X70 管線鋼焊接接頭在拉伸過程中的力學響應及性能關系*

武 剛 ， 王 楠， 馮 菁， 李 娜 ， 李麗鋒 ， 朱麗霞

（1. 石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室， 西安710077；2. 中國石油集團石油管工程技術研究院， 西安710077； 3. 長安大學 材料科學與工程學院， 西安710061； 4. 中國石油寶雞石油機械有限責任公司， 陜西 寶雞721002）

0 前 言

管道運輸被認為是一種經濟、 安全、 環保的天然氣運輸方式。 高強度、 高韌性的X70 管線鋼管在西氣東輸工程中得到了廣泛的應用[1-2]。 然而在實際應用中， 由于地震、 滑坡、 地面沉降等地質因素， 管線鋼管容易發生不同程度的塑性變形， 造成失效事故[3-4]。 焊接接頭是管線鋼管相對薄弱的部分。 孔德軍等[5]分析了管線鋼管母材及其焊接接頭的拉伸性能， 結果表明： 母材具有比焊接接頭更高的延伸率和斷面收縮率， 并且為韌性斷口， 焊接接頭則呈現出韌斷和脆斷的分層現象。 潘川等[6]通過對X70 管線鋼焊接接頭組織的觀察發現， 焊縫區主要以針狀鐵素體和粒狀貝氏體為主， 其中貝氏體組織形態不一， 呈現短桿狀或長條狀， 熱影響區以粗晶為主， 存在大量塊狀鐵素體。 BAI F 等[7]認為， 熱影響區中的塊狀鐵素體是由于焊接過程中熱輸入影響， 晶粒發生了一定程度的生長所致， 由于母材、 焊縫和熱影響區的組織形貌不同， 因此其發生的力學響應也不同。 CHEN H Y 等[8]和NI D R 等[9]分別研究了X70管線鋼管 “近縫帶” 焊縫的拉伸應變能力和應變硬化性能， 并發現焊縫區域具有較高的應變硬化速率和應變能力， 而母材具有較強的抗斷裂性能和應變硬化指數。 LIN S 等[10]研究發現， 在相同的應變條件下， 中心焊縫區具有更高的位錯密度，更容易形成位錯胞和位錯墻等穩定結構， 而兩邊熱影響區塑性變形較小， 發生的位錯滑移有限，意味著焊縫區的應變響應更高。 綜上所述， 焊接接頭各區域具有不同的應變硬化能力， 在發生塑性變形時， 所發生的應變響應也是不均勻的， 如應變優先在那個區域集中， 應變如何轉移， 相對應變量有多大， 這些在實際應用中均具有重要的指導意義。

本研究通過對X70 螺旋埋弧焊管管體焊接接頭進行拉伸試驗， 分析了母材、 焊縫和熱影響區組織形貌與應變響應的內在聯系。 采用三維全場應變測量系統 （XTDIC） 測量拉伸過程中焊接接頭母材、 焊縫和熱影響區的實時應變響應情況， 并通過粘貼應變片以獲得各區域相對應變的分布曲線， 以此來模擬管線鋼管焊接接頭在服役環境中發生塑性變形時的應變規律。 研究結果對高通量管線鋼管實際應用中的安全評價具有十分重要的意義。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料采用X70 螺旋埋弧焊管， 規格為Φ1 016 mm×14.6 mm， 其主要化學成分見表1。

表1 X70 螺旋埋弧焊管主要化學成分

1.2 試驗方法

從試驗材料X70 螺旋埋弧焊管焊接接頭位置截取試樣， 并加工成全壁厚板狀拉伸試樣 （如圖1 所示）。 該試樣分為3 個區域， 分別為母材區 （BM）、 焊縫區 （WM） 和熱影響區 （HAZ）。試樣截面尺寸為22 mm×14.6 mm， 標距L0=90 mm，試樣總長度為190 mm。

拉伸試驗在WAW－600C 型伺服萬能試驗機上進行， 拉伸速率2 mm/min。 通過微機系統得出力－位移圖像數據， 利用Origin8.0 繪圖轉化為應力－應變曲線做后續分析。 拉伸試驗重復3 次， 取其平均值作為最終力學性能數據。 試樣經拋光后， 用2%硝酸酒精溶液浸蝕待測試樣表面， 通過光學顯微鏡觀察其組織形貌。

