t8/5對X90管線鋼焊接熱影響區細晶區顯微組織的影響*

李 東，尹立孟，耿燕飛，王學軍，蔣 勇，王 剛

（1.重慶科技學院冶金與材料工程學院，重慶401331；2.四川石油天然氣建設工程有限責任公司，成都610041；3.四川大西洋焊接材料股份有限公司，四川 自貢643000）

t8/5對X90管線鋼焊接熱影響區細晶區顯微組織的影響*

李 東1，尹立孟1，耿燕飛1，王學軍2，蔣 勇3，王 剛1

（1.重慶科技學院冶金與材料工程學院，重慶401331；2.四川石油天然氣建設工程有限責任公司，成都610041；3.四川大西洋焊接材料股份有限公司，四川 自貢643000）

為了研究焊接冶金與熱循環過程對X90管線鋼焊接熱影響區細晶區顯微組織的影響，采用淬火變形膨脹儀模擬了不同t8/5條件下X90管線鋼熱影響區細晶區的熱循環過程，并在光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡下觀察了其顯微組織隨t8/5不同而變化的情況。研究結果表明，當t8/5＜6 s時，X90管線鋼會獲得粒狀貝氏體、貝氏體鐵素體和板條馬氏體的混合組織；當t8/5＞12 s時，X90管線鋼組織以多邊形鐵素體為主，并隨著t8/5的減小，會先后出現珠光體和粒狀貝氏體；當t8/5控制在6～12 s時，細晶區組織主要為性能良好的貝氏體組織和少量準多邊形鐵素體。為獲得綜合性能優異的焊接接頭，冷卻過程中焊接熱影響區細晶區的t8/5應控制在6～12 s更為合適。

焊接；X90管線鋼；焊接熱影響區；t8/5；細晶區；顯微組織

隨著世界經濟的飛速發展，各個領域對石油天然氣的需求日益增加，進而加速了全球管道工業和管線鋼產業的快速發展[1]。我國敷設的長輸管道所用材料大多為X80管線鋼[2]，但從目前我國石油天然氣蓬勃發展的現狀來看，研發更高級別的管線鋼來實現大直徑小壁厚的設計要求已是大勢所趨，因此X90管線鋼成為備受廣泛關注的焦點[2-3]。由于目前世界各國對X90管線鋼的研究還處于探索階段，對其微觀組織、力學性能以及抗腐蝕性、焊接性能等方面的理解還亟待深入[4-6]。尤其是對于X90管線鋼的焊接性能，大量的工作主要集中于焊接接頭最薄弱的熱影響區粗晶區[7-10]，而對于熱影響區細晶區的研究非常少見。由于X90管線鋼無論是在制管還是管道敷設焊接時均經歷了復雜的焊接冶金與熱循環過程，焊接接頭的顯微組織和性能都發生了顯著變化，因此接頭中任何區域的缺陷皆有可能造成極大的破壞，導致石油天然氣輸送管道泄露等重大事故。

本研究采用淬火變形膨脹儀模擬了不同t8/5條件下X90管線鋼熱影響區細晶區的熱循環過程，并在光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡下觀察了其顯微組織隨t8/5不同而變化的情況，以期為X90管線鋼的基本組織和性能理解以及焊接工藝制訂與優化提供參考依據和科學指導。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料取自X90管線鋼，其主要化學成分見表1，原始顯微組織如圖1所示。試驗板材厚度為18.4mm，硬度為300 HV10。X90管線鋼的化學成分采用直讀光譜儀測定。由圖1可見，X90管線鋼的原始顯微組織為粒狀貝氏體（GB）和準多邊形鐵素體（QF）。

表1 X90管線鋼的主要化學成分 %

圖1 X90管線鋼的原始顯微組織

1.2 試驗方法

在線切割機上將X90試驗鋼加工成尺寸為Φ4mm×10mm的試樣，并用機械精加工的方法將試樣表面加工至光潔平整，以確保試樣的光潔度和平行度。采用DIL805A淬火變形膨脹儀對試樣進行不同工藝的焊接熱模擬試驗，即以10℃/s的加熱速度將試樣加熱到920℃，保溫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分別冷卻至室溫，再將試樣精細打磨拋光，以4%的硝酸酒精腐蝕溶液腐蝕4～6 s，最后在Leica DM2500光學顯微鏡和S-3700N掃描電子顯微鏡下觀察分析試樣的顯微組織。

