ASTM4130鋼焊接冷裂紋敏感性分析*

張三艷,李立英

（1.海洋石油工程股份有限公司，山東 青島 266520；2.中國石油大學（華東）機電工程學院,山東 青島 266580）

0 前 言

ASTM4130鋼屬于Cr-Mo系中碳調質鋼，具有較高的強度、硬度以及良好的塑性及韌性。早在第二次世界大戰期間就用來制造飛機某些構件，后來廣泛應用于油氣生產裝備，如油管、鉆井防噴器、半潛式鉆井平臺高壓管線等。但其碳當量CEIIW高達0.73%，故焊接性較差。一般情況下中碳調質鋼都是在正火或退火狀態下焊接，焊后再進行整體調質，這是焊接調質鋼的一種比較合理的工藝方案。但是有時必須在調質態下焊接，焊后又無法進行調質處理，存在焊縫脆化以及熱影響區脆化和軟化問題。焊條電弧焊具有操作簡單，靈活方便等優點，因此，本研究以插銷試驗為研究手段，通過組織及斷口分析，探索ASTM4130鋼焊條電弧焊焊接接頭冷裂紋敏感性，為其焊接工藝的制定提供理論和實驗依據。

1 試驗材料及方法

試驗材料為進口準141.3 mm×30 mm調質態ASTM4130鋼管，其化學成分見表1。

表1 ASTM4130鋼的化學成分 %

插銷試棒從鋼管上截取，其長度方向與管材軸向平行，采用螺形缺口，直徑為6.0 mm。采用的焊條為AWS A5.5 E11018-M，準3.2 mm，其化學成分見表2。

表2 焊條AWS A5.5 E11018-M的化學成分 %

試驗底板為30CrMo鋼，厚度為30 mm。參照GB 9446—1988《焊接用插銷冷裂紋試驗方法》規定進行焊接，焊接熱輸入≤1.5 kJ/mm。插銷試驗參數包括不預熱、預熱100℃、預熱200℃三種。采用掃描電鏡分析插銷斷口形貌，用維氏硬度計測試粗晶區硬度，光學顯微鏡觀察粗晶區組織特征。

2 試驗結果與分析

2.1 臨界斷裂應力

插銷試驗結果見表3。試驗條件相同情況下，拘束力越大，插銷試棒保持不斷裂的時間越短；反之，斷裂時間明顯延長。以持續20 h不斷裂的應力作為臨界斷裂應力，不預熱、預熱100℃和200℃的臨界斷裂應力分別為344.46 MPa，642.55 MPa和806.11 MPa。根據斷裂準則，σcr≥σs能避免冷裂。ASTM4130鋼的σs為785 MPa。因此，實際焊接時，預熱溫度200℃可以避免ASTM4130鋼管焊接冷裂紋的產生。

表3 插銷試驗結果

2.2 HAZ組織和硬度

圖1 插銷試棒粗晶區的顯微組織

由表3可知，斷裂位置大部分位于粗晶區，故本研究對粗晶區的組織和硬度進行了分析。粗晶區的顯微組織如圖1所示，由圖可知，粗晶區組織主要為馬氏體和貝氏體，但兩者的相對含量以及貝氏體形態存在差異。不預熱時馬氏體含量多，貝氏體含量少且大部分呈針狀平行排列；隨預熱溫度升高，馬氏體含量減少，貝氏體含量增加，且羽毛狀上貝氏體增加明顯，板條的長度變長，寬度增加。這是因為隨著預熱溫度的升高，高溫停留時間延長，冷卻速度減慢，且ASTM4130鋼的貝氏體轉變溫度范圍較寬。不預熱、預熱100℃和預熱200℃時，粗晶區硬度分別為547.3 HV10，529.0 HV10和 370.5 HV10。