圖1 X70 管線鋼管焊接接頭拉伸試樣示意圖

1.3 焊縫區域應變測定

焊接接頭不同區域在拉伸過程中的變形行為存在差異， 為了明確拉伸過程中3 個區域在所研究的變形條件下各自的變形情況， 采用XTDIC 系統用于測量和分析拉伸過程中焊接接頭位移以及應變等特征。 XTDIC 系統是一種光學非接觸式變形測量系統， 用于物體表面形貌、 位移以及應變的測量和分析， 并得到三維應變場以及位移場數據， 測量結果能直觀顯示。 同時， 試驗采用電測法， 分別在焊縫區、 熱影響區和母材區粘貼應變片， 以此獲得各區的應變曲線。 單臂電橋線路及應變片如圖2 所示。 在拉伸過程中， 通過調節單臂電橋電路測量應變片R1電阻的大小， 從而獲得粘貼位置的應變值。 應變片電阻120 Ω， 靈敏系數2.0±1%， 柵長×柵寬為20.0 mm×3.5 mm。

圖2 單臂電橋線路及應變片

圖3 X70 管線鋼管焊接接頭的顯微組織形貌

2 試驗結果與分析

2.1 X70 焊管焊接接頭的顯微組織

X70 焊管焊接接頭的顯微組織形貌如圖3所示。 由圖3 可見， 母材區由多邊形鐵素體和粒狀貝氏體組成 （見圖3 （b））， 這種以鐵素體為主的組織形貌， 具有一定的塑性變形能力； 焊縫區主要由針狀貝氏體和針狀鐵素體組成 （見圖3 （c））， 組織細小且緊密排列， 這種大小不一的晶粒彼此咬合， 互相交錯分布， 形成細小片條狀結構， 可以有效抵抗塑性變形，從而提高焊縫的強韌性； 焊縫區與母材區之間的熱影響區組織以粗晶為主 （見圖3 （d））， 如板條狀貝氏體和粗大的塊狀鐵素體晶粒， 并分布著具有脆硬性組織的M/A 島狀結構， 該結構會顯著降低熱影響區的塑韌性， 也是拉伸過程中裂紋的起點[11]。

M/A 島狀結構作為第二相粒子， 在外加載荷下將阻礙變形組織中位錯的運動， 從而引起位錯的塞積， 導致應力集中產生裂紋[6]。 與此同時，M/A 島狀結構與鐵素體基體組織之間在外力作用下具有不同的變形能力， 內部應力和位錯塞積的相互作用可能導致M/A 島狀結構破碎或形成微裂紋， 在外力的進一步作用下， 微裂紋擴展， 最終導致管線鋼失效[11]。

2.2 X70 焊管焊接接頭的力學性能

X70 焊管母材 （BM） 和焊接接頭 （BM+WM+HAZ） 應力－應變曲線如圖4 所示。 由圖4 可見，相較于母材， 焊接接頭在屈服階段強度更高， 屈服后產生的應變增量則小于母材， 表明焊接接頭應變硬化速率更強。 加工硬化階段， 母材應變量顯著大于焊接接頭， 而焊接接頭產生的載荷增量更大。 頸縮后， 焊接接頭發生斷裂所需的應變量更小， 表明經加工硬化后， 其脆性遠大于母材。

圖4 X70 焊管母材和焊接接頭的應力－應變曲線

X70 焊管母材 （BM） 和焊接接頭 （BM+WM+HAZ） 的拉伸試驗結果見表2。 由表2 可見， 焊接接頭具有更高的屈服強度和抗拉強度， 分別為606 MPa 和682 MPa。 延伸率和斷面收縮率較低，表明焊接接頭的塑性變形能力低于母材， 也就意味著焊接接頭一旦發生頸縮， 便會快速斷裂， 塑性變形容量較小。 同時， 3 次拉伸試驗均表明，焊接接頭的熱影響區為薄弱區， 裂紋易于擴展。這是由于熱影響區粗大的組織結構， 并且伴隨著脆性M/A 島狀結構， 使得在拉伸過程中， 位錯大量塞積在脆性M/A 島周圍， 導致應力集中而產生裂紋， 這些裂紋快速擴展并斷裂[11]。

