X100 钢级埋弧焊管焊缝局部拉伸强度和延性研究

0 前 言

热影响区（HAZ） 的热循环会降低钢管的性能。 因为热影响区可能会发生脆化或软化， 所以通常被认为是焊接接头的关键区域。 单道焊缝的热影响区可分为粗晶热影响区 （CGHAZ）、 细晶热影响区 （FGHAZ）、 临界热影响区 （ICHAZ）和亚临界热影响区 （SCHAZ）。 单道焊不能满足大壁厚钢管的焊接， 需要采用多道焊。 多道焊会导致焊道HAZ 的再加热， 从而通过二次热循环改变前次焊道HAZ 的组织。

基于应变设计的管线钢管， 通过大变形能力来防止管道破裂。 研究表明， 有效利用马氏体-奥氏体 （M-A） 可以被认为是开发高性能材料的有效方法。 较高比例的M-A 会提高抗拉强度。 但是， M-A 会恶化X80 钢管的熔化极气体保护焊 （GMAW） 接头热影响区的延性。 另外， 焊接接头试样潜在的回火循环通过将有害的M-A 分解， 使拉伸断裂位置从热影响区移至母材， 从而导致强度和延性大幅提高。 延性的初期降低归因于M-A /铁素体界面处的孔洞形成。 较高比例的M-A 会提高应变硬化能力与焊缝强度。

上述研究主要考虑了拉伸试验期间的整体延性。 但是， 在拉伸变形过程中， 局部出现变形， 并且在断裂位置发生了明显的局部应变。局部应变分布与整体应变有很大的不同。 为了研究X100 钢级的管道在焊接过程中第2 焊道与前两道焊道重叠区试样的局部和整体延性的差异。 通过对比横向焊缝试样， 分析了其断裂行为及M-A 对局部拉伸性能的影响。 M-A 对强度、 延性和加工硬化的影响是研究的关键，并且结合了显微组织表征、 硬度试验、 拉伸试验中的应变分布图， 分析焊后及再加热后热影响区的性能。

1 试验材料和过程

本研究采用X100 钢级Φ914 mm×19 mm 双面埋弧焊焊管。 埋弧焊的典型热量输入为1.8～2.8 kJ/mm。 使用电感耦合等离子体发射光谱法分析了X100 钢管的母材化学成分， 结果见表1。试样经抛光后使用2%的硝酸酒精溶液浸蚀以观察母材和HAZ 的显微组织， 经LePera 浸蚀剂浸蚀后观察M-A 组织。 使用Olympus BX51 显微镜观察显微组织， 使用Zeiss LEO 扫描电子显微镜 （SEM） 表征M-A 内部组织的细节， 并使用Photoshop 6 对M-A 面积分数进行定量分析。 试样显微组织和晶粒尺寸的测量方法如图1 所示。图1 （b） 中产生的图像用于计算M-A 的面积分数和平均尺寸 （如图1 （c） 所示测量长度和宽度平均值）。 采用截线法计算M-A 的间距。 对母材、 焊道2 热影响区和焊道重叠区热影响区进行XRD 分析， 以研究每个位置的相分数。 通过使用精密切割机切成小段来隔开这两个区域， 并使用面积分数测量结果进行确认。 使用JEOL 9500F 系统进行包括俄歇电子能谱 （AES） 在内的SEM 分析， 以绘制M-A 中的碳分布和断裂表面上的颗粒分布图。 采用波长色散光谱法（WDS） 测量M-A 的碳含量。 维氏显微硬度测试载荷为300 g， 停留时间为15 s， 以得到整个焊缝区域的硬度分布图， 得出5 次试验的平均硬度值。 对单个M-A 区域进行2 000 μN 载荷的纳米压痕硬度试验， 随后拍摄每个压痕的SEM 图像，以确认和识别每个特定位置的M-A。

从焊道2 以及埋弧焊缝壁厚中部附近的焊道重叠区域取样， 共加工6 个横向焊缝拉伸试样（每组3 个）。 焊道2 代表单热循环HAZ 区域， 而重叠区试样包含了焊道1 和焊道2 的再加热区域以及单热循环HAZ 区域。 拉伸试样为小尺寸板状试样， 取自钢管周向， 试样总长度87 mm、 标距长度25 mm、 标距宽度6 mm、厚度1 mm。 X100 钢级埋弧焊管焊缝宏观形貌如图2 所示。 焊缝的宏观照片如图2 （a） 所示， 图2 （b） 中给出了单热循环和重叠热循环的HAZ 区域的示意图及拉伸试样在焊缝中的位置。 在室温下进行拉伸试验， 使用DIC 系统监控应变。 为了研究拉伸试样的断裂面和未断裂面的应变行为， 在焊道2 和重叠区试样上进行中断拉伸试验。 在试样上仔细标记HAZ区域， 并监控每个区域的应变。 进行X 射线断层扫描以确定孔洞位置并观察孔洞聚合， 最小分辨率为2.3 μm。

