董俊明，毛秋英，畢宗岳，黃曉輝

（1.西安交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710049；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721008）

0 前 言

石油和天然氣被認(rèn)為是最重要的能源，但是大部分的石油和天然氣儲(chǔ)存在極地、冰原、荒漠、海洋等環(huán)境惡劣的地區(qū)[1-2]。因此，用于運(yùn)輸石油和天然氣的焊管，其服役環(huán)境比較復(fù)雜，需要具有高強(qiáng)度、優(yōu)良低溫韌性、抗大變形能力和耐腐蝕性等綜合性能。X100和X80焊管母材通過微合金化、控軋控冷等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)韌性，但焊管焊縫出現(xiàn)韌性降低的現(xiàn)象[3]。因此，研究焊管韌性降低的原因?qū)?shí)際生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)所用X100和X80焊管由寶雞石油鋼管有限公司生產(chǎn)制造，X100和X80焊管焊縫的化學(xué)成分見表1。

表1 X100和X80焊管焊縫的化學(xué)成分 %

根據(jù)GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》，制備10 mm×10 mm×55 mm標(biāo)準(zhǔn)尺寸的試樣，垂直于焊接方向取焊縫沖擊試樣，在焊縫中心沿焊縫方向開V形缺口。試驗(yàn)設(shè)備為Ni750F型金屬材料沖擊試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)溫度分別為20℃，0℃，－10℃，－20℃，－40℃和－60℃，每個(gè)溫度做三個(gè)試樣。用S-3700N型掃描電鏡觀察斷口形貌，并利用其附帶的X射線能譜儀（EDS）進(jìn)行夾雜物成分分析。

參照GB/T 11261—2006《鋼鐵氧含量的測(cè)定脈沖加熱惰氣熔融－紅外線吸收法》、GB 20124—2006-T《鋼鐵氮含量的測(cè)定惰性氣體熔融熱導(dǎo)法（常規(guī)方法）》和GB/T 223.82—2007《鋼鐵中氫含量的測(cè)量》，在ONH－2000型分析儀上進(jìn)行氧、氮、氫聯(lián)合測(cè)定。每組測(cè)試2個(gè)試樣。

用于OM觀察的試樣經(jīng)磨制、拋光和2%硝酸酒精腐蝕后，用Feica DMI 5000M光鏡觀察。SEM試樣經(jīng)兩步電解腐蝕后，用S-3700N掃描電鏡觀察。TEM薄片試樣在雙噴減薄后，使用JEM-200CX透射電鏡觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 沖擊功和FATT50

X100和X80焊管焊縫沖擊功和FATT50試驗(yàn)結(jié)果如圖 1所示。 從圖1（a）和圖 1（b）可見，焊縫沖擊功隨溫度的降低顯著降低，而且沖擊功分散性較大。圖1（c）中，X100和X80焊管焊縫在試驗(yàn)溫度下的沖擊功平均值均在40～165 J范圍內(nèi)，與焊管母材的120～290 J相比顯著降低。從整體變化趨勢(shì)來看，X100焊管焊縫的沖擊韌性略優(yōu)于X80焊管焊縫。從圖1（d）和圖1（e）可知，X100和X80焊管焊縫的FATT50分別為－37℃和－18℃，二者的低溫韌性均較差。－60℃時(shí)，X100焊管焊縫的平均剪切面積率為28.3%，X80焊管焊縫的平均剪切面積率為27.7%，均為脆性斷裂。若在高寒地區(qū)服役，試驗(yàn)所用焊管則存在嚴(yán)重的安全隱患。

圖1 X100和X80焊管焊縫沖擊功和FATT50

2.2 氧、氮、氫含量

表2為X100和X80焊管中氧、氮、氫含量的測(cè)定結(jié)果。

表2 X100和X80焊管中氧、氮、氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

由表2可見，X100和X80焊管母材中氧、氮、氫含量均較低。X100焊管焊縫中O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為356.9 μg/g，是母材含量的30倍；X80焊管焊縫中O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為704.72 μg/g，是母材含量的49倍。X100和X80焊管焊縫中的氮含量也高于母材，但相差不大。母材和焊縫中的氫含量很低，出現(xiàn)未檢出的現(xiàn)象。盡管母材和焊絲的含氧量很低，但是焊縫的含氧量總是增加的。這是由于焊縫金屬不僅與氧化性氣體發(fā)生反應(yīng)使焊縫增氧，而且會(huì)與熔渣中容易分解的氧化物發(fā)生置換反應(yīng)使焊縫增氧。氧對(duì)焊縫的性能有很大影響，隨著焊縫含氧量的增加，塑性和韌性明顯下降，尤其是低溫沖擊韌性[4]。氮主要來源于焊接區(qū)周圍的空氣，鋼中氮含量過高會(huì)促使焊縫金屬發(fā)生時(shí)效脆化[5]。