表2 X70 焊管母材和焊接接頭的拉伸試驗結果

2.3 X70 焊管焊接接頭應變響應機理

為了進一步研究不同組織形態對拉伸性能的影響規律， 對拉應力作用下X70 焊管焊接接頭進行了應變云圖分析， 結果如圖5 所示。 由圖5可見， 隨著應力的增加， 各區域的應變響應明顯不同。 為了方便研究， 可以將該應變過程劃分為典型的4 個階段， 即均勻變形階段 （Ⅰ）、 焊縫區變形快速增長階段 （Ⅱ）、 熱影響區變形增長階段 （Ⅲ） 和斷裂階段 （Ⅳ）。 在均勻變形階段內， 焊縫區、 熱影響區和母材區的應變基本相同， 并且應變量都相對較小， 表現為各區域均勻伸長。 隨著拉應力的增大， 為了抵抗這種增大的應力狀態， 流動應力開始向應變硬化能力較強的焊縫區聚集， 進入第Ⅱ階段焊縫區變形快速增長期。 由于焊縫區內部的組織形態能夠抵抗不斷增大的應力需求， 因此， 隨后的變形主要集中在焊縫區域， 而焊縫區域的應變響應也遠遠大于母材區和熱影響區。 隨著應力的持續增大， 應變開始向熱影響區擴散， 并最終在熱影響區斷裂。 同時可以觀察到， 母材的應變增幅較為緩慢。

圖5 X70 焊管焊接接頭DIC （三維全場應變測量系統） 應變云圖

結合焊縫區、 熱影響區和母材區的瞬時應變響應曲線， 對以上4 個應變階段做進一步的闡述。 焊縫區 （WM）、 熱影響區 （HAZ） 和母材區 （BM） 在拉應力作用下的應變分布如圖6 所示。由圖6 可見， 階段Ⅰ可能在彈性變形期， 因此各區域應變響應相同。 然而屈服后 （階段Ⅱ）， 大量位錯被激活而開始滑移， 焊縫區細小的組織，具有較低的臨界分切應力， 易于開動滑移系。 因而， 位錯迅速在焊縫區增殖， 產生高的流動應力， 而快速變形， 具有高的應變硬化能力。 相比較焊縫區， 母材區和熱影響區位錯增殖較慢， 應變響應較低。 因此， 當焊縫區應變高達3.3%時，母材區和熱影響區只有0.7%左右， 應變差為2.6%， 表明焊縫區高的應變硬化速率， 然而這一過程是短暫的。 進入第 Ⅲ 階段時， 焊縫區的應變硬化能力因快速變形而不斷減弱， 直到不足以應對持續增大的流動應力時， 應變開始快速下降。 這主要與內部位錯結構的演變有關， 在高應變速率下， 焊縫內部位錯纏繞程度加劇， 迅速形成了位錯墻及位錯胞等穩定結構， 限制了位錯的滑移[10-12]。 因此， 流動應力開始向熱影響區轉移， 使得應變也顯著增加， 以此分擔持續增加的流動應力。 隨著變形的繼續， 位錯開始在M/A島附近積累， 這種脆硬性結構不能通過自身的塑性變形來釋放流動應力， 最后在位錯的過度塞積處產生應力集中而破裂 （階段Ⅳ）[14-15]。 通過以上分析可知， X70 管線鋼管焊接接頭在變形過程中， 應變更容易集中在焊縫區和熱影響區， 而母材區變形量較小， 也較為安全。 焊縫區雖然應變響應更大， 因具有致密的組織結構， 可以有效防止微裂紋的形成。 熱影響區粗大的組織結構不僅不利于變形的協調， 其中分布的M/A 島更易成為微裂紋的萌生源， 在實際應用中， 應作為主要的防護區域。

圖6 焊縫區、熱影響區和母材區在拉應力作用下的應變分布曲線

3 結 論

（1） X70 螺旋埋弧焊管焊接接頭顯微組織中，母材區由多邊形鐵素體和粒狀貝氏體組成， 焊縫區由針狀貝氏體和針狀鐵素體組成， 熱影響區由粗大的塊狀鐵素體、 板條狀貝氏體以及島狀M/A組成。 其中， 焊縫區組織排列緊密， 晶粒彼此咬合， 互相交錯， 形成細小片條狀結構， 可以有效抵抗塑性變形。 相反， 由于熱影響區中島狀M/A存在， 容易引起內部位錯塞積， 從而形成微裂紋并失效。

（2） X70 螺旋埋弧焊管焊接接頭試樣比母材試樣具有更大的屈服強度和抗拉強度， 但是塑性變形容量較低， 頸縮后易發生快速斷裂而失效，且斷裂主要集中在熱影響區。

（3） 在拉應力的作用下， 母材區、 焊縫區和熱影響區具有不同的應變響應能力。 焊縫區具有較快的應變硬化速率， 位錯增值較大， 應變量遠遠大于其他區域。 隨著變形的持續， 焊縫區應變開始快速下降， 而熱影響區則緩慢增加， 承擔部分流動應力。 最終， 在熱影響區形成應力集中而斷裂。