2.3 斷口分析

臨界斷裂應力時的斷口形貌如圖2所示。根據斷口宏觀特征，分為啟裂區、裂紋擴展區和終斷區三部分，分別見圖2(a)、圖2(b)和圖2(c)中的標注1，2和3。根據斷口顯微特征，啟裂區和擴展區為脆斷區，終斷區為延性斷裂區。各區斷口特征見表4。

圖2 插銷試棒臨界斷裂應力時的斷口形貌

表4 插銷試棒臨界斷口特征

不預熱和預熱100℃時斷口相似。從宏觀上看(見圖2(a)和圖2(b))，斷口平齊，啟裂區有多個裂紋源，裂紋起源于螺形缺口的底部，斷裂位置為粗晶區；裂紋擴展區存在呈金屬光澤的結晶狀小平面，為典型的脆性斷口。從微觀上看，不預熱時(見圖2(d))裂紋擴展區有沿晶開裂特征，且具有二次裂紋，為典型的冰糖狀沿晶脆性斷裂(IG)。預熱100℃時(見圖2(e))裂紋擴展區為兼有河流花樣的準解理 (QC)和IG斷裂，與不預熱相比，裂紋擴展區的晶粒表面有少量的微觀塑性變形。由圖2(c)可知，預熱200℃時啟裂區位于螺形缺口的底部，斷裂位置為母材，斷口表面為暗灰色，呈杯錐狀。從微觀上看(見圖2(f))，擴展區較窄，韌窩較深且嚴重變形，為典型的韌窩斷裂。

2.4 冷裂分析

冷裂紋的產生與淬硬組織、拘束應力與氫的擴散聚集行為密切相關。試驗過程中采用了低氫焊材，擴散氫含量均在超低氫范圍內。但對于淬硬傾向較大的ASTM4130中碳調質鋼焊接，冷裂傾向仍然較大。不預熱時，裂紋擴展區為典型的冰糖狀脆性IG斷口；預熱溫度100℃時，為棱角分明的IG和QC混合斷口。由此可知，不預熱和預熱100℃時為氫致延遲脆性斷裂，而預熱200℃時，為延性斷裂。

冷裂紋開裂過程如圖3所示，焊接冷卻過程中，焊縫含碳量低，奧氏體首先發生轉變，焊縫中的氫擴散至熔合區和粗晶區；裂紋啟裂時，粗晶區中氫濃度較高，導致裂紋尖端的應力場強度因子降低，同時滑移變形向晶界集中，氫在晶界富集，造成晶界脆化，微裂紋優先在晶界處形核，沿晶界擴展；在裂紋擴展過程中，擴散氫的平均濃度和裂紋尖端的應力場強度因子有所降低，但由于ASTM4130鋼生成了對氫脆敏感性較大的馬氏體和貝氏體，擴展區仍為IG斷裂；當裂紋擴展到一定階段后出現失穩擴展，氫來不及聚集到裂紋尖端，且該區組織氫脆敏感性小，故終斷區出現較多韌窩。

圖3 冷裂紋開裂過程示意圖

組織硬度影響斷口形貌。不預熱時，組織中含有較多的馬氏體，啟裂區和擴展區為典型的IG斷裂；預熱100℃時，貝氏體含量增加，啟裂區和擴展區均為IG和QC混合斷裂。

3 結 論

（1）ASTM4130鋼冷裂紋敏感性大。不預熱、預熱100℃和預熱200℃的臨界斷裂應力分別為 344.46 MPa，642.55 MPa和 806.11 MPa。預熱200℃能避免冷裂紋產生。

（2）ASTM4130鋼冷裂紋敏感性與粗晶區的組織密切相關。不預熱時馬氏體含量多，貝氏體含量少，且呈針狀形態平行排列；隨預熱溫度升高，馬氏體含量減少，貝氏體含量增加，且羽毛狀上貝氏體增加明顯，板條的長度變長，寬度增加。

（3）不預熱時，裂紋擴展區為沿晶脆性斷裂；預熱100℃時，裂紋擴展區為沿晶+準解理混合斷裂；預熱溫度為200℃時，裂紋擴展區為韌窩斷裂。

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