

实验采用厚度分别为18.4 mm的X80管线钢和13.5 mm的X100管线钢，其主要化学成分和综合力学性能分别如表1、表2所示。为了实验方便以及接近实际工程焊接情况，将两种管线钢精密加工成 4 mm×3 mm×10 mm（外径×内径×长度）的空心微缩管状试样。X80和X100管线钢的显微组织如图1所示。X80管线钢的显微组织由准多边形铁素体（QF）、多边形铁素体（PF）和M-A组元组成（见图1a），显微硬度198 HV0.2；X100管线钢的显微组织由细小GB、少量QF和M-A组元组成（见图1b），显微硬度256 HV0.2。

表1 X80与X100管线钢的主要化学成分%

表2 X80与X100管线钢的主要力学性能

采用DIL805A/D相变仪进行模拟焊接，先将试样以200℃/s加热至峰值温度1 350℃，保温10 s，再分别以 1℃/s、5℃/s、10℃/s、15℃/s、25℃/s、50℃/s、100℃/s和200℃/s的速度冷却至室温。根据测得的热膨胀曲线确定材料在各个冷却速度下对应的相变温度。并将经历不同热循环焊接模拟试验的试样打磨、抛光和腐蚀（4%硝酸酒精溶液）后采用光学显微镜（Leica-2500）和扫描电镜（S-3700N）观察其显微组织，使用维氏硬度计（HV-1000）测定其硬度，最后利用Origin数据处理软件绘制出SHCCT曲线。

图1 X80与X100管线钢的显微组织

2 实验结果和分析

2.1 显微组织

不同冷却速度下X80和X100管线钢微缩试样焊接CGHAZ的显微组织分别如图2、图3所示。可以看出，在v＜10℃/s时，由于在高温停留时间较长，主要发生高温转变，其组织类型变化不大，X80粗晶区主要为QF、PF和少量M-A组元的混合组织（见图2a）。而X100粗晶区主要为GB以及少量QF和M-A组元的混合组织（见图3a）。随着冷却速度的增大，PF、QF等韧性组织逐渐减少，原奥氏体的晶粒尺寸随之增加，晶界逐渐清晰化。

图2 不同冷却速度下X80管线钢CGHAZ的显微组织SEM照片

在一定冷却速度下，半扩散相变产生的GB将达到极限值，并开始生成BF组织。X80粗晶区在10℃/s≤v＜25℃/s时，由 QF、GB 和少量 M-A 组元组成（见图 2b），在 25℃/s≤v≤100℃/s时，由 GB、BF和少量M-A组元组成（见图2c）。X100粗晶区在10℃/s≤v≤50℃/s时，由GB、BF和少量M-A组元混合而成，如图3c所示。随着冷却速度的进一步增大，GB逐渐减少，BF逐渐增加，同时BF的板条及板条束逐渐清晰化，由原奥氏体晶界以相互平行的板条向晶内生长，不同BF板条束将原奥氏体晶粒以大角度晶界分隔成不同区域，使得晶粒尺寸较为细小，且在一个奥氏体晶粒内的板条束以不同位向交错分布，有效地细化晶粒并抑制裂纹扩展，这与已有研究发现基本一致[7-8]。同时，M-A组元也由块状向条状、针状转变。

当v＞100℃/s时，X80管线钢冷却过程中较大的过冷度为相变提供驱动力，促使组织优先发生切变型转变，产生LM组织（见图2d、图2e）；而X100管线钢在v＞50℃/s时，所提供的过冷度足以提供切变型转变所需的能量，得到LM、BF和少量M-A组元的混合组织（见图3c～图3e）。显然，相变类型与冷却速度密切相关，冷却速度越大，发生切变型相变的可能性越大，当冷却速度足够大时（即v≥100℃/s），X100管线钢CGHAZ的显微组织几乎只有LM和M-A组元，见图3d～图3e。此外，对比相同冷速下的X80与X100粗晶区的组织可以发现，X80管线钢粗晶区的晶粒更均匀和细小。

2.2 硬度

硬度是力学性能的一个重要指标。采用200 N小负荷维氏硬度计测得两种管线钢在不同冷却速度下CGHAZ的硬度值如图4所示。

由图4可知，随着冷却速度的增加，PF和QF等高塑、韧性组织逐渐减少至消失，BF和LM等脆硬组织随之增加，硬度值呈阶梯形上升。其中X80粗晶区的硬度值由母材的198 HV0.2逐渐增至最大冷速（200℃/s）下的324.7 HV0.2，但增加幅度呈阶段性减小。而X100粗晶区的硬度值由母材的256 HV0.2先减小至1℃/s冷速下的最小硬度值181.4HV0.2，再逐渐增加至200℃/s冷速下的硬度值336.4 HV0.2。由于硬度与显微组织等因素密切相关，粗大的板条状脆硬BF、LM比块状GB对硬度的影响更大[9]。经历热循环作用后，X100母材中均匀细小的GB和QF组织转变为CGHAZ中板条状的BF和LM组织，且随着冷却速度的增加，GB含量减少，BF、LM含量增加，同时板条宽度随之增加，使得CGHAZ硬度增加。当v≤50℃/s时，X100粗晶区的硬度明显低于母材，存在一定的软化趋势；当v＞50℃/s时，虽生成脆硬的LM组织，其硬度值仍低于国际焊接学会提出的钢的焊接冷裂纹倾向的临界硬度[10]。

