X100 鋼級埋弧焊管焊縫局部拉伸強度和延性研究

0 前 言

熱影響區（HAZ） 的熱循環會降低鋼管的性能。 因為熱影響區可能會發生脆化或軟化， 所以通常被認為是焊接接頭的關鍵區域。 單道焊縫的熱影響區可分為粗晶熱影響區 （CGHAZ）、 細晶熱影響區 （FGHAZ）、 臨界熱影響區 （ICHAZ）和亞臨界熱影響區 （SCHAZ）。 單道焊不能滿足大壁厚鋼管的焊接， 需要采用多道焊。 多道焊會導致焊道HAZ 的再加熱， 從而通過二次熱循環改變前次焊道HAZ 的組織。

基于應變設計的管線鋼管， 通過大變形能力來防止管道破裂。 研究表明， 有效利用馬氏體-奧氏體 （M-A） 可以被認為是開發高性能材料的有效方法。 較高比例的M-A 會提高抗拉強度。 但是， M-A 會惡化X80 鋼管的熔化極氣體保護焊 （GMAW） 接頭熱影響區的延性。 另外， 焊接接頭試樣潛在的回火循環通過將有害的M-A 分解， 使拉伸斷裂位置從熱影響區移至母材， 從而導致強度和延性大幅提高。 延性的初期降低歸因于M-A /鐵素體界面處的孔洞形成。 較高比例的M-A 會提高應變硬化能力與焊縫強度。

上述研究主要考慮了拉伸試驗期間的整體延性。 但是， 在拉伸變形過程中， 局部出現變形， 并且在斷裂位置發生了明顯的局部應變。局部應變分布與整體應變有很大的不同。 為了研究X100 鋼級的管道在焊接過程中第2 焊道與前兩道焊道重疊區試樣的局部和整體延性的差異。 通過對比橫向焊縫試樣， 分析了其斷裂行為及M-A 對局部拉伸性能的影響。 M-A 對強度、 延性和加工硬化的影響是研究的關鍵，并且結合了顯微組織表征、 硬度試驗、 拉伸試驗中的應變分布圖， 分析焊后及再加熱后熱影響區的性能。

1 試驗材料和過程

本研究采用X100 鋼級Φ914 mm×19 mm 雙面埋弧焊焊管。 埋弧焊的典型熱量輸入為1.8～2.8 kJ/mm。 使用電感耦合等離子體發射光譜法分析了X100 鋼管的母材化學成分， 結果見表1。試樣經拋光后使用2%的硝酸酒精溶液浸蝕以觀察母材和HAZ 的顯微組織， 經LePera 浸蝕劑浸蝕后觀察M-A 組織。 使用Olympus BX51 顯微鏡觀察顯微組織， 使用Zeiss LEO 掃描電子顯微鏡 （SEM） 表征M-A 內部組織的細節， 并使用Photoshop 6 對M-A 面積分數進行定量分析。 試樣顯微組織和晶粒尺寸的測量方法如圖1 所示。圖1 （b） 中產生的圖像用于計算M-A 的面積分數和平均尺寸 （如圖1 （c） 所示測量長度和寬度平均值）。 采用截線法計算M-A 的間距。 對母材、 焊道2 熱影響區和焊道重疊區熱影響區進行XRD 分析， 以研究每個位置的相分數。 通過使用精密切割機切成小段來隔開這兩個區域， 并使用面積分數測量結果進行確認。 使用JEOL 9500F 系統進行包括俄歇電子能譜 （AES） 在內的SEM 分析， 以繪制M-A 中的碳分布和斷裂表面上的顆粒分布圖。 采用波長色散光譜法（WDS） 測量M-A 的碳含量。 維氏顯微硬度測試載荷為300 g， 停留時間為15 s， 以得到整個焊縫區域的硬度分布圖， 得出5 次試驗的平均硬度值。 對單個M-A 區域進行2 000 μN 載荷的納米壓痕硬度試驗， 隨后拍攝每個壓痕的SEM 圖像，以確認和識別每個特定位置的M-A。

