【正文】 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。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)?，F(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。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。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)。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。熱模擬試樣加工尺寸為 55mm 的板狀樣。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)。這種組織遺傳現(xiàn)象也是導(dǎo)致IRCGHAZ韌性較差的原因之一。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。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。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(kāi)始出現(xiàn)馬氏體組織。不完全相變重結(jié)晶區(qū)又稱不完全正火區(qū)。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。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。此后 X80 鋼級(jí)管線鋼不斷發(fā)展。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。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。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]。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)。基于管道輸送的快速發(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。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。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。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。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。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。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。（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)。取向。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。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]。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。細(xì)晶區(qū)又稱相變重結(jié)晶區(qū)或正火區(qū)。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?？炖錀l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(huà)出板條的痕跡。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。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。而我國(guó)的管線鋼研究起步較晚。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。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)。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。 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。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。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。（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。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。 顯微組織分析X100 管線鋼的光學(xué)顯微組織如圖 35 所示。顯微組織不同，材料的性能也不同。試樣尺寸如圖 23 所21 / 32示。厚大焊件（點(diǎn)熱源）： （2atreET420????1）薄板（線熱源）： （2atyetcET42/10)(??????2） 式中 E——焊接線能量（J/cm） ；——導(dǎo)熱系數(shù)[J/（.℃）]；λc——比熱容[J/（g.℃）]；?——密度（ ）；3/gcma——熱擴(kuò)散率， )/(/a2sc???；——板厚（cm）；δ——厚焊件上某點(diǎn)距熱源運(yùn)行軸線的垂直距離， （cm）；0r 00zyr??y——薄板上某點(diǎn)距熱源運(yùn)行軸線的垂直距離(cm)；t——熱源到達(dá)所求點(diǎn)所速在的截面的傳熱時(shí)間（s ）。(3) 熱循環(huán)參數(shù)的含義焊接熱循環(huán)其主要的參數(shù)有：加熱速度 ω H、峰值溫度 Tmax、高溫停留時(shí)間 tH、冷卻速度 ω C 或冷卻時(shí)間 tC，如圖 33。