2 试验结果

2.1 显微组织

3.3.1 孔洞成核

在这一大背景下，国家及时出台了一系列治水兴水政策。从2011年中央发布1号文件到党的十八大会议将生态文明建设放到突出位置以来，一系列文件明确提出要将水生态保护摆在社会经济发展全局中更加重要的地位。作为生态文明建设的重要一环，加快、加强水生态文明建设的重要性不言而喻。

2.2 硬度分布

整个壁厚测得的的母材硬度平均为247HV

±12.5HV

。 焊道1、 焊道2 和焊道重叠的热影响区和焊缝区域的硬度分布如图3 所示。焊道2 的焊缝硬度低于焊道1 或重叠的热影响区。图4 所示为焊道2 和焊道重叠的热影响区距熔合线不同距离的显微组织。 从图4 可以看出， 焊道重叠的热影响区的显微组织比焊道2 更细小。

共产党人最讲认真，重要一方面就在于认真谋划全局和总结提高，这是支部书记职责的重要组成部分。知识学习和实际工作相结合，学以致用、相互促进，有助于不断提高全局谋划的科学化水平。在实际工作中，做事“公平公正”，做到“明察秋毫”，实现管理“用贤勿力”，力避“用力劳伤”，不断总结经验，汲取教训，增强把握全局的能力，提高工作效率和工作水平。

王婆什么观察力也失去了！不自觉地退缩在赵三的背后，就连那永久带着笑脸，常来王婆家搜查的日本官长，她也不认识了。临走时那人向王婆说“再见”，她直直迟疑着而不回答一声。

对于局部应变， 母材、 焊道2 试样及重叠区试样在断裂位置的局部应变分别为45%、 35%及33%。 尽管重叠区HAZ 整体应变较高， 但其FGHAZ 在断裂位置的实际应变小于焊道2 的FGHAZ。 但是， 重叠区FGHAZ 中整体应变较高的原因与焊缝另一侧 （未断裂） 的应变增加有关， 重叠区未断裂侧FGHAZ 的应变值始终比焊道2 的FGHAZ 高1.7%， 最大为4.0%。

2.3 M-A 的纳米压痕

母材中M-A 的硬度值为4.90 GPa±1.04 GPa。与熔合线相距1.30 mm 时， 重叠区FGHAZ 的M-A的硬度为5.83 GPa±1.16 GPa， 而焊道2 的HAZ 的FGHAZ 的M-A 的硬度为7.17 GPa±1.07 GPa。 在距熔合线1.30 mm 处， 焊道2 的FGHAZ 中M-A比重叠区FGHAZ 中的M-A 硬度高， 表明后者的含碳量较低。 使用WDS 确定距离熔合线1.30 mm处M-A 中碳含量， 结果表明， 焊道2 的FGHAZ中M-A 的w（C）=0.099%～0.181%， 重叠区FGHAZ 中M-A 的w（C）=0.073%～0.083%。 焊道2 的FGHAZ 中的铁素体w（C）=0.07%， 重叠区FGHAZ 铁素体的含碳量相同。

2.4 拉伸试验

母材的屈服强度为776 MPa±2.5 MPa， 焊道2 的HAZ 试样抗拉强度和屈服强度分别为665 MPa±6.5 MPa 和653 MPa±4 MPa， 焊道重叠区HAZ 试样的抗拉强度和屈服强度分别为712 MPa±5 MPa 和683 MPa±8.5 MPa。 母材的平均延伸率为10.0%±1.1%； 焊道2 HAZ 和焊道重叠区HAZ 试样的延伸率分别为4.8%±0.5%和5.7%±0.2%。

各主要变量的描述性统计结果见表2。由表2可知，被调查农户参保意愿的均值为3.33，农户对种植业保险保费补贴政策认知度的均值为2.21，邻里是否参保的均值为0.44，农户对种植业保险重要性评价的均值为3.07。由此可见，被调查农户的参保意愿低下，对保费补贴政策的认知度不足，邻里参保较少，并且种植业保险的重要性没有得到农户的高度认可。

