摘要：热影响区是焊接接头的薄弱环节，其中粗晶区作为热影响区性能最差的区域，长期以来受到人们极大的关注。同时热输入的选择对制定合理的焊接工艺具有重要意义。因此本论文采用焊接热模拟技术，显微组织分析及力学性能测试等手段，研究了X90管线钢粗晶区在不同热输入下的组织与性能，得到X90管线钢粗晶区韧性最佳的热输入范围。结果如下：一是不同热输入下形成的组织均为粒状贝氏体与板条贝氏体、二是不同焊接热输入下X90管线钢粗晶区冲击功均低于母材，并且随着热输入的增加，冲击功减小。
关键词：X90管线钢 热输入 粗晶区 焊接热模拟 焊接工艺
1 试验材料及方法
试验材料为国内某钢由控轧控冷和微合金化生产工艺得到的X90管线钢，其主要化学成分为ω(C)=0.04%、ω (Si)=0.23%、ω (S)=0.03%、ω (Mn)=1.73%、ω (P)=0.004%、
ω (V)=0.01%。采用热模拟试验方法对X90管线钢进行试验：长度方向沿板材轧制方向横向取10x10 mm试样，在Gleeble-3500型热模拟机上模拟焊接热影响区粗晶区，峰值温度1350℃，加热速度100℃。根据焊接热输入和板厚制定热模拟试验参数[1]，见表l。
表1 焊接热影响区粗晶区热模拟参数
根据GB/T229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》标准，在NI500C电子测力冲击试验机上进行冲击试验。按照GB/T2654-2008[2]《焊接接头硬度试验方法》标准，采用HVS-1000型数显维氏显微硬度仪进行硬度试验。金相试样经研磨和抛光，用4％的硝酸酒精溶液腐蚀，在扫描电镜(SEM) 下进行显微组织分析。冲击断口形貌采用型号为ZEISS EVO 18的扫描电镜进行观察，
2试验结果
2.1显微组织
图1为母材及不同热输入下热模拟试样的显微组织。母材原始组织由粒状贝氏体与板条贝氏体组成，晶粒尺寸较小，均匀分布。
随着热输入的增大，X90粗晶区晶粒尺寸在明显增加。如图1(b)-(c)及1(b)-(c)，焊接热输入为10-20kJ/cm时，晶粒内部产生平行生长的板条贝氏体及粒状贝氏体，且沿不同位向生长勾勒出清晰的原始奥氏体晶界。板条结构形状不一，彼此交叉分布着。板条内具有高密度位错且大量碳化物呈弥散分布。
当焊接热输入处于30-50KJ/cm时，晶粒急剧长大，如图1(d)-(f)所示。与此同时，组织的形态也在发生着明显变化：粒状贝氏体的数量急剧增多，被大角度晶界分开，使其具有较高的位错密度，同时残余奥氏体岛在晶内或晶界处弥散分布。
2.2力学性能
将母材及不同热输入下的热模拟试样制备成冲击试样及硬度试样，并测试其室温下的冲击功与硬度值。
焊接热输入在10KJ/cm-50KJ/cm内变化时，随着热输入的增加，热影响区粗晶区韧性降低。
结合显微组织分析，当热输入处于低阶段时(10-20kJ/cm)，由于热输入较小，冷却速度较快，碳化物呈弥散分布。同时晶内主要组织是板条贝氏体与少量粒状贝氏体，紧密交叉分布，形状不一，使其有效尺寸减小。这就让裂纹在通过的时候平均自由路径减小，消耗更多的能量。有利于提高粗晶区的韧性，因此此时粗晶区仍然能保持良好韧性。
热输入值为30KJ/cm的时候，粗晶区韧性值仅仅为29.62J，与母材韧性相比较，韧性严重损失。而热输入值达到50KJ/cm的时候，与母材韧性值相比，试样粗晶区韧性值损失甚至达到了96%，产生严重的脆性断裂倾向。究其原因，由于加热速度的增大和冷却速度的降低，这使得晶粒急剧长大，减小了裂纹扩展的阻力，因此导致韧性降低，引发局部脆化。同时，粒状贝氏体的增多且呈弥散分布，残余奥氏体的形成，都对韧性的改善很不利。所以随着其含量的增加，X90管线钢粗晶区韧性下降严重，导致粗晶脆化。因此粗晶脆化可以通过选择合适的焊接热输入（10-30KJ/cm）与.控制冷却速度来防止。