從焊道2 以及埋弧焊縫壁厚中部附近的焊道重疊區域取樣， 共加工6 個橫向焊縫拉伸試樣（每組3 個）。 焊道2 代表單熱循環HAZ 區域， 而重疊區試樣包含了焊道1 和焊道2 的再加熱區域以及單熱循環HAZ 區域。 拉伸試樣為小尺寸板狀試樣， 取自鋼管周向， 試樣總長度87 mm、 標距長度25 mm、 標距寬度6 mm、厚度1 mm。 X100 鋼級埋弧焊管焊縫宏觀形貌如圖2 所示。 焊縫的宏觀照片如圖2 （a） 所示， 圖2 （b） 中給出了單熱循環和重疊熱循環的HAZ 區域的示意圖及拉伸試樣在焊縫中的位置。 在室溫下進行拉伸試驗， 使用DIC 系統監控應變。 為了研究拉伸試樣的斷裂面和未斷裂面的應變行為， 在焊道2 和重疊區試樣上進行中斷拉伸試驗。 在試樣上仔細標記HAZ區域， 并監控每個區域的應變。 進行X 射線斷層掃描以確定孔洞位置并觀察孔洞聚合， 最小分辨率為2.3 μm。

2 試驗結果

2.1 顯微組織

3.3.1 孔洞成核

在這一大背景下，國家及時出臺了一系列治水興水政策。從2011年中央發布1號文件到黨的十八大會議將生態文明建設放到突出位置以來，一系列文件明確提出要將水生態保護擺在社會經濟發展全局中更加重要的地位。作為生態文明建設的重要一環，加快、加強水生態文明建設的重要性不言而喻。

2.2 硬度分布

整個壁厚測得的的母材硬度平均為247HV

±12.5HV

。 焊道1、 焊道2 和焊道重疊的熱影響區和焊縫區域的硬度分布如圖3 所示。焊道2 的焊縫硬度低于焊道1 或重疊的熱影響區。圖4 所示為焊道2 和焊道重疊的熱影響區距熔合線不同距離的顯微組織。 從圖4 可以看出， 焊道重疊的熱影響區的顯微組織比焊道2 更細小。

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對于局部應變， 母材、 焊道2 試樣及重疊區試樣在斷裂位置的局部應變分別為45%、 35%及33%。 盡管重疊區HAZ 整體應變較高， 但其FGHAZ 在斷裂位置的實際應變小于焊道2 的FGHAZ。 但是， 重疊區FGHAZ 中整體應變較高的原因與焊縫另一側 （未斷裂） 的應變增加有關， 重疊區未斷裂側FGHAZ 的應變值始終比焊道2 的FGHAZ 高1.7%， 最大為4.0%。

2.3 M-A 的納米壓痕

母材中M-A 的硬度值為4.90 GPa±1.04 GPa。與熔合線相距1.30 mm 時， 重疊區FGHAZ 的M-A的硬度為5.83 GPa±1.16 GPa， 而焊道2 的HAZ 的FGHAZ 的M-A 的硬度為7.17 GPa±1.07 GPa。 在距熔合線1.30 mm 處， 焊道2 的FGHAZ 中M-A比重疊區FGHAZ 中的M-A 硬度高， 表明后者的含碳量較低。 使用WDS 確定距離熔合線1.30 mm處M-A 中碳含量， 結果表明， 焊道2 的FGHAZ中M-A 的w（C）=0.099%～0.181%， 重疊區FGHAZ 中M-A 的w（C）=0.073%～0.083%。 焊道2 的FGHAZ 中的鐵素體w（C）=0.07%， 重疊區FGHAZ 鐵素體的含碳量相同。

2.4 拉伸試驗

母材的屈服強度為776 MPa±2.5 MPa， 焊道2 的HAZ 試樣抗拉強度和屈服強度分別為665 MPa±6.5 MPa 和653 MPa±4 MPa， 焊道重疊區HAZ 試樣的抗拉強度和屈服強度分別為712 MPa±5 MPa 和683 MPa±8.5 MPa。 母材的平均延伸率為10.0%±1.1%； 焊道2 HAZ 和焊道重疊區HAZ 試樣的延伸率分別為4.8%±0.5%和5.7%±0.2%。

各主要變量的描述性統計結果見表2。由表2可知，被調查農戶參保意愿的均值為3.33，農戶對種植業保險保費補貼政策認知度的均值為2.21，鄰里是否參保的均值為0.44，農戶對種植業保險重要性評價的均值為3.07。由此可見，被調查農戶的參保意愿低下，對保費補貼政策的認知度不足，鄰里參保較少，并且種植業保險的重要性沒有得到農戶的高度認可。

