合金元素对X80管线钢熔敷金属组织和性能的影响.pdf
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1、第 56 卷 第 11 期 2023 年 11 月 天津大学学报(自然科学与工程技术版)Journal of Tianjin University(Science and Technology)Vol.56 No.11Nov.2023 收稿日期:2022-07-20;修回日期:2022-09-08.作者简介:巴凌志(1994 ),男,博士研究生,.通信作者:邸新杰,.基金项目:国家自然科学基金资助项目(52074191).Supported by the National Natural Science Foundation of China(No.52074191).DOI:10.11784
2、/tdxbz202207028 合金元素对 X80 管线钢熔敷金属组织和性能的影响 巴凌志1,2,利成宁1,2,冯兆龙3,唐新新3,王泽龙3,邸新杰1,2(1.天津大学材料与科学工程学院,天津 300350;2.天津市现代连接技术重点实验室,天津 300350;3.成都先进金属材料产业技术研究院股份有限公司,成都 610303)摘 要:为了研究 Ni、Cr、Mo、Ti、V 元素对 X80 管线钢熔敷金属显微组织和力学性能的影响,设计了 5 种化学成分的实心焊丝,并用其对 X80 管线钢进行 MIG 焊焊接经过光学显微镜、电子扫描显微镜分析及力学性能试验,对熔敷金属的显微组织、力学性能进行了研究
3、结果表明:随着碳当量的增加,熔敷金属的拉伸性能不断提升;Ni 含量低于 1.0%时,随着 Ni 含量的增加,针状铁素体比例略增加,而先共析铁素体尺寸发生粗化;Ti、V 微合金元素含量的增加,可增加熔敷金属针状铁素体的长宽比,使 M-A 组元尺寸显著减小,从而屈服强度保持在612 MPa,20 下冲击吸收功可达 141 J;当 Cr、Mo 元素含量提高至 0.57%时,等轴铁素体被成排的贝氏体取代,且包含大量原奥氏体晶界,使得冲击韧性急剧恶化 关键词:X80 管线钢;熔敷金属;合金化;显微组织;性能 中图分类号:TG422.3 文献标志码:A 文章编号:0493-2137(2023)11-118
4、7-08 Effects of Alloying Elements on the Microstructure and Properties of X80 Pipeline Steel Deposited Metal Ba Lingzhi1,2,Li Chengning1,2,Feng Zhaolong3,Tang Xinxin3,Wang Zelong3,Di Xinjie1,2(1.School of Materials Science and Engineering,Tianjin University,Tianjin 300350,China;2.Tianjin Key Laborat
5、ory of Advanced Joining Technology,Tianjin 300350,China;3.Chengdu Advanced Metal Materials Industrial Technology Institute Co.,Ltd.,Chengdu 610303,China)Abstract:To study the effects of the Ni,Cr,Mo,Ti,and V elements on the microstructure and mechanical prop-erties of the deposited metal of X80 pipe
6、line steel,solid welding wires with five chemical compositions were de-signed and used for the MIG welding of X80 pipeline steel.The microstructure and mechanical properties of the de-posited metal were studied using an optical microscope,scanning electron microscope analysis,and mechanical property
7、 test.The results showed that the tensile properties of the deposited metal can be continuously improved withthe increase in the carbon equivalent.When the Ni content was lower than 1.0%,with the increase in the Ni content,the acicular ferrite proportion slightly increased,whereas the size of the pr
8、oeutectoid ferrite was coarsened.The in-crease in the contents of the Ti and V microalloying elements increased the aspect ratio of the deposited metal acicular ferrite,which can significantly reduce the size of the martensite-austenite(M-A)component.Thus,the yield strength could remain at 612 MPa,a
