發(fā)布時間：2019-05-05 07:51

【摘要】：管線鋼管的制管過程、管道鋪設與維修過程中都必須通過焊接來完成,因此焊接接頭的質量直接影響到整個管線的安全。在西氣東輸二線已經大批量應用的低碳高鈮成分設計的X80管線鋼擁有較好的焊接性能。但隨著管線鋼強度等級的迅速提升,焊接過程中暴露的問題也越來越多,如焊接熱影響區(qū)的局部脆化、軟化問題,焊縫金屬的強韌性匹配不佳的問題,氫致開裂、冷裂傾向的問題等等。因此,研究更高等級(X90/X100)管線鋼的焊接性能顯得十分必要。 本文從研究第三代多相組織管線鋼(X100級)直縫埋弧焊管熱影響區(qū)的組織與性能入手,對熱影響區(qū)不同區(qū)域的組織進行了詳細表征,并對焊接接頭進行了力學性能的測試。結果表明,由于受到復雜的熱影響,熱影響區(qū)不同區(qū)域的組織和性能產生了較大的差異。焊接接頭的力學性能除夏比沖擊韌性存在較大波動外,其余都能達到較高水準。沖擊缺口開在等效熔合線處的樣品由于穿過了臨界粗晶區(qū),導致沖擊功只有51J,而未穿過臨界粗晶區(qū)的等效熱影響區(qū)位置樣品的沖擊功高達206J。臨界粗晶區(qū)由于在粗大的原奧氏體晶粒邊界上形成了鏈狀M-A (Martensite-Austenite)組元,是造成等效熔合線處沖擊韌性很低的根本原因。由于臨界粗晶區(qū)的存在,導致等效熔合線處的樣品在沖擊過程中還未達到最大斷裂強度便發(fā)生了脆性裂紋的起裂,并隨即失穩(wěn)擴展,斷裂過程中失去了裂紋穩(wěn)定擴展過程。對沖擊斷口的分析表明,臨界粗晶區(qū)是整個樣品脆性斷裂的起源,而且在裂紋擴展過程中M-A組元的斷裂或者與基體組織分離都能形成微裂紋并成為大的脆性斷裂刻面的起源。因此提高臨界粗晶區(qū)的沖擊韌性是提高整個焊接熱影響區(qū)沖擊韌性的關鍵所在。 利用熱模擬的手段模擬了X100管線鋼熱影響區(qū)的不同區(qū)域的組織,并對各種組織的沖擊韌性進行了評價。結果表明,粗晶區(qū)、細晶區(qū)、臨界區(qū)的組織沖擊韌性都較高,普遍在200J以上。而臨界粗晶區(qū)的韌性較差,平均韌性在50J以下,原因依然是由于鏈狀M-A的存在所致。通過改變熱循環(huán)工藝參數探索了提高臨界粗晶區(qū)沖擊韌性的方法和途徑。結果表明,隨著二次峰值溫度的上升,M-A的分布逐漸離散化,并且尺寸也有所減小,因此沖擊韌性隨之升高。減小臨界粗晶區(qū)的晶粒尺寸使得M-A的形核位置增多,因此M-A的分布更加離散,尺寸也顯著降低,從而使得沖擊韌性有了明顯提升。當臨界粗晶區(qū)晶粒內部由韌性較好的板條狀貝氏體組成時,沖擊韌性較高。反之,當晶內組織為韌性較差的粒狀貝氏體或者低溫下形成的板條貝氏體時,臨界粗晶區(qū)的沖擊韌性也隨之下降。綜合上述結果可知,只要能使M-A的分布從鏈狀連續(xù)分布變?yōu)檩^離散地分布,M-A的尺寸也會隨之減小,因此就能夠顯著地提高沖擊韌性。 詳細表征了臨界粗晶區(qū)中M-A組元的內部結構及成分。M-A組元內部的層狀結構被確定為馬氏體-奧氏體的層狀結構,比例分別為47%和43%。原子探針的結果顯示,M-A中碳含量只富集到了0.45%,理論上不能得到43%的殘余奧氏體。但由于周圍組織的三向壓應力以及尺寸效應,使得殘余奧氏體更加穩(wěn)定,才有43%的奧氏體殘余下來。臨界粗晶區(qū)M-A的形成機制分為下四個步驟：①經過第一道次熱循環(huán)高的峰值溫度得到粗晶區(qū)組織。②第二道次熱循環(huán),沿原奧氏體晶粒邊界形成了少量逆轉的奧氏體,周圍的碳元素通過擴散富集到逆轉組織內,發(fā)生了碳元素的第一次富集。③冷卻時,部分逆轉組織可能會先發(fā)生貝氏體相變,已發(fā)生轉變的組織向未轉變組織中排碳,發(fā)生碳的第二次富集,并使這部分奧氏體進一步穩(wěn)定。④冷卻到Ms點以下后,未轉變組織發(fā)生馬氏體相變。由于相變不完全,有奧氏體殘留,從而形成了馬氏體-殘余奧氏體的層狀結構。對斷口下方二次微裂紋的研究表明,由于鏈狀M-A的存在,使得斷裂機制從粗晶區(qū)的形核控制類型轉變?yōu)榕R界粗晶區(qū)的擴展控制類型。并且還使得脆性裂紋擴展過程中的界面能降低了約一個數量級。 通過對X70/X80環(huán)焊縫金屬的組織與性能間關系的研究表明,影響焊縫金屬沖擊韌性的主要因素仍是其組織構成,而不是夾雜物。如果焊縫金屬的淬透性不足或者由于道次間的交叉熱影響出現了鏈狀M-A,都會引起焊縫金屬沖擊韌性的明顯降低。但由于國內目前仍然主要依靠自保護藥芯焊絲半自動電弧焊來進行環(huán)焊的施工,焊絲的選擇、焊接工藝、施工條件及多層多道焊組織復雜多變等各種因素導致了環(huán)焊縫金屬的沖擊韌性存在較大的波動。
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【學位授予單位】：北京科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TG142.1;TG457.6

【參考文獻】

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本文編號：2469389