焊道重疊區及焊道2 的HAZ 的拉伸試驗結果如圖7 所示。 由圖7 （a） 可以發現， 母材的抗拉強度和屈服強度最高， 而焊道2 和重疊區試樣的抗拉強度和屈服強度則較低。 此外， 重疊區試樣的強度和延伸率高于焊道2 試樣。 重疊區試樣具有更均勻的應變硬化行為， 而焊道2 可忽略不計。 拉伸試驗的應變-時間圖表明， 重疊區試樣比單個熱循環 （焊道2） 試樣的應變要晚， 如圖7 （b） 所示。 應注意的是， 整體應變還將取決于軟化的HAZ 區域的性能和寬度與拉伸試樣的標距之間的關系， 但是與更長標距的試樣相比， 圖7 中的兩個試樣的HAZ 寬度接近。 所有的斷裂都發生在熱影響區位置， 且均為剪切斷裂。

FGHAZ 的顯微組織如圖6 所示。 經LePera浸蝕劑浸蝕后， 距熔合線1.30 mm 處FGHAZ 的SEM 圖像如圖6 （a） 和圖6 （b） 所示。 在焊道2的FGHAZ 此距離處觀察到大量白色未回火M-A組織。 而重疊區域FGHAZ 中相同距離處的白色組織的數量則較少。 重疊區HAZ 的FGHAZ 的SEM 結果表明， 某些M-A 分布均勻且是微米級的， 如圖6 （c） 所示， 有些M-A 稍大一些， 并且組織中包含碳化物， 表明這些M-A 區域是自回火的， 如圖6 （d） 所示。 截線法測量結果顯示， 焊道2 的FGHAZ 區域中的M-A 之間的間距為5.11 μm±0.7 μm， 高于重疊區HAZ 的FGHAZ中的間距， 為4.27 μm±0.57 μm。 此外， 與重疊區HAZ 的FGHAZ 中的間距 （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疊區中的FGHAZ。

對大型植物的監測，在植被繁茂季節對溝道每1km布設1個調查點，如遇到生態條件突變則加測一點，共布設調查點9個。每個點根據實地特點設置 1～2個 5 m×5 m的喬灌樣方，2～3 個 1 m×1 m 草本樣方，0～2個1 m×1 m水生植物樣方。調查植物種類與數量。

焊道2 的HAZ 硬度低于重疊區HAZ （圖3）， 這可以通過晶粒尺寸、 M-A 分數和分布的差異來解釋。 由圖5 可見， 焊道2 的HAZ鐵素體晶粒明顯比重疊區中的鐵素體晶粒粗大， 這導致前者硬度較低。 另外， 焊道2 的FGHAZ 中的M-A 分數較低， 且M-A 的間距大于重疊區FGHAZ。 而納米壓痕結果表明， 焊道2 的FGHAZ 的M-A 硬度高于重疊區FGHAZ 的M-A 硬度。 以上分析表明， 晶粒尺寸和M-A 的離散分布對重疊區的FGHAZ 的硬度有更大的影響。

3 分析與討論

3.1 顯微組織和硬度的差異

焊道2 的FGHAZ 承受了18.5%的應變， 在該應變下可能會發生斷裂， 而整體應變為3.2%。但是， 未斷裂側的FGHAZ 僅承受2.5%的應變。相反， 重疊區FGHAZ 斷裂位置在承受4.6%的整體應變時仍承受16.7%的局部應變， 而其他重疊區FGHAZ 則承受8.5%的局部應變。

3.2 強度和加工硬化

當前我國研究生培養已經進入了一個新的階段,研究生教育是“人才強國”戰略的重要組成部分,為“科教興國”提供人才支撐,關系著強國興邦;研究生科研能力和學術水平的提升,直接關系到以創新思維和創新能力為中心的科技實力的競爭[1]。對影響研究生培養質量的因素進行分析,闡明各因素的作用機理,對于科學地進行研究生培養管理有著重要意義。

從重疊區HAZ 獲得的試樣比焊道2 獲得的試樣具有更高的整體屈服強度和抗拉強度。 除了硬度以外， 增加的位錯相互作用可能有助于提高強度。 由圖5 可見， 與重疊區FGHAZ 相比， 焊道2 FGHAZ 中的M-A 數量更少。 有研究表明， 高密度塑性應變發生在拉長的塊狀M-A 周圍的軟相中，這可能是由于位錯密度較高所致。 也有研究表明，M-A 可能成為位錯運動的障礙。 重疊區FGHAZ 中M-A 的分布更均勻， 可能會阻礙位錯運動， 從而提高了該區域的強度。 由于焊道2 的FGHAZ 中M-A 的間距較大， 因此位錯運動更容易。