焊道重叠区及焊道2 的HAZ 的拉伸试验结果如图7 所示。 由图7 （a） 可以发现， 母材的抗拉强度和屈服强度最高， 而焊道2 和重叠区试样的抗拉强度和屈服强度则较低。 此外， 重叠区试样的强度和延伸率高于焊道2 试样。 重叠区试样具有更均匀的应变硬化行为， 而焊道2 可忽略不计。 拉伸试验的应变-时间图表明， 重叠区试样比单个热循环 （焊道2） 试样的应变要晚， 如图7 （b） 所示。 应注意的是， 整体应变还将取决于软化的HAZ 区域的性能和宽度与拉伸试样的标距之间的关系， 但是与更长标距的试样相比， 图7 中的两个试样的HAZ 宽度接近。 所有的断裂都发生在热影响区位置， 且均为剪切断裂。

FGHAZ 的显微组织如图6 所示。 经LePera浸蚀剂浸蚀后， 距熔合线1.30 mm 处FGHAZ 的SEM 图像如图6 （a） 和图6 （b） 所示。 在焊道2的FGHAZ 此距离处观察到大量白色未回火M-A组织。 而重叠区域FGHAZ 中相同距离处的白色组织的数量则较少。 重叠区HAZ 的FGHAZ 的SEM 结果表明， 某些M-A 分布均匀且是微米级的， 如图6 （c） 所示， 有些M-A 稍大一些， 并且组织中包含碳化物， 表明这些M-A 区域是自回火的， 如图6 （d） 所示。 截线法测量结果显示， 焊道2 的FGHAZ 区域中的M-A 之间的间距为5.11 μm±0.7 μm， 高于重叠区HAZ 的FGHAZ中的间距， 为4.27 μm±0.57 μm。 此外， 与重叠区HAZ 的FGHAZ 中的间距 （3.27 μm±0.46 μm）相比， 焊道2 的FGHAZ 中M-A 的最大尺寸（3.97 μm±0.56 μm） 更大。 焊道2 的FGHAZ 中M-A 的平均尺寸也大于重叠区中的FGHAZ。

对大型植物的监测，在植被繁茂季节对沟道每1km布设1个调查点，如遇到生态条件突变则加测一点，共布设调查点9个。每个点根据实地特点设置 1～2个 5 m×5 m的乔灌样方，2～3 个 1 m×1 m 草本样方，0～2个1 m×1 m水生植物样方。调查植物种类与数量。

焊道2 的HAZ 硬度低于重叠区HAZ （图3）， 这可以通过晶粒尺寸、 M-A 分数和分布的差异来解释。 由图5 可见， 焊道2 的HAZ铁素体晶粒明显比重叠区中的铁素体晶粒粗大， 这导致前者硬度较低。 另外， 焊道2 的FGHAZ 中的M-A 分数较低， 且M-A 的间距大于重叠区FGHAZ。 而纳米压痕结果表明， 焊道2 的FGHAZ 的M-A 硬度高于重叠区FGHAZ 的M-A 硬度。 以上分析表明， 晶粒尺寸和M-A 的离散分布对重叠区的FGHAZ 的硬度有更大的影响。

3 分析与讨论

3.1 显微组织和硬度的差异

焊道2 的FGHAZ 承受了18.5%的应变， 在该应变下可能会发生断裂， 而整体应变为3.2%。但是， 未断裂侧的FGHAZ 仅承受2.5%的应变。相反， 重叠区FGHAZ 断裂位置在承受4.6%的整体应变时仍承受16.7%的局部应变， 而其他重叠区FGHAZ 则承受8.5%的局部应变。

3.2 强度和加工硬化

当前我国研究生培养已经进入了一个新的阶段,研究生教育是“人才强国”战略的重要组成部分,为“科教兴国”提供人才支撑,关系着强国兴邦;研究生科研能力和学术水平的提升,直接关系到以创新思维和创新能力为中心的科技实力的竞争[1]。对影响研究生培养质量的因素进行分析,阐明各因素的作用机理,对于科学地进行研究生培养管理有着重要意义。