3 分析與討論

3.1 顯微組織

X100焊管焊縫的顯微組織照片如圖2所示。由圖可見，X100焊管焊縫的組織以針狀鐵素體（AF）為主，含有少量的粒狀貝氏體鐵素體（GB）和先共析鐵素體，M/A組元多分布在鐵素體晶界。圖2（a）中，AF呈現(xiàn)非平行性、多位向析出的針片狀形態(tài)，白色的先共析鐵素體沿柱狀晶界析出，少量以側(cè)板條形態(tài)由晶界向晶內(nèi)生長(zhǎng)。圖2（b）中，形態(tài)各異的M/A組元呈亮白色浮在鐵素體基體上。圖2（c）中，細(xì)小AF晶粒呈放射狀分布，而GB晶粒略顯粗大，二者都含有較高的位錯(cuò)密度。奧氏體向AF的轉(zhuǎn)變?yōu)楣哺袂凶兒蛿U(kuò)散轉(zhuǎn)變，在切變過程中，局部地區(qū)的可動(dòng)位錯(cuò)發(fā)生偏聚纏結(jié)而成為亞晶[6]。AF內(nèi)的亞晶結(jié)構(gòu)和高密度的可動(dòng)位錯(cuò)可使焊縫具有良好的韌性。從圖2（d）～圖 2（f）可見，M/A 組元多分布在 GB 和 AF晶界。

圖2 X100焊管外焊縫的顯微組織

X80焊管焊縫的組織照片如圖3所示。由圖可見，X80焊管焊縫的組織以AF為主，含有少量的先共析鐵素體，M/A組元分布在AF晶界。圖3（a）中，沿柱狀晶界有粗大先共析鐵素體析出。在圖3（b）中，電鏡下可見M/A組元較粗大，有長(zhǎng)條狀、三角形和四邊形狀。從圖3（c）和圖3（d）中可見AF多位向析出、交錯(cuò)分布的形態(tài)，這種組織形態(tài)可使材料獲得好的韌性。但是X80焊管焊縫中含有較多的夾雜物，而且M/A島聚集分布（見圖3（d）～圖 3（f）），這種情況會(huì)影響組織均勻性。 夾雜物和M/A島周圍易產(chǎn)生應(yīng)力集中，在外力作用下容易成為裂紋源，從而降低材料的韌性[7]。

圖3 X80焊管外焊縫的顯微組織

3.2 夾雜物

X100和X80焊管焊縫含氧量是母材的幾十倍，但是氧在室溫下的溶解度很低，因此氧的有害作用主要是通過夾雜物表現(xiàn)出來。對(duì)沖擊斷口掃描發(fā)現(xiàn)，X80焊管焊縫中的非金屬夾雜物較多，尺寸較大，大部分為氧化物夾雜。X100焊管中未發(fā)現(xiàn)尺寸較大的夾雜物，所有夾雜物尺寸均小于10 μm。這與氧、氮、氫含量測(cè)定的結(jié)果基本一致。在沖擊試驗(yàn)過程中，夾雜物成為裂紋源，會(huì)顯著降低材料的沖擊功，對(duì)沖擊韌性非常不利[8-9]。

X80焊管焊縫20℃下沖擊試樣斷口SEM和夾雜物EDS如圖4所示。從圖4（a）可見夾雜物長(zhǎng)66 μm、寬21 μm，尺寸較大，夾雜物的尺寸越大，產(chǎn)生裂紋的幾率越大。在夾雜物的下端尖角處可見微裂紋，可見夾雜物與基體的結(jié)合力較弱，產(chǎn)生了二次裂紋 （與斷面主裂紋擴(kuò)展方向垂直）。夾雜物周圍為韌窩形貌，但韌窩較淺，尺寸小于5 μm，說明斷裂前產(chǎn)生的塑性變形較小。根據(jù)圖4（b）中夾雜物的EDS分析可知，此夾雜物為鈣的硅酸鹽夾雜。

圖4 X80焊管焊縫20℃下沖擊試樣斷口SEM和夾雜物EDS

X80焊管焊縫－60℃下沖擊試樣斷口SEM和夾雜物EDS圖5所示。圖5（a）中，黑色球狀?yuàn)A雜物的直徑約為58 μm，尺寸較大。夾雜物已經(jīng)破碎，而且與基體分離，周圍為解理形貌。根據(jù)EDS分析可知，此夾雜物為鈣的鋁酸鹽夾雜，主要來源于脫氧產(chǎn)物或還原渣等。不含SiO2的鈣鋁酸鹽夾雜物較硬，在軋制過程中仍保持球狀，一般不會(huì)被拉長(zhǎng)，但是在大的變形量下會(huì)發(fā)生破碎[10]，從而破壞了材料的連續(xù)性，對(duì)材料塑性和低溫韌性不利。