除硬度外， 應變硬化的增加可能有助于提高重疊區HAZ 的強度。 根據圖6 （d） 可知， 重疊區的FGHAZ 中的M-A 已回火， 并且含有碳化物。 重疊區FGHAZ 中的碳化物可能與位錯相互作用并增強應變硬化， 從而提高強度。 電子背散射衍射 （EBSD） 分析結果發現X80 鋼級焊管焊縫的熱影響區M-A 組織的含量較高， 且具有更多的回火M-A 組織， 其應變硬化能力更強， 從而導致更高的抗拉強度。 在當前的研究中， 可以觀察到重疊的試樣表現出應變硬化， 而焊道2 試樣沒有表現出這樣的行為。 這可能是由于重疊區試樣的FGHAZ 中的M-A 和回火M-A 含量較高所致。

由于孔洞的萌生， M-A 的尺寸也會影響強度。 據報道， 粗顆粒先于小顆粒萌生孔洞， 并且公認孔洞的過早形成會顯著影響拉伸強度。 可以發現， 焊道2 FGHAZ 中M-A 的平均尺寸大于重疊區的FGHAZ 中M-A 的平均尺寸。 另外， 在焊道2 FGHAZ 中， 斷裂位置處M-A 的最大尺寸大于重疊區的FGHAZ。 這意味著在焊道2 的FGHAZ 中更容易形成孔洞， 應變硬化能力較弱，從而導致強度降低。

西安地鐵2號線南稍門站已于2011年9月開通運營，該車站為標準的地下二層、站臺寬10 m的島式車站，未預留換乘接口。根據《西安市城市快速軌道交通建設規劃》(2012—2018)，已將2號線與5號線的換乘節點調整至南稍門站。

3.3 拉伸試驗中的斷裂機理

母材的顯微組織包含鐵素體相和二次M-A相。 母材中M-A 的占比為7.6%， 其余基體為鐵素體。 從高放大倍數SEM 圖像可觀察到母材中M-A 內部結構的變化。 焊道1 的最大HAZ 寬度為3.83～4.00 mm， 而焊道2 的HAZ 寬度為3.02～4.03 mm， 這表明兩個焊道的熱輸入相差不大。 而對于重疊的再加熱區域， HAZ 寬度為3.60 mm。同時， 焊縫的顯微組織由針狀鐵素體組成。

放療中心病人黑壓壓的一片，卻安靜得鴉雀無聲，大家都安靜地等待著。英和丈夫緊挨著坐在等候區，兩個老人并沒有過多的話。大概等了四五個小時，快到晌午了，終于輪到了英。丈夫陪英一起走進放療室，呈現在他們眼前的是一個白色橢圓形龐然大物，室內封閉而安靜。在醫生的吩咐下，丈夫攙扶著英緩慢地登了兩個臺階，踏上龐然大物，好不容易才躺臥下來。丈夫給英解開褲子的紐扣，慢慢地給她褪去褲子。英的下半身赤裸裸地暴露在丈夫的眼前，她感覺很羞愧。

圖5 所示為距熔合線1.25 mm、 1.50 mm 和1.75 mm 的SEM 圖像。 在這些位置， 焊道2 的FGHAZ 和重疊HAZ 的FGHAZ 的顯微組織由鐵素體和M-A 的組合組成。 焊道2 的FGHAZ 所有三個位置的M-A 平均面積分數為4.93%±0.73%， 而重疊的熱影響區距熔合線1.25～1.75 mm處的M-A 面積分數為5.57%±0.41%。

由光學顯微鏡觀察到， 在母材、 焊道2 和重疊試樣中靠近拉伸斷裂表面的地方有大量孔洞。SEM 分析也證實拉伸試驗后在斷裂表面附近存在孔洞。 基于三個SEM 圖像計算出孔洞的面積分數， 其中母材、 焊道2 FGHAZ 和重疊區FGHAZ靠近斷裂位置孔洞的面積分數分別為0.3%±0.3%、1.7%±0.2%和2.1%±1.0%， 其孔洞密度分別為0.001/μm

