【正文】 為裂紋擴(kuò)展提供了便利，因而該區(qū)的韌性損失最為嚴(yán)重。除了敬佩張老師的專業(yè)水平外，他的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)研究的精神也是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣，并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作。焉得諼草，言樹之背，養(yǎng)育之恩，無(wú)以回報(bào)。（2）峰值溫度為 650℃的焊接熱循環(huán)相對(duì)于讓母材經(jīng)歷了一個(gè)回火過(guò)程，因此韌性較好；當(dāng)峰值溫度為 850℃時(shí)，組織發(fā)生部分重結(jié)晶，得到的組織中晶粒大小不一致，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致韌性下降；當(dāng)峰值溫度為 950℃時(shí)，基體發(fā)生完全重結(jié)晶，此時(shí)晶粒尺寸較大，導(dǎo)致韌性下降，但由于基體中晶粒大小較為一致，所以韌性與 850℃相比稍有提高；當(dāng)峰值溫度為 1100℃時(shí)，晶粒明顯長(zhǎng)大，晶粒內(nèi)部的 MA 組元聚集在一起，導(dǎo)致韌性有較大幅度下降；當(dāng)峰值溫度為 1300℃時(shí)，韌性明顯下降，這是由粗大的晶粒和晶粒內(nèi)粗大的板條束造成的。當(dāng)熱循環(huán)峰值溫度為 850℃時(shí)，粒狀貝氏體發(fā)生部分重結(jié)晶，重結(jié)晶形成的晶粒大小均勻，形狀規(guī)則。其中峰值溫度為 650℃、850℃、950℃時(shí)硬度值低于母材，峰值溫度為 1100℃時(shí)硬25 / 32度與母材相比差別不大，峰值溫度為 1300℃時(shí)硬度值高于母材。利用金相顯微鏡及其所拍攝的金相照片對(duì)管線鋼的微觀組織進(jìn)行檢驗(yàn)分析，研究管線鋼的結(jié)構(gòu)組織以及它們的變化規(guī)律，從而達(dá)到通過(guò)控制組織來(lái)實(shí)現(xiàn)控制和改善其性能的目的。實(shí)踐表明，金屬材料的硬度值與強(qiáng)度之間具有近似的相應(yīng)關(guān)系。夏比 V 型缺口的沖擊功值用 CVN(Charpy VNotch)表示沖擊斷口的纖維面積與斷口面積的百分比稱為斷口纖維面積百分比，即斷口剪切面積(Shear Area)，用 SA(%)表示。 夏比沖擊試驗(yàn)韌性是管線鋼一種重要的力學(xué)性能,它被定義為管線鋼在變形和斷裂全過(guò)程中所吸收的能量。當(dāng) 0/??tT時(shí)，即可求得峰值溫度 ；maxT 點(diǎn)熱源： （??3）19 / 32 線熱源： (20max/???4）② 高溫停留時(shí)間 的計(jì)算Ht是個(gè)復(fù)雜的函數(shù)，運(yùn)算過(guò)程復(fù)雜，并且很難獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，因此多采用理論Ht與經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的辦法求解。高溫停留時(shí)間對(duì)于相的maxT溶解或析出、奧氏體均質(zhì)化以及晶粒粗化等都有影響。從金屬學(xué)觀點(diǎn)考慮，隨著加熱速度的提高，相變溫度將隨之提高，奧氏體的均質(zhì)化和碳化物的溶解過(guò)程將變得不夠充分，這將影響到冷卻過(guò)程的相變產(chǎn)物及組織特征。