圖5 X80焊管焊縫-60℃下沖擊試樣斷口SEM和夾雜物EDS

有研究表明，只有10%～36%的夾雜物參與AF形核[11]，作為AF有效形核質(zhì)點(diǎn)的非金屬夾雜物的平均直徑為0.51 μm[12]，而一些尺寸較大、形狀不規(guī)則的非金屬夾雜物往往是造成焊縫沖擊韌性顯著降低的主要原因。氧化物夾雜在金屬焊接時(shí)普遍存在，這些氧化物主要是熔池進(jìn)行冶金反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的，只有少量是由于操作不當(dāng)而混入焊縫中。因此，要合理選用焊接材料，嚴(yán)格烘干焊劑，使其含有較少的氧、氮和氫。此外，注意保護(hù)熔池，防止空氣侵入。

3.3 M/A組元

圖6 X100焊管焊縫中M/A組元形態(tài)

采用Image Pro-plus軟件對(duì)X100和X80焊管焊縫中M/A組元的面積分?jǐn)?shù)、最大弦長(zhǎng)及長(zhǎng)寬比進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖6和圖7所示。

比較圖6和圖7可以發(fā)現(xiàn)，X100焊管焊縫中的M/A組元比較細(xì)小，X80焊管焊縫中粗大塊狀M/A組元含量比X100焊管多。對(duì)二值化圖像進(jìn)行M/A組元面積和形態(tài)分析，結(jié)果見圖6（c）和圖7（c）。長(zhǎng)寬比小于4且最大弦長(zhǎng)小于2 μm的為細(xì)小塊狀M/A組元，一般情況下不容易產(chǎn)生裂紋，若分布均勻還可以有效阻礙裂紋擴(kuò)展，對(duì)材料的韌性有利。長(zhǎng)寬比小于4且最大弦長(zhǎng)大于2 μm的為粗大脆性M/A組元[13]，由于其最大弦長(zhǎng)大于Griffith臨界裂紋尺寸，在外力作用下容易成為裂紋源，因此為脆性M/A組元，對(duì)材料韌性不利。

圖7 X80焊管焊縫中M/A組元形態(tài)

通過計(jì)算可以得出，X100和X80焊管焊縫中M/A組元的面積分?jǐn)?shù)分別為7.8%和9.2%，X80焊管焊縫中的M/A組元含量比X100焊管的高。從圖6（c）可見，X100焊管焊縫中細(xì)小M/A組元占87.1%，脆性M/A組元占11.6%。圖7（c）中，X80焊管焊縫中細(xì)小塊狀M/A組元占80.2%，脆性M/A組元占18.4%。

有研究[14]認(rèn)為含量較多且呈大塊狀的M/A組元是導(dǎo)致管線鋼焊縫沖擊功分散的原因，因此X100和X80焊管焊縫中的脆性M/A組元對(duì)韌性波動(dòng)具有一定的促進(jìn)作用。

在連續(xù)冷卻過程中形成的M/A組元形態(tài)各異、成分不均[15]，圖8為M/A組元在TEM下的精細(xì)結(jié)構(gòu)。圖8（a）中M/A組元呈矛頭狀，圖8（b）中M/A組元形狀不規(guī)則，最大弦長(zhǎng)大于2 μm且具有多個(gè)尖角，對(duì)材料的韌性不利。在圖8（c）中M/A組元呈三角形和矩形狀，在三角形M/A組元的尖角處可以清楚的看到被釘扎的位錯(cuò)，由于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，在外力作用下尖角處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中從而產(chǎn)生微裂紋。

圖8 M/A組元的精細(xì)結(jié)構(gòu)

4 結(jié) 論

（1）在－60～20℃的試驗(yàn)溫度下，X100和X80焊管焊縫的沖擊功平均值在40～165 J范圍內(nèi)，焊縫出現(xiàn)韌性降低現(xiàn)象。X100和X80焊管焊縫的FATT50分別為－37℃和－18℃，低溫韌性較差。

（2）X100焊管焊縫組織以AF為主，含有少量的GB和先共析鐵素體，M/A組元多分布在AF晶界。X80焊管焊縫組織以AF為主，含有少量的先共析鐵素體和M/A組元。X80焊管焊縫中M/A組元和夾雜物聚集現(xiàn)象比較嚴(yán)重，組織不均勻是降低焊縫韌性的原因之一。

（3）X100和X80焊管焊縫含氧量是母材的幾十倍，導(dǎo)致焊縫中含有較多大尺寸的非金屬夾雜物，顯著降低焊縫沖擊功；脆性M/A組元也是降低焊縫韌性的重要因素?？刂坪缚p韌性降低的主要措施是控制焊縫含氧量和脆性M/A組元含量。

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