、 0.004/μm

和0.005/μm

。 母材、 焊道2 FGHAZ 和重疊區FGHAZ 中靠近斷裂表面的孔洞面積分數與孔洞尺寸分布的關系如圖8 所示。 從圖8 可以觀察到， 焊道2 的母材FGHAZ 和重疊的FGHAZ 都包含明顯的小（＜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。 與重疊的FGHAZ 相比， 焊道2 的FGHAZ 中的中等孔洞和較大孔洞占比更低。91%的孔洞源于M-A /鐵素體界面。

斷口掃描顯示， 所有試樣均有韌窩， 為延性斷裂。 但是， 焊道2 的FGHAZ 和重疊區FGHAZ斷裂面包含大量的大尺寸孔洞， 如圖9 所示。 還觀察到一些孔洞包含顆粒， 可能是夾雜物。 AES分析表明， 母材中顆粒表面富含碳、 硫和錳。 在斷裂表面上觀察到的顆粒上的碳含量遠高于WDS 測得的M-A 區域的碳含量。

3.3.2 孔洞形成和孔洞聚合

為了研究X100 鋼級焊管母材的孔洞形成和聚合的作用， 使用DIC 應變測量系統對拉伸試驗進行了監測。 對整體應變為8%、 5%、 3%和1%的母材進行了中斷拉伸試驗， 對應變為8%和5%試樣斷裂位置區域進行X 射線斷層掃描。 發現潛在的斷裂位置存在孔洞的聚集， 并且孔洞在聚集區聚合， 盡管還有一些分散的孔洞遠離局部聚集區。 通過X 射線斷層掃描， 共識別出535 個孔洞， 孔洞的總體積分數為0.015%， 單個體積為11.93～52 189.3 μm

。

3.4 與孔洞形成有關的整體延性和局部延性的關系

從圖7 可以看出， 重疊區試樣具有比焊道2 試樣更高的整體延性， 并且都斷裂在FGHAZ。 重疊區FGHAZ 的M-A 的硬度低于焊道2 的FGHAZ。 WDS 分析表明， 重疊區的FGHAZ中的M-A 和鐵素體的碳含量差異不大。 但是，在焊道2 的FGHAZ 中， M-A 和鐵素體的碳含量差異較大， 這在納米壓痕結果中也很明顯。焊道2 的FGHAZ 中未回火M-A 與鐵素體之間的硬度差大于重疊區的FGHAZ。 WDS 和納米壓痕結果表明， 重疊區FGHAZ 的性能與母材更加相似。

相反， 焊道2 HAZ 的應變更局部化。 重疊區的FGHAZ 中的M-A 性能接近其周圍的基體，這可能會導致在拉伸試驗過程中在整個顯微組織上均勻地變形。 但是， 焊道2 的FGHAZ 中的M-A 和鐵素體基體差異較大， 更軟的鐵素體基體比較硬的M-A 更容易變形， 從而使焊道2 熱影響區的應變容易局部化。

可以發現， 重疊區FGHAZ 比焊道2 的FGHAZ 包含更多的孔洞。 在本研究中， 觀察到重疊區試樣的FGHAZ 包含更多的M-A， 從而產生更多的孔洞。 另外， 重疊區FGHAZ 中的孔洞尺寸要比焊道2 的FGHAZ 中的孔洞大。 這表明，重疊區試樣的FGHAZ 中的孔洞形成和孔洞聚合更容易。 盡管重疊區試樣的整體延伸率高于焊道2 試樣， 但在拉伸試驗過程中， M-A 區域越多形成的孔洞越多， 這將導致重疊區試樣的局部延性降低。

4 結 論

（1） 相比埋弧焊第2 道焊道， 焊道重疊區的熱影響區表現出更高的屈服強度、 抗拉強度、 硬度、 應變硬化和整體延性。

（2） 焊道2 和焊道重疊區熱影響區的斷裂均發生在FGHAZ 處。 重疊區FGHAZ 中較高的M-A分數和較小顆粒間距促進了彌散強化， 從而使該區域的強度更高。

（3） 盡管焊道重疊區試樣的FGHAZ 表現出比焊道2 FGHAZ 高的整體應變， 但焊道重疊區試樣的FGHAZ 表現出比焊道2 FGHAZ 更低的局部應變。 前者更高的M-A 分數導致更大且更密的孔洞形成， 從而導致局部延性降低。