不同热输入下的硬度结果及硬度变化如图3所示，粗晶区硬度随着焊接热输入的增大而逐步减小。当热输入处于较小的阶段(10-20KJ/cm)时，粗晶区硬度较母材而言有较大的提高。当焊接热输入处于30KJ/cm及以上时，硬度随热输入的变化关系由快至慢，从陡降转变为缓慢下降的特征。在高热输入范围时(30-50KJ/cm)，硬度处在较低的水平，因为随着焊接热输入的增大，冷却速度会降低，因此粗晶区淬硬倾向降低[3]。
2.3冲击断口形貌
试验采用型号为ZEISS EVO 18的扫描电镜对冲击韧口的断面进行观察，扫描电子显微镜是用聚焦电子束在试样表面逐点扫描成像。对于冲击断口，先观察断口的全貌，再由低倍到高倍分别观察纤维区、放射区和剪切唇的微观形貌。
对冲击试样断口形貌进行观察发现，冲击试样断口是韧窝形貌韧性断裂与扇形花样脆性断裂的混合形貌。热输入为10kJ/cm-20kJ/cm时试样断口不平整，扩展区分布着较大较深的韧窝，剪切唇的韧窝较小较浅；对于热输入为30kJ/cm的试样来说，纤维区出现起裂处，扩展面则产生了解离台阶。热输入为40kJ/cm-50kJ/cm时试样的断口较为平整，扩展区能观察到较明显的解理面，纤维区和剪切唇则主要分布着小而浅的韧窝。
结合试样的-20℃冲击韧性值来看，热输入为10kJ/cm-20kJ/cm时试样的断口不平整，断口上分布着大量的韧窝，冲击功数值相差不大，推测其为韧性断裂；热输入为30kJ/cm时解离台阶的出现，为韧性断裂向脆性断裂转变的阶段。而热输入40kJ/cm-50kJ/cm试样的断口相比于其他三个试样较为平整，出现有明显脆性断裂特征的解理面，冲击功数值很低，呈现严重的脆性断裂。
3结论
本论文采用了焊接热模拟技术、显微组织分析与力学性能测试等手段，研究X90管线钢热影响区粗晶区的组织与性能，结论如下：
焊接热输入处于10~20KJ/cm时，X90管线钢粗晶区组织主要是板条贝氏体与少量粒状贝氏体，板条贝氏体交叉紧密分布，使得有效尺寸减小。而当热输入在30KJ/cm及以上时，X90粗晶区晶粒严重粗化，粒状贝氏体数量增多并且呈弥散分布，残余奥氏体与岛状M/A组元产生。
随着热输入的增加，X90管线钢热影响区粗晶区韧性降低。当焊接热输入为10~20KJ/cm时，此时的韧性值较为良好，断口形貌为韧窝，呈延性断裂。焊接热输入大于30KJ/cm时，韧性开始明显降低，断口呈现出脆性断裂倾向。而当热输入达到50KJ/cm时，韧性值损失达到了96%，断口出现河流花样的解离形状。产生严重的脆性断裂。
X90管线钢粗晶区硬度随焊接热输入的增大而降低，热输入处于10KJ时，粗晶区硬度最高，这说明了在较低的热输入下粗晶区能够获得较高的强度。当热输入大于30KJ时，硬度逐渐接近母材。
10~30KJ为X90管线钢粗晶区韧性最佳的热输入范围。
参考文献：
[1]陈伯.金属焊接性基础[碉.北京：机械工业出板社，1982
[2]冯耀荣.管线钢显微组织的分析与鉴别[M]. 陕西科学技术出版社, 2008.
论文作者:段金伟,罗正阳,田淑娴1
论文发表刊物:《防护工程》2019年第7期
论文发表时间:2019/10/29
标签：试样论文; 韧性论文; 断口论文; 管线论文; 硬度论文; 粒状论文; 组织论文; 《防护工程》2019年第7期论文;