国外焊管

Nb微合金化对环焊焊接接头热影响区显微组织的影响

孙 宏,郑青昊,宗秋丽 编译

(渤海装备华油钢管有限公司,河北 青县062658)

摘 要: 为了研究Nb的微合金化(w(Nb)=0.07%~0.10%)对大直径X80管线钢管环焊缝焊接接头热影响区(HAZ)显微组织及性能的影响,通过EBSD、显微硬度和夏比冲击试验分析了两种X80管线钢管环焊缝HAZ显微组织变化、显微硬度分布及韧脆转变特性。通过对比发现,Nb含量严重影响HAZ的贝氏体板条束和贝氏晶粒尺寸,具有较高Nb含量(w(Nb)=0.10%)的组织晶粒尺寸更加细小。研究结果表明,高的Nb含量显著改善了管线钢焊接接头HAZ的冲击韧性和硬度性能。

关键词: 环焊缝;热影响区;冶金;显微组织;力学性能;沉淀相

高强度、高韧性、优良焊接性及社会经济发展的需求,使得管线钢在过去几十年间得到了长足发展。其中,高强度低合金钢以其承载大、结构自重轻、节约材料资源等优点,被广泛应用于大型钢结构工程,例如桥梁、船舶、车辆、高压容器、油气输送管道等。由于Nb对于形成碳化物和氮化物沉淀具有特殊的热力学和动力学作用,其在现代高强度低合金钢的发展中发挥了关键作用。因为不同钢的化学成分和焊接参数决定了相变机制的多样性,Nb对环焊缝热影响区(HAZ)的显微组织和性能的影响是一个非常复杂的问题。主要有以下几点需要特别注意。

(1) 未溶解的沉淀相(典型的复杂 (Ti, Nb)、(C,N))对奥氏体晶粒尺寸有显著影响。

另一方面,奥氏体晶粒尺寸会影响钢的淬透性,因此,需要通过细化组织束的尺寸而最终改善韧性。

(2)固溶体中的Nb会通过降低奥氏体的转变温度而直接影响钢的淬透性。

(3)Nb的碳氮化物可能会从铁素体中析出,从而对钢的强度和韧性产生影响。

虽然Nb对高韧性高强度管线钢的发展至关重要,但是也有文献报道其可能对于焊接接头热影响区有不利影响。出于这个原因,w(Nb)被限制在0.05%之内。然而,在过去的几年,已经开发并生产出了新一代高Nb管线钢(w(Nb)约为0.1%)用于高压长距离天然气输送管道,且通过了工艺评定,证明了高Nb的适用性。本研究重点探讨高Nb含量(w(Nb)=0.1%)对X80大直径管道热影响区的显微组织和力学性能的影响。

1 试验材料与方法

本研究采用的X80管线钢的化学成分见表1,其中,w(Nb)=0.07%~0.10%。 试样抛光后采用2%硝酸浸蚀,并采用通过光学显微镜(LM)观察显微组织。贝氏体组织板条束尺寸由定向成像显微分析法(OIM)确定。应用JEOL JEM 3200FS-HR扫描透射电子显微镜(TEM)对萃取复型沉淀相进行检查。沉淀相形态的形状系数可以通过公式(1)进行计算。

表1 采用的X80管线钢的化学成分

试中:A——颗粒面积;

P——颗粒周长。

通过计算得出沉淀颗粒尺寸小于300 nm。进行了全壁厚焊接接头拉伸试验及横向试样(缺口在熔合线)的夏比V形缺口冲击试验。通过夏比V形缺口冲击试验转变曲线得到了断口剪切面积转变温度(50%FATT)。

2 试验结果分析

2.1 母材的显微组织和沉淀相

钢管A和钢管B母材的显微组织如图1所示。两根钢管均为典型的X80钢的针状铁素体组织,钢管A的显微组织更粗大(板条束尺寸更大),能观察到典型的板材轧制的扁平特性。两种材料中的沉淀相主要为Nb/Ti的碳化物。

图1 两种钢管显微组织的EBSD照片

通过评估沉淀相的平均尺寸可以清楚地发现,钢管B的颗粒更为细小。钢管A中的沉淀相的平均尺寸为56.5 nm,而钢管B中的沉淀相的平均尺寸为16.0 nm,两种钢管沉淀相的形状系数分别为0.82和0.85。一般来说,对于Ti和Nb微合金化钢,根据沉淀析出顺序与温度的函数关系,能够预计出Nb的含量越高沉淀相颗粒更为细小,而Ti含量越高沉淀相颗粒更为粗大。这个特性出现在了钢管A的沉淀相成分分布中,如图2所示。但是,这个结论对于钢管B则不明显,无论其尺寸大小,沉淀相颗粒中的Nb含量总是更高。