9、nd the impact absorption energy at-20 reached 141 J.When the content of the Cr and Mo elements increased to 0.57%,the equiaxed ferrite was replaced by rows of bainite and had a large number of prior austenite grain boundaries,which made the impact toughness deteriorate sharply.Keywords:X80 pipeline
10、steel;deposited metal;alloying;microstructure;property 随着人类对能源需求的日益增加,油气管线尤其是天然气管线发展迅速 目前油气输送管线用钢广 1188 天津大学学报(自然科学与工程技术版)第 56 卷 第 11 期 泛使用 X80 钢,例如 X80 管线钢在中国西气东输二线段、中俄东线等干线工程中已得到成功应用1 管线服役期间安全性很大一部分是由焊接接头的质量决定的,其中焊缝金属的强韧性是决定焊接接头质量的重要因素 一些欧美企业率先开发了 Ti-B 微合金化焊丝,一些日本企业还开发了较好耐蚀性能的 Ni、Cu、Mo 系焊接材料,国内大型钢
11、厂也后续研制出 C-Mn-Mo-Ti-B 系(H08C 焊丝)和 C-Mn-Ni-Ti-B 系微合金焊丝,这些焊丝已经被广泛应用于管线、桥梁中2.然而,该合金系应用于 X80 钢强度略有不足,难以适应管线钢合金系不断多样化的需求,且难以应用到目前全自动化焊接过程中 本文以 C-Mn-Ni 合金系为基础,在 1.0%以下调节 Ni 含量,寻求熔敷金属最佳组织性能,并在保证强度的前提下适当降低 Cr、Mo含量,降低生产成本,利用 Ti、V 微合金化提升熔敷金属的冲击韧性,进而探讨不同合金元素焊丝对 X80管线钢的焊接适应性 1 实验方法 本文设计了 5 种直径 1.0mm 的实心焊丝,其熔敷金属化
12、学成分如表 1 所示,其中 T1、T2 碳当量水平较低,在 0.5%Ni 和低 Cr、Mo 含量的基础上改变了 Ti、V 的含量,而 T3、T4、T5 碳当量较高,在高Cr、Mo 含量的基础上,调节 Ni 含量,分别为 0.50%、0.70%、0.94%试验材料母材为攀钢集团公司生产的X80 管线钢,并将其加工成 300mm130mm20mm 的试板,开 45V 型坡口,如图 1 所示 采用配备行走机构的 Miller XMT350 全自动焊机进行熔敷焊接 焊前清理坡口及其边缘内外表面的铁锈、油污等杂质,保护气体为 80%Ar20%CO2,气体流量为19L/min,焊接电参数为 200A、25
13、V,行走速度为40cm/min,层间温度为(13010)表 1 熔敷金属的化学成分 Tab.1 Chemical compositions of the deposited metal%编号 wC wSi wMn wNi w(CrMo)w(TiV)wP wS wC,eq T1 0.044 0.38 1.34 0.51 0.29 0.018 0.008 0.002 0.35 T2 0.039 0.52 1.28 0.50 0.32 0.036 0.007 0.002 0.37 T3 0.048 0.49 1.39 0.50 0.57 0.047 0.007 0.004 0.44 T4 0.048
14、 0.48 1.43 0.70 0.57 0.042 0.007 0.004 0.46 T5 0.045 0.48 1.37 0.94 0.57 0.044 0.006 0.004 0.46 参照 AWS A5.17/5.17M 分别对熔敷金属进行取样(图 1)拉伸试样为平行段长 50mm、直径 10mm的圆棒,按照 GB 265189 采用 MTS Landmark 型万能试验机进行室温拉伸试验冲击试样尺寸为10mm10mm55mm,按照GB 265089 在-20下采用 ZBC2752-ED 型摆锤冲击试验机进行冲击试验,在-20下测量 3 个试件取平均值,采用 ZEISS SM-Art
15、zoom5 超景深显微镜对冲击断口的形貌进行观察 取焊缝整个截面制备金相试样,用体积分数为4%的硝酸酒精溶液腐蚀 使用 HVA-10A 型显微维 图 1 焊接试验冲击和拉伸试件取样位置示意(单位:mm)Fig.1 Weld test assembly showing the location of impactand tensile specimens(unit:mm)氏硬度仪对金相试样不同组织位置进行硬度测试,加载 500g 保持 10s 采用配备有 EDAX Genesis 能谱仪的 JEOL-7800 热场发射电子扫描电镜对试验样品的显微组织进行观察,并用电子背散射衍射(EBSD)分析晶