它用閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，17 / 32是動(dòng)態(tài)熱模擬的理想系統(tǒng)。它既可用手控進(jìn)行試驗(yàn)，也可以實(shí)現(xiàn)全部試驗(yàn)過(guò)程的計(jì)算機(jī)控制。利用熱模擬試驗(yàn)機(jī)，就可以對(duì)試樣進(jìn)行與實(shí)際焊接時(shí)相同或相近的熱、應(yīng)力、應(yīng)變循環(huán)，使得試樣在一個(gè)相當(dāng)大的區(qū)域（如 3～7mm）獲得與需要研究的熱影響區(qū)特定部位相同或相近的組織狀態(tài)，因而可以制備足夠尺寸的試樣，對(duì)其進(jìn)行各種性能的定量測(cè)試和組織結(jié)構(gòu)分析。試驗(yàn)所采用的母材試樣位于板厚中部(沿板厚方向兩側(cè)加工)沿板材橫向取樣，即試樣長(zhǎng)度方向垂直于鋼板軋制方向。而我國(guó)的管線鋼研究起步較晚。當(dāng)焊后的冷卻速度較大時(shí)，形成MA組元，即馬氏體 奧氏體(MA) 組織。一次熱循環(huán)過(guò)程中在粗晶區(qū)形成的非平衡組織，例如粒狀貝氏體等，是以切變機(jī)制在奧氏體｛111｝晶面上生成的，其與母相成一定的位向關(guān)系，而奧氏體總是力求與這些結(jié)晶學(xué)有序組織在密排方向和密排面上保持平行形核，以減少相變阻力。（2） 局部脆化的機(jī)理引發(fā)焊接局部脆化的微觀因素有很多，而焊接局部脆化區(qū)中的晶粒長(zhǎng)大和MA組元的形成是導(dǎo)致管線鋼焊接局部脆化的主要因素。圖 18 管線鋼焊接熱影響區(qū)示意( a) 粗晶熱影響區(qū)( CGHAZ) 脆化由于焊接粗晶區(qū)臨近焊縫，所經(jīng)受的焊接熱循環(huán)的峰值溫度高，使得晶粒粗大，導(dǎo)致材料的韌性降低。這種焊接局部脆化區(qū)往往成為影響管道安全運(yùn)營(yíng)的薄弱環(huán)節(jié)。快冷條件下，板條細(xì)小，板條間的島狀組織縱橫比較大，并由這種島狀組織勾畫出板條的痕跡。焊縫區(qū)和 HAZ 的沖擊吸收功和剪切面積隨著熱輸入的增加而減小，沖擊斷口表現(xiàn)為準(zhǔn)解理斷裂，焊縫組織以針狀鐵素體粒狀貝氏體為主，這種組織賦予材料良好的強(qiáng)韌性在不同焊接熱輸入條件下，冷卻速度的差異使熱影響區(qū)的顯微組織發(fā)生較大的變化 [24]。鋼管管體主要為狀貝氏體及少量多邊形鐵素體混合組織，具有良好的強(qiáng)度和韌性。圖 16 是一種管線鋼手工電弧焊焊接接頭的硬度分布曲線。細(xì)晶區(qū)又稱相變重結(jié)晶區(qū)或正火區(qū)。9 / 32圖 15 管道焊接 HAZ 的組織分布特征( a)HAZ 組織分布；(b)FeC 狀態(tài)圖；(c)熱循環(huán)(圖中 Tm峰值溫度，TH晶粒長(zhǎng)大溫度)對(duì)于焊接 HAZ 的組織分布，有不同的分類方法，通常按其所經(jīng)歷熱循環(huán)的差異，分為熔合區(qū)、粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)、不完全重結(jié)晶區(qū)和時(shí)效脆化區(qū)等五個(gè)區(qū)段，如圖 15 所示。然而在焊接時(shí)，一般都是在自然條件下連續(xù)冷卻個(gè)別情況下才進(jìn)行焊后保溫或焊后熱處理。一般熱處理情況下，加熱溫度都不超過(guò) Ac3 以上 100～200 ℃，而在焊接時(shí)，近縫區(qū)熔合線附近可接近金屬的熔點(diǎn)，對(duì)于低碳鋼和低合金鋼來(lái)講，一般都在 1350 ℃左右。