图2 碳化物中Nb和Ti的含量(以金属亚晶格中原子百分数表示)与沉淀相尺寸的关系

2.2 热影响区的显微组织

两种X80管线钢管焊接接头显微组织形貌如图3所示。EBSD图像显示了两种钢管焊缝金属到母材显微组织的变化。显微组织由针状铁素体组成。结果表明,w(Nb)从0.07%提高到0.10%,减小了热影响区粗晶区(CGHAZ)的宽度(从275 μm降到125 μm)。此外,钢管B的CGHAZ的显微组织(更细小的贝氏体组织板条束尺寸)相比钢管A更细小。通过以下机理可以解释更高Nb含量的钢具有更细小的显微组织。首先,热影响区的奥氏体晶粒尺寸不受Nb含量的影响,这是因为这两种钢中的粗颗粒部分在焊接的加热阶段均没有完全溶解,通过在晶界施加有效的钉扎作用限制了奥氏体晶粒的长大。同时,一定比例的碳化物,尤其是那些更小尺寸的,则完全溶解。钢管B中固溶的Nb更多。这意味着,该材料在较低温度下沉淀相的量更大。虽然不能直接观察热影响区的沉淀相状态,但可以预计,在焊接的冷却阶段,更高的Nb含量也可以在这一区域产生大量的小尺寸沉淀相及富Nb颗粒,这与母材金属类似。

图3 两种X80管线钢管焊接接头显微组织的EBSD照片

2.3 力学性能

焊接接头拉伸试验的断裂位置远离焊缝区域,抗拉强度(UTS)结果相当满意,钢管A和钢管B分别为696 MPa和715 MPa。测量了热影响区距外表面1.5 mm(外径)、壁厚中心及距内表面1.5 mm(内径)的硬度值(HV 10 )。 硬度值与压痕距熔合线长度的相关关系以及相应的焊缝金属和母材金属的测量值范围如图4(a)所示。可以发现,两种钢的焊接接头的焊缝金属均为过匹配,并降低了热影响区软化,这与拉伸试验的结果一致。由于显微组织更粗大些,钢管A接头的热影响区硬度整体上略低于钢管B接头。夏比V形缺口冲击试验转变曲线如图4(b)所示。

图4 焊接接头的力学性能试验结果

钢管B接头的夏比V形缺口冲击试验结果很好,在-20℃下,断口几乎完全是韧性的,冲击功>200 J,而钢管A接头达到这样的近乎完全塑性行为的温度则为20℃。钢管B接头的CGHAZ的板条束尺寸更为细小,可以解释这种不同的行为。

3 结 论

(1)就母材而言,两种不同Nb含量的X80钢均为典型的针状铁素体组织,w(Nb)=0.07%时,钢的显微组织较为粗大。两种材料中的沉淀相主要为Nb/Ti的碳化物。

(2)焊接接头试验结果表明,虽然Nb含量的差异不大,但是已经能够影响热影响区的贝氏体束和贝氏体组织的大小,更高的Nb含量(w(Nb)=0.10%)的显微组织更细小(更细小的板条束尺寸)。这种对显微组织的影响反映在了对力学性能的影响方面,更高的Nb含量改善了热影响区的冲击韧性和硬度。

(3)对于本研究采用的两种管线钢,除了Nb含量的差异外,Mn和Mo等元素含量的差异也较大,本研究没有考虑其对管线钢显微组织和性能的影响。

Edited and Translated by SUN Hong,ZHENG Qinghao,ZONG Qiuli
(North China Petroleum Steel Pipe Company of CNPC Bohai Equipment Manufacturing Co.,Ltd.,Qingxian 062658,Hebei,China)

Abstract: For the influence of Nb microalloying(w(Nb)=0.07%~0.10%)on the microstructure and properties of the heat affected zone(HAZ)of large diameter X80 pipeline steel pipe girth welded joint,the microstructure change,microhardness distribution and ductile-brittle transition characteristics of ring weld HAZ of two X80 pipeline steel pipes were analyzed by EBSD,microhardness and Charpy impact test.The results show that the Nb content seriously affects the sizes of bainite lath and grain of welded joint HAZ,and the grain size of the microstructure with higher Nb content(w(Nb)=0.10%)was finer.The high Nb content significantly improves the properties of impact toughness and hardness of the pipeline steel welded joint HAZ.

Key words: girth welded joint;HAZ;metallurgy;microstructure;mechanical properties;precipitate phase

Effect of Nb Microalloying on the Heat Affected Zone Microstructure of Girth Welded Joints

DOI: 10.19291/j.cnki.1001-3938.2018.08.012

文献标识码: A

译自: SCHINO A D,PAOLO E,NUNZIO D.Effect of Nb microalloying on the heat affected zone microstructure of girth welded joints[J].Materials Letters,2017(186):86-89.

中图分类号: TG113.1

译者简介: 孙 宏(1974—),男,高级工程师,工程硕士,主要从事石油输送钢管材料与试验技术工作。

收稿日期: 2017-12-21

修改稿收稿日期: 2018-06-28

编辑:袁雪婷