16、体学取向和晶界角度分布 2 试验结果和讨论 2.1 碳当量对熔敷金属组织性能的影响 T1T5 试样的碳当量依次递增,碳当量的计算采用的是国际焊接学会推荐的计算式 表 2 给出了 5种熔敷金属冲击韧性、硬度值和拉伸性能等力学性能 T1 和 T2 的碳当量属于较低的水平,T3T5 属于较高的水平,碳当量从 0.37%增加至 0.44%时,拉伸性能发生明显的提升 屈服强度和碳当量的关系如图 2 所示 可以看出,随着碳当量的增加,熔敷金属的屈服强度不断增加,焊缝区域的硬度值也随之上升,尤其是等轴晶区的硬度值,从 T2 的 183HV 升至T3 的 217HV,如表 2 所示 然而,冲击吸收功和伸长率随
17、碳当量的变化趋势恰恰相反,当碳当量增加至 2023 年 11 月 巴凌志等:合金元素对 X80 管线钢熔敷金属组织和性能的影响 1189 0.44%时,冲击韧性发生急剧恶化,-20下的冲击吸收功由 141J 急剧降至 67J 表 2 熔敷金属的力学性能 Tab.2 Mechanical properties of the deposited metal 硬度(HV)拉伸性能 编 号 冲击吸 收功/J 柱状 晶区 等轴 晶区 屈服强度/MPa 抗拉强 度/MPa 伸长 率/%T1 12416 2138 1745 617 684 23 T2 14121 2229 1835 612 673 25 T
18、3 6713 2365 2179 636 723 17 T4 408 2487 2306 647 745 13 T5 661 24910 2234 659 738 15 图 2 屈服强度和碳当量的关系 Fig.2 Relationship between the yield strength and car-bon equivalent 对比低碳当量值的 T2 试样和较高碳当量值的T4 试样的 SEM 微观组织,如图 3 所示,可以发现两者都含有大量针状铁素体(AF)除此之外,T2 还包含先共析铁素体(PF)和上贝氏体(UB)组织,而 T5中 PF 和 UB 含量急剧降低,Ni 元素的增加,扩
19、大了奥氏体区域,阻碍了碳原子的扩散,从而使 UB 中的 (a)T2 (b)T4 (c)T2 放大图 (d)T4 放大图 图 3 不同碳当量的熔敷金属的 SEM显微组织形貌 Fig.3 SEM microstructure of the deposited metals withvarious carbon equivalents 第相急剧粗化,几乎全部被长条状的低碳贝氏体(BF)所取代 由以上组织和性能可知,为了弥补较低碳含量带来的强度损失,可以添加其他合金元素 然而,熔敷金属即使控制碳含量处于较低水平(0.05%以下),若添加合金元素过多,使碳当量超过 0.44%,熔敷金属组织仍会硬化,降低
20、伸长率,严重恶化冲击韧性 2.2 Ni元素对熔敷金属组织性能的影响 对 3 种不同 Ni 含量(0.50%、0.70%、0.94%)的盖面层熔敷金属进行 SEM 观察,如图 4 所示 T3、T4、T5 熔敷金属均由 PF、长条状的贝氏体和 AF 组成 在焊后的自然冷却过程中,大小不一、呈长条状的 PF 沿原奥氏体晶界率先析出,随后细小相互交错的 AF 在原奥氏体内部以微小夹杂物为形核质点形成,此时焊缝中富余的碳原子会残留在 PF-AF 交界处或 AF 交叉处,以 M 或马-奥组元(M-A)的形式存在 采用图像处理软件 Image Pro Plus 测量盖面层熔敷金属的 AF 尺寸和含量可得,A
21、F 宽度为 2m,长宽比约为 41,含量均在 83%89%之间,随着 Ni含量的增加略有增加 由于 Ni 元素是强奥氏体稳定化元素,在一定程度上降低 Ar1转变温度,增加过冷奥氏体的稳定性,使 CCT 曲线右移3,从而促进了AF 含量增加 此外,从图4中还可以发现,随着 Ni 含量的增加,AF尺寸变得更加细小,交错程度更大4-5,而 PF 的尺寸发生粗化,柱状排列的不规则铁素体块被向晶粒内部伸展的羽毛状铁素体所取代,并且羽毛缝隙间还有条状 M-A 形成 对 T3、T4、T5 熔敷金属试样进行 EBSD 测试,测试结果如图 5 所示 通过对比 3 种 Ni 含量熔敷金属的反极图发现,PF 和 A
22、F 之间具有不同的晶体学取向,长条方向平行的 AF 具有相似晶体学取向,长条方向相互垂直的 AF 则不同 在晶界图中,可以看出,PF 晶体内部主要为小角度晶界,取向差均小于5,PF 基体和第 2 相之间的晶界角度取向差也属于小角度晶界,约为 10 AF 之间都是大角度晶界,取向差在 5060之间 这与 Lee 等6在低合金高强钢中的研究结果类似,即大部分 AF 具有 50以上的大角度晶界,PF 包含晶界角度取向差低于 15的第 2相 统计晶界角度取向差可得,Ni 含量小于 0.94%时,三者的大角度晶界(15)所占比例均在 30%左右,25的晶界所占比例约为 6%,但 1600m2面积内的晶界
23、总长度有所差异,T3、T4、T5 分别为4.59 mm、3.54 mm、4.32 mm 综上,可以发现在该合金体系下,Ni 含量低于 1.0%时,增加并不会 1190 天津大学学报(自然科学与工程技术版)第 56 卷 第 11 期 (a)T3 (b)T4 (c)T5 (d)T3 放大图 (e)T4 放大图 (f)T5 放大图 图 4 不同 Ni 含量熔敷金属的 SEM显微组织形貌 Fig.4 SEM microstructure of the deposited metals with various Ni contents (a)T3 反极图 (b)T4 反极图 (c)T5 反极图 (d)T
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