从重叠区HAZ 获得的试样比焊道2 获得的试样具有更高的整体屈服强度和抗拉强度。 除了硬度以外， 增加的位错相互作用可能有助于提高强度。 由图5 可见， 与重叠区FGHAZ 相比， 焊道2 FGHAZ 中的M-A 数量更少。 有研究表明， 高密度塑性应变发生在拉长的块状M-A 周围的软相中，这可能是由于位错密度较高所致。 也有研究表明，M-A 可能成为位错运动的障碍。 重叠区FGHAZ 中M-A 的分布更均匀， 可能会阻碍位错运动， 从而提高了该区域的强度。 由于焊道2 的FGHAZ 中M-A 的间距较大， 因此位错运动更容易。

除硬度外， 应变硬化的增加可能有助于提高重叠区HAZ 的强度。 根据图6 （d） 可知， 重叠区的FGHAZ 中的M-A 已回火， 并且含有碳化物。 重叠区FGHAZ 中的碳化物可能与位错相互作用并增强应变硬化， 从而提高强度。 电子背散射衍射 （EBSD） 分析结果发现X80 钢级焊管焊缝的热影响区M-A 组织的含量较高， 且具有更多的回火M-A 组织， 其应变硬化能力更强， 从而导致更高的抗拉强度。 在当前的研究中， 可以观察到重叠的试样表现出应变硬化， 而焊道2 试样没有表现出这样的行为。 这可能是由于重叠区试样的FGHAZ 中的M-A 和回火M-A 含量较高所致。

由于孔洞的萌生， M-A 的尺寸也会影响强度。 据报道， 粗颗粒先于小颗粒萌生孔洞， 并且公认孔洞的过早形成会显著影响拉伸强度。 可以发现， 焊道2 FGHAZ 中M-A 的平均尺寸大于重叠区的FGHAZ 中M-A 的平均尺寸。 另外， 在焊道2 FGHAZ 中， 断裂位置处M-A 的最大尺寸大于重叠区的FGHAZ。 这意味着在焊道2 的FGHAZ 中更容易形成孔洞， 应变硬化能力较弱，从而导致强度降低。

西安地铁2号线南稍门站已于2011年9月开通运营，该车站为标准的地下二层、站台宽10 m的岛式车站，未预留换乘接口。根据《西安市城市快速轨道交通建设规划》(2012—2018)，已将2号线与5号线的换乘节点调整至南稍门站。

3.3 拉伸试验中的断裂机理

母材的显微组织包含铁素体相和二次M-A相。 母材中M-A 的占比为7.6%， 其余基体为铁素体。 从高放大倍数SEM 图像可观察到母材中M-A 内部结构的变化。 焊道1 的最大HAZ 宽度为3.83～4.00 mm， 而焊道2 的HAZ 宽度为3.02～4.03 mm， 这表明两个焊道的热输入相差不大。 而对于重叠的再加热区域， HAZ 宽度为3.60 mm。同时， 焊缝的显微组织由针状铁素体组成。

放疗中心病人黑压压的一片，却安静得鸦雀无声，大家都安静地等待着。英和丈夫紧挨着坐在等候区，两个老人并没有过多的话。大概等了四五个小时，快到晌午了，终于轮到了英。丈夫陪英一起走进放疗室，呈现在他们眼前的是一个白色椭圆形庞然大物，室内封闭而安静。在医生的吩咐下，丈夫搀扶着英缓慢地登了两个台阶，踏上庞然大物，好不容易才躺卧下来。丈夫给英解开裤子的纽扣，慢慢地给她褪去裤子。英的下半身赤裸裸地暴露在丈夫的眼前，她感觉很羞愧。

图5 所示为距熔合线1.25 mm、 1.50 mm 和1.75 mm 的SEM 图像。 在这些位置， 焊道2 的FGHAZ 和重叠HAZ 的FGHAZ 的显微组织由铁素体和M-A 的组合组成。 焊道2 的FGHAZ 所有三个位置的M-A 平均面积分数为4.93%±0.73%， 而重叠的热影响区距熔合线1.25～1.75 mm处的M-A 面积分数为5.57%±0.41%。

由光学显微镜观察到， 在母材、 焊道2 和重叠试样中靠近拉伸断裂表面的地方有大量孔洞。SEM 分析也证实拉伸试验后在断裂表面附近存在孔洞。 基于三个SEM 图像计算出孔洞的面积分数， 其中母材、 焊道2 FGHAZ 和重叠区FGHAZ靠近断裂位置孔洞的面积分数分别为0.3%±0.3%、1.7%±0.2%和2.1%±1.0%， 其孔洞密度分别为0.001/μm