2 試驗結果與分析

當t8/5為300 s時，試樣的顯微組織主要為多邊形鐵素體（PF）和少量零星分布的珠光體（P）組織，如圖2所示。從圖2可以看出，多邊形鐵素體的組織尺寸較小，呈碎片狀，珠光體呈團絮狀分布。這是由于最高溫度僅為920℃，未能達到原始奧氏體晶粒急劇長大的溫度，所以冷卻后形成的鐵素體組織也比較細小。

圖2 t8/5為300 s時試樣的顯微組織

當t8/5為120 s時，試樣的顯微組織仍以多邊形鐵素體（PF）為主，珠光體（P）逐漸減少，粒狀貝氏體（GB）開始出現，此時的粒狀貝氏體的數量較少，尺寸較小，多以顆粒狀或者短棒狀聚集在多邊形鐵素體晶界處，如圖3所示。

當t8/5為12 s時，冷卻后試樣的顯微組織以粒狀貝氏體（GB）為主，并伴隨少量的準多邊形鐵素體（QF），而多邊形鐵素體（PF）在此條件下已經完全分解，如圖4所示。圖4（b）中掃描電鏡照片可以清晰地觀察到粒狀貝氏體（GB）的板條以及板條間分布有塊狀及條狀的M/A島。

當t8/5為6 s時，在大面積的粒狀貝氏體（GB）中開始發現貝氏體鐵素體（BF）的存在，并伴隨有少量細小的準多邊形鐵素體（QF），如圖5所示。同樣地，由于原奧氏體晶界較小，晶界不明顯，且粒狀貝氏體與貝氏體鐵素體外形比較相似，在圖5（a）的光學照片中較難區分，而在圖5（b）掃描電子顯微鏡照片中則可以明顯的觀察到貝氏體鐵素體內部細長而平直的板條。

圖3 t8/5為120 s時試樣的顯微組織

圖4 t8/5為12 s時試樣的顯微組織

圖5 t8/5為6 s時試樣的顯微組織

當t8/5為3 s時，主要仍為粒狀貝氏體（GB）組織，但是在掃描電子顯微鏡下，少量板條狀的貝氏體鐵素體（BF）和板條馬氏體（LM）組織形態開始逐漸明顯，相對于貝氏體鐵素體，板條馬氏體的板條更為細密平直而且更加清晰，如圖6所示。

圖6 t8/5為3 s時的顯微組織

由于冷卻速度（t8/5為3 s）過小時在產生馬氏體組織的同時會出現較大的應力，以致嚴重影響焊接接頭的韌性，在實際焊接工藝的制定中應盡量避免。

綜上，在不同的t8/5條件下，X90管線鋼焊接熱影響區的顯微組織隨t8/5不同而變化。t8/5控制在6～12 s時，細晶區的組織主要為性能良好的貝氏體組織和少量準多邊形鐵素體組織。為了獲得綜合性能優異的焊接接頭，冷卻過程中焊接熱影響區細晶區的t8/5應控制在6～12 s更為合適。

3 結 論

研究了最高加熱溫度為920℃的X90管線鋼在奧氏體化比較充分（保溫10 min）的情況下，不同冷卻速度（相對于焊接冷卻時間t8/5）對其焊接熱影響區細晶區顯微組織的影響，得到的主要結論如下：

（1）由于原始奧氏體晶粒尚未顯著變大，不同t8/5冷卻速度下的組織均比較細小；

（2）t8/5處于3～120 s范圍內的X90管線鋼試樣都可以觀察到粒狀貝氏體（GB）的存在；

（3）為獲得綜合性能優異的焊接接頭，冷卻過程中焊接熱影響區細晶區的t8/5應控制在6～12 s更為合適。

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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 文獻標志碼：A DOI:10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.03.001

重慶市前沿與應用基礎研究項目“X80管線鋼熱絲TIG焊接頭組織控制及局部腐蝕行為研究”（項目號cstc2015jcyjA50017）；重慶市研究生科研創新項目“微縮高級別管線鋼連續冷卻的顯微組織與力學性能研究”（項目號 CYS15227）。

李 東（1992—），男，碩士研究生，主要從事高性能管線鋼焊接與力學可靠性評價工作。

2015-12-29

李 超