此外，由于X100管线钢中Cr元素的增加，强度近乎直线上升的同时硬度也大大增加，加上略高于X80管线钢的Mn元素的固溶强化、Nb和V等元素的碳化物、氮化物或碳、氮化物的沉淀强化和析出强化作用[11-12]，其硬度值曲线相比X80的硬度值曲线向上移动，但冷却速度小于5℃/s时由于严重的软化作用，该趋势不明显。

2.3 SHCCT曲线

通过切线法获得不同冷却速度下X80、X100管线钢所测得的热膨胀曲线的相变开始温度和相变结束温度，如表3所示，并结合所得显微组织和硬度，绘得两管线钢焊接粗晶区的SHCCT曲线如图5所示。

图4 不同冷却速度下两种管线钢CGHAZ的硬度

表3 不同冷却速度下两种管线钢的相变温度

由表3可知，两种管线钢的相变温度变化趋势相似，均随着冷却速度的增加而降低，且相变区间都维持在较窄范围（约100℃），各自的相变开始温度和相变结束温度变化趋势也基本保持一致。X80管线钢在v＜25℃/s时，相变开始温度都高于550℃发生高温转变，因此得到PF、QF和M-A组元的混合组织；而X100管线钢在v＜10℃/s时，转变类型与X80相似，其CGHAZ组织也为QF等高温组织，并且随着冷却速度的增加，相变温度急剧下降，相变产物由QF等高温产物向GB等中温产物转变。X80管线钢在25℃/s≤v≤100℃/s时与X100管线钢在10℃/s≤v≤50℃/s时一致，相变温度都位于中温转变区，且下降趋势非常缓慢，在该温度区间管线钢发生扩散和切变混合型的贝氏体转变，即同种转变机制的GB组织逐渐向BF组织过渡。X80管线钢在v＞100℃/s和X100管线钢在v＞50℃/s时，相变温度均大幅度下降，发生切变型的马氏体转变，生成脆硬的板条马氏体（LM）组织，且随着冷速的增加，X100管线钢相变温度下降幅度放缓，导致LM组织的含量逐渐饱和。对比两种管线钢的转变规律发现，发生同种转变X100管线钢需要的冷却速度更小，使得其SHCCT曲线右移。

图5 两种管线钢粗晶区的SHCCT曲线

此外，在相同冷却速度下，由于X100管线钢含有更多的Nb和Mo元素，Nb会延迟奥氏体再结晶过程、降低相变温度；Mo也能够降低相变温度，并且抑制块状铁素体的形成、促进针状铁素体的转变[13]，使X100粗晶区的相变温度明显低于X80粗晶区的相变温度。

3 结论

（1）总体而言，X80与X100粗晶区的组织变化规律类似。X100管线钢粗晶区在v＜10℃/s时，为GB、少量QF和M-A组元的混合组织；在10℃/s≤v≤50℃/s时，为GB、BF和M-A组元的混合组织；当v＞50℃/s时开始出现LM组织，直到v＞100℃/s，全部由LM和M-A组元组成。而X80管线钢则是在v＞25℃/s时才出现BF，v＞100℃/s时开始出现 LM组织。

（2）随着冷却速度的增加，两种管线钢CGHAZ的硬度都增加；在相同冷却速度下，X100粗晶区的硬度高于X80。

（3）两种管线钢的SHCCT曲线变化规律相似，相变温度均随着冷却速度的增加而降低，相变区间都维持在100℃左右；但X100相比X80的SHCCT曲线向右移动，且在相同冷却速度下相变温度明显低于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

本文参考文献引用格式：唐丽，李东，尹立孟，等.X80与X100管线钢粗晶区SHCCT曲线的比较研究[J].电焊机，2017，47（11）：9-14.

2017-10-06；

2017-11-01

国家自然科学基金资助项目（51674056）；重庆科技学院研究生科技创新计划项目（YKJCX1620213）；重庆市教委项目（KJ1713344）

唐 丽（1993—），女，在读硕士，主要从事管线钢焊接可靠性的研究。E-mail：18875015664@163.com。