HAZ 上各點(diǎn)距焊縫的遠(yuǎn)近不同，各點(diǎn)所經(jīng)歷的焊接熱循環(huán)不同，就會(huì)出現(xiàn)不同的組織，具有不同的性能 [14]。2022 年，TCPL 在加拿大建成了一條管徑 1 219 mm、壁厚 mm 的 X100 鋼級(jí)的 1 km 試驗(yàn)段。2022 年，中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司啟動(dòng)了 Xl00 管線鋼應(yīng)用基礎(chǔ)的研究。西氣東輸!陜京二線均要求管線鋼級(jí)為 X70、壁厚 ，為我國(guó)當(dāng)時(shí)管線工程所用螺旋管鋼級(jí)和壁厚之最。取向。為進(jìn)一步提高管線鋼的強(qiáng)韌性，需要研究開發(fā)針狀鐵素體管線鋼。（1） 鐵素體珠光體鐵素體珠光體是 20 世紀(jì) 60 年代以前的管線鋼所具有的基本組織形態(tài)。 管線鋼的組織結(jié)構(gòu)的變化從某種意義上講，管線鋼的發(fā)展過(guò)程，實(shí)質(zhì)上是管線鋼顯微組織結(jié)構(gòu)的演變過(guò)程。輸氣管道輸送壓力的不斷提高，使得輸送鋼管迅速向高鋼級(jí)發(fā)展。如圖 11 所示，為不同強(qiáng)度級(jí)別管線鋼的發(fā)展歷程圖。由于不同焊接熱作用，不同區(qū)域的組織和性能變化是明顯不同的。我國(guó)幅員遼闊，地形地貌多變，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，山地滑坡、崩塌、泥石流等自然災(zāi)害時(shí)有發(fā)生。由于不同的焊接熱作用，不同區(qū)域上的組織和性能變化將是明顯不同的。然而，隨輸送壓力的增加，對(duì)鋼的止裂性能也提出更高的要求，這也就要求該鋼具有更高韌2 / 32性，因此，提高其強(qiáng)韌性已成為目前研究的重點(diǎn)和難點(diǎn) [4]。中國(guó)油氣長(zhǎng)輸管線面臨的地震和地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題目前也引起了高度關(guān)注。因而作為石油和天然氣的一種經(jīng)濟(jì)、安全、不間斷的長(zhǎng)距離輸送工具，油氣輸送管道在近 40 年得到了巨大的發(fā)展，這種發(fā)展勢(shì)頭在未來(lái)的幾十年中仍將持續(xù)下去。能源需求的增長(zhǎng)加上能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整，帶動(dòng)了石油天然氣工業(yè)的全面發(fā)展。其一是世界石油工業(yè)的發(fā)展。另一方面，則需要從提高管線鋼材料本身的抗變形能力著手。如果焊接工藝控制不當(dāng)，常常出現(xiàn)組織和韌性惡化 [5]?；诠艿垒斔偷目焖侔l(fā)展，管線鋼逐漸成為了低合金高強(qiáng)鋼中最活躍的領(lǐng)域。因此，研究管線鋼具有重要的理論價(jià)值和工程應(yīng)用價(jià)值，特別是對(duì)保證管線建設(shè)的可行性和安全運(yùn)行有著重要的意義 [6]。1928 年美國(guó)石油學(xué)會(huì)(American Petrolium Institute)制定了 API SPEC 5L 焊管標(biāo)準(zhǔn)，以后每年修訂一次 PISPEC 5L 標(biāo)準(zhǔn)。石油工業(yè)的快速發(fā)展使油氣管道工程面臨著高壓輸送和低溫、大位移、深海、酸性介質(zhì)等惡劣環(huán)境的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。加拿大 Welland 公司 1995 年至 1999 年 7 月銷售的供天然氣輸送的 SSAW 和 UOE 焊管，全部為 X70 與 X80[8]。