、 0.004/μm

和0.005/μm

。 母材、 焊道2 FGHAZ 和重叠区FGHAZ 中靠近断裂表面的孔洞面积分数与孔洞尺寸分布的关系如图8 所示。 从图8 可以观察到， 焊道2 的母材FGHAZ 和重叠的FGHAZ 都包含明显的小（＜1 μm）、 中 （1～3 μm）及大 （＞3 μm） 孔洞。 所有尺寸的孔洞的占比均是母材最低。 与重叠的FGHAZ 相比， 焊道2 的FGHAZ 中的中等孔洞和较大孔洞占比更低。91%的孔洞源于M-A /铁素体界面。

断口扫描显示， 所有试样均有韧窝， 为延性断裂。 但是， 焊道2 的FGHAZ 和重叠区FGHAZ断裂面包含大量的大尺寸孔洞， 如图9 所示。 还观察到一些孔洞包含颗粒， 可能是夹杂物。 AES分析表明， 母材中颗粒表面富含碳、 硫和锰。 在断裂表面上观察到的颗粒上的碳含量远高于WDS 测得的M-A 区域的碳含量。

3.3.2 孔洞形成和孔洞聚合

为了研究X100 钢级焊管母材的孔洞形成和聚合的作用， 使用DIC 应变测量系统对拉伸试验进行了监测。 对整体应变为8%、 5%、 3%和1%的母材进行了中断拉伸试验， 对应变为8%和5%试样断裂位置区域进行X 射线断层扫描。 发现潜在的断裂位置存在孔洞的聚集， 并且孔洞在聚集区聚合， 尽管还有一些分散的孔洞远离局部聚集区。 通过X 射线断层扫描， 共识别出535 个孔洞， 孔洞的总体积分数为0.015%， 单个体积为11.93～52 189.3 μm

。

3.4 与孔洞形成有关的整体延性和局部延性的关系

从图7 可以看出， 重叠区试样具有比焊道2 试样更高的整体延性， 并且都断裂在FGHAZ。 重叠区FGHAZ 的M-A 的硬度低于焊道2 的FGHAZ。 WDS 分析表明， 重叠区的FGHAZ中的M-A 和铁素体的碳含量差异不大。 但是，在焊道2 的FGHAZ 中， M-A 和铁素体的碳含量差异较大， 这在纳米压痕结果中也很明显。焊道2 的FGHAZ 中未回火M-A 与铁素体之间的硬度差大于重叠区的FGHAZ。 WDS 和纳米压痕结果表明， 重叠区FGHAZ 的性能与母材更加相似。

相反， 焊道2 HAZ 的应变更局部化。 重叠区的FGHAZ 中的M-A 性能接近其周围的基体，这可能会导致在拉伸试验过程中在整个显微组织上均匀地变形。 但是， 焊道2 的FGHAZ 中的M-A 和铁素体基体差异较大， 更软的铁素体基体比较硬的M-A 更容易变形， 从而使焊道2 热影响区的应变容易局部化。

可以发现， 重叠区FGHAZ 比焊道2 的FGHAZ 包含更多的孔洞。 在本研究中， 观察到重叠区试样的FGHAZ 包含更多的M-A， 从而产生更多的孔洞。 另外， 重叠区FGHAZ 中的孔洞尺寸要比焊道2 的FGHAZ 中的孔洞大。 这表明，重叠区试样的FGHAZ 中的孔洞形成和孔洞聚合更容易。 尽管重叠区试样的整体延伸率高于焊道2 试样， 但在拉伸试验过程中， M-A 区域越多形成的孔洞越多， 这将导致重叠区试样的局部延性降低。

4 结 论

（1） 相比埋弧焊第2 道焊道， 焊道重叠区的热影响区表现出更高的屈服强度、 抗拉强度、 硬度、 应变硬化和整体延性。

（2） 焊道2 和焊道重叠区热影响区的断裂均发生在FGHAZ 处。 重叠区FGHAZ 中较高的M-A分数和较小颗粒间距促进了弥散强化， 从而使该区域的强度更高。

（3） 尽管焊道重叠区试样的FGHAZ 表现出比焊道2 FGHAZ 高的整体应变， 但焊道重叠区试样的FGHAZ 表现出比焊道2 FGHAZ 更低的局部应变。 前者更高的M-A 分数导致更大且更密的孔洞形成， 从而导致局部延性降低。