前三類管線鋼為微合金化控制軋制和控制冷卻狀態(tài)(Termomechancal Control Process，簡(jiǎn)寫為 TMCP)管線鋼，是現(xiàn)代油氣管線的主流鋼種。當(dāng)要求較高強(qiáng)度時(shí)，可取高限含碳量，或在 Mn 系的基礎(chǔ)上加入微量 Nb、V。雖然在對(duì) X100 顯微組織的定量分析中，仍有可能存在少量其它組織，但人們習(xí)慣稱其為全針狀鐵素體鋼,或稱為全粒狀貝氏體鋼!退化上貝氏體鋼。X120 管線鋼的這種組織結(jié)構(gòu)賦予材料高的強(qiáng)韌特性，其屈服強(qiáng)度大于 827Mpa，30 ℃ 時(shí)的沖擊韌性超過(guò) 230J。寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司于 1999 年開始進(jìn)行石油天然氣輸送用 X80 級(jí)螺旋埋弧焊管的研究工作，先后完成了國(guó)外高鋼級(jí)管線鋼管的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、焊接材料、焊接工藝等方面的技術(shù)情報(bào)的收集整理工作，并與國(guó)內(nèi)幾家大型鋼鐵公司聯(lián)合提出了 X80 管線鋼熱軋卷板的技術(shù)條件。此后 X80 鋼級(jí)管線鋼不斷發(fā)展。歐洲鋼管公司生產(chǎn)出了幾百噸 X100 級(jí)管線鋼，鋼板厚度可7 / 32達(dá) mm，用來(lái)制造口徑為 914 mm 的鋼管。采用焊接熱模擬技術(shù)，使試樣經(jīng)受與實(shí)際焊接過(guò)程相似的熱循環(huán)，從而獲得與實(shí)際 HAZ 不同區(qū)域相似的組織狀態(tài)，有助于深入研究不同焊接參數(shù)對(duì)高鋼級(jí)管線鋼 HAZ 不同區(qū)域組織的影響。焊接時(shí)由于采用的熱源強(qiáng)烈集中，故加熱的速度比熱處理時(shí)要快的往往超過(guò)幾十倍甚至幾百倍。這樣就使組織轉(zhuǎn)變是在應(yīng)力作用下進(jìn)行的，并且這種轉(zhuǎn)變的過(guò)程是不均勻的。雖然這一區(qū)域相當(dāng)狹小，但由于在化學(xué)成分上和組織性能上都有較大的不均勻性，所以對(duì)焊接接頭的強(qiáng)度、韌性都有很大的影響。不完全相變重結(jié)晶區(qū)又稱不完全正火區(qū)。粗晶區(qū)的脆化由于焊接粗晶區(qū)處在焊縫和母材的過(guò)渡區(qū)域，它不僅具有明顯的物理和化學(xué)不均勻性，而且還經(jīng)常在焊趾和焊根處出現(xiàn)咬邊和裂紋等幾何不均勻性所造成的應(yīng)力集中，因而焊接粗晶區(qū)是整個(gè)焊接接頭的薄弱區(qū)域 [18]。有研究表明，當(dāng)焊后冷卻速度低于 2℃/s 時(shí)，焊接粗晶區(qū)組織為粒狀貝氏體；當(dāng)焊后冷卻速度為 2~5℃/s 時(shí)，組織為貝氏體鐵素體；當(dāng)焊后冷卻速度高于 5℃/s 時(shí)，粗晶區(qū)開始出現(xiàn)馬氏體組織。具體來(lái)說(shuō)，在較低的焊接熱輸入(10kJ/cm)，由于冷卻速度較大，CGHAZ 的組織形態(tài)多為從奧氏體晶界向晶內(nèi)平行生長(zhǎng)的細(xì)密板條, 不同位向的板條使原奧氏體晶界清晰可見。組織觀察可以發(fā)現(xiàn)：一方面，晶粒粗化的傾向比較明顯；另一方面，組織中的 QF+ PF 增多。這一切都使得管線鋼焊接局部脆化的研究具有其特殊性。近幾十年來(lái)，有關(guān)焊接粗晶區(qū)的研究已成為現(xiàn)代焊接物理冶金的一個(gè)重要分支?；瘜W(xué)成分和組織狀態(tài)一定的管線鋼，焊接過(guò)程中的峰值溫度和焊后熱處理?xiàng)l件是影響奧氏體晶粒長(zhǎng)大的兩個(gè)重要因素因素，其中峰值溫度是影響奧氏體晶粒長(zhǎng)大程度的主要因素。這種組織遺傳現(xiàn)象也是導(dǎo)致IRCGHAZ韌性較差的原因之一。富碳γ相在隨后的冷卻過(guò)程中可形成富碳MA組元。具體的研究?jī)?nèi)容包括:1) 研究 X100 管線鋼母材的組織性能；2) 以 X100 管線鋼焊接熱影響區(qū)不同區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，計(jì)算中等線能量下的焊接熱模擬參數(shù)；3) 通過(guò)焊接熱模擬試驗(yàn)對(duì) X100 管線鋼熱影響區(qū)不同區(qū)域的組織和性能進(jìn)行研究，分析 X100 管線鋼焊接熱影響區(qū)不同區(qū)域的組織性能變化規(guī)律，為 X100管線鋼實(shí)際焊接工藝的制定奠定基礎(chǔ)。MA組元中的殘余奧氏體是一種韌性相,可降低裂紋尖端應(yīng)力,消耗部分?jǐn)U展功。熱模擬試樣加工尺寸為 55mm 的板狀樣。其加熱速度可以從 ℃／s到 10000℃／s。③ 數(shù)據(jù)顯示與記錄G1eeble3500 配置了實(shí)現(xiàn)全面數(shù)字控制的軟硬件。距焊縫遠(yuǎn)近不同的各點(diǎn)，加熱的最高溫度不同。因此，目前多采用一定溫度范圍內(nèi)的冷卻時(shí)間來(lái)代替冷卻速度，并以此作為研究焊接熱影響區(qū)組織、性能和抗裂性的重要參數(shù)。0上述討論僅是厚大焊件（在手弧焊的條件大于 25mm）和薄板（小于 8mm）的情況，如焊件厚度在 8～25mm 之間，求某點(diǎn)的冷卻速度時(shí)，應(yīng)將乘以修正系數(shù) K，即 （212）ETKwcc20)(????K 是無(wú)因次系數(shù) ?的函數(shù)， 。這種實(shí)驗(yàn)方法簡(jiǎn)便，而且包括了尖銳缺口、高速加載、容易實(shí)現(xiàn)低溫等三大促使材料脆化的實(shí)驗(yàn)條件，對(duì)材質(zhì)內(nèi)在質(zhì)量的變化較為敏感。② 將試樣放入冷卻槽內(nèi)用無(wú)水乙醇冷卻至20℃，然后記得取試樣時(shí)要把后放 的樣先取出來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)，這樣保證了試樣都達(dá)到了實(shí)驗(yàn)要求的溫度。現(xiàn)代金相技術(shù)包括光學(xué)和電子顯微分析技術(shù)兩個(gè)方面。計(jì)算得到的熱循環(huán)參數(shù)如表31所示，熱模擬參數(shù)如表32所示，熱模擬曲線如圖32所示。表 34 X100 焊接熱影響區(qū)不同峰值溫度的沖擊韌性峰值溫度/℃ 沖擊韌性（J）1300 1100 950 850 650 母材 0204060801012022012022020240280320 CVN(J) temprature/ oC 圖 34 X100 管線鋼焊接熱影響區(qū)不同區(qū)域沖擊韌性分布規(guī)律由圖 34 可知，隨著峰值溫度的升高，沖擊韌性呈下降趨勢(shì)。當(dāng)峰值溫度為 950℃時(shí)，粒狀貝氏體在加熱和冷卻過(guò)程中發(fā)生完全重結(jié)晶，此27 / 32時(shí)晶粒尺寸較大（圖 35（c） ） ，導(dǎo)致韌性下降，但由于基體中晶粒大小較為一致，所以韌性與 850℃相比稍有提高。感謝母校為我們提供的良好學(xué)習(xí)環(huán)境，使我們能夠在此專心學(xué)習(xí)，陶冶情操。