它自 1946 年在美國(guó)倫塞勒工學(xué)院 (RPI)第一臺(tái)樣機(jī)誕生并成立DSI(Dynamicystems lnc．)至今，經(jīng)過(guò)近 60 年的不斷修改與完善，已經(jīng)發(fā)展為計(jì)算機(jī)控制的電液伺服閉環(huán)系統(tǒng)。X80 管線鋼母材的常規(guī)力學(xué)性能如表 22。不穩(wěn)定的低碳區(qū)和高碳區(qū)形成，這是因過(guò)冷奧氏體發(fā)生碳濃度起伏。測(cè)試結(jié)果表明，相對(duì)于母材而言，焊接臨界粗晶區(qū)的局部脆化使管線鋼的韌性損失可達(dá) 70%，被稱為焊接接頭的局部脆化區(qū)。 管線鋼焊接熱影響區(qū)的粗晶區(qū)局部脆化現(xiàn)象以高壓、大管徑和面對(duì)惡劣環(huán)境為特征的管道工業(yè)與以微合金化、超純凈冶煉和現(xiàn)代控軋控空冷技術(shù)為特征的冶金工業(yè)相互促進(jìn)，共同發(fā)展，把管道工業(yè)推進(jìn)了一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期。有研究表明鎂合金化對(duì) HAZ 的優(yōu)化影響，提出了又一種提高 HAZ 區(qū)性能的方法 [21,22]。低于 A1 的溫度對(duì)母材的組織不產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的影響。特別是熱影響區(qū)的晶粒粗化和組織結(jié)構(gòu)的變化將使得熱影響區(qū)的性能與母材性能相比，嚴(yán)重下降，焊接熱影響區(qū)不再具有母材的許多優(yōu)異性能，特別是韌性可能會(huì)降低20%～30%，粗晶區(qū)的韌性值甚至可能會(huì)下降 70%～80% [15]。但是，由于焊接過(guò)程具有本身的待點(diǎn)，這就給焊接時(shí)的組織轉(zhuǎn)變帶來(lái)了它的待殊性。1998 年，Transcanada 開(kāi)始著手 X100 管線鋼開(kāi)發(fā)及應(yīng)用等方面的研究。在不到 10 年的時(shí)間里，中國(guó) X6X70 管線鋼就己從試制發(fā)展到大規(guī)模的工程應(yīng)用。鐵素體一珠光體管線鋼典型的光學(xué)顯微組織形態(tài)如圖 13,透射電子顯微組織如圖 14。一些著名的石油公司和管道公司在本世紀(jì)初進(jìn)行了 Xl00 鋼級(jí)和 X120 鋼級(jí)管道的工業(yè)性試驗(yàn)。這種鋼突破了傳統(tǒng)鋼的觀念，碳含量為 %～ %，在鋼中加入了小于 %的 Nb、 V、Ti 等微合金元素，并通過(guò)控制軋制工藝顯著改善了鋼的力學(xué)性能。在我國(guó)，近幾年來(lái)，隨著以西氣東輸工程為代表的石油天然氣長(zhǎng)輸管道的建設(shè)，高壓力大管徑油氣管道通過(guò)地表復(fù)雜地質(zhì)條件的情況越來(lái)越多。此外，隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)石油、天然氣等能源需求的增加，管線輸送向大口徑、高壓、富氣輸送方向發(fā)展，顯著推動(dòng)管線鋼進(jìn)一步向高鋼級(jí)方向發(fā)展。天然氣需求的增長(zhǎng)主要集中在北美、歐洲和經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的亞洲。其二是冶金工業(yè)的進(jìn)步。目前，在 X100 大變形管線鋼埋弧焊過(guò) 程中發(fā)現(xiàn)大部分焊接接頭成為管線鋼應(yīng)用的薄弱區(qū)域。如 X100 管線鋼就是其中一例。4 / 32 管線鋼的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 管線鋼的發(fā)展趨勢(shì)早期建設(shè)的管道，由于管徑小、壓力低和冶金技術(shù)的限制，直到 20 世紀(jì) 40 年代，管線鋼一直采用 C、Mn、Si 型的普通碳素鋼,其強(qiáng)度級(jí)別低于 X52。在微合金化管線鋼中，鐵素體一珠光體是第一代微合金管線鋼的主要組織形態(tài)，X70 及其以下級(jí)別的管線鋼具有這種組織形態(tài)。下貝氏體(LB) 和馬氏體(M) 均以板條的形態(tài)分布。Xl00 高性能管線鋼也引起我國(guó)管道工程界和冶金界的關(guān)注。2022 年，Exxon Mobil 公司在加拿大進(jìn)行了 X120鋼管 116 km 試驗(yàn)段管道的鋪設(shè)。焊接時(shí)由于熱循環(huán)的特點(diǎn)，在 Ac3 以上保溫的時(shí)很短( 一般手工電約為 4～20s，埋弧焊時(shí) 30～l00s)，而在熱處理時(shí)可以根據(jù)需要任意控制保溫時(shí)間。它的溫度范圍在 1100℃到固相線之間。 管線鋼的焊接熱影響區(qū)研究現(xiàn)狀已有的高強(qiáng)度管線鋼的焊接研究結(jié)果表明，熱輸入是影響熱影響區(qū)(HAZ)的關(guān)鍵因素。這一組織形態(tài)所具有的細(xì)小的有效晶粒、高密度的位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)和彌散分布的微合金碳、氮化合物的沉淀析出等組織結(jié)構(gòu)因素，賦予材料優(yōu)良的強(qiáng)韌特性。在單道焊一次焊接熱循環(huán)中，按其經(jīng)歷熱循環(huán)的差異，可分為熔合區(qū)、粗晶區(qū)( CGHAZ) 、細(xì)晶區(qū)( FGHAZ) 、臨界區(qū) ( ICHAZ) 和亞臨界區(qū) ( SCHZA) 。雖然峰值溫度停留時(shí)間很短，但奧氏體晶粒仍能迅速長(zhǎng)大。對(duì)于低合金高強(qiáng)鋼，% ～%，管線鋼的焊接局部脆化現(xiàn)象正是由于這一原因引起。 試驗(yàn)方法 熱模擬試驗(yàn)(1) 熱模擬試驗(yàn)的意義由于焊接熱影響區(qū)的組織及性能對(duì)焊接接頭的質(zhì)量有很大的影響，因此深入研16 / 32究熱影響區(qū)中的各區(qū)段組織性能是非常必要的。① 加熱系統(tǒng)：該機(jī)采用電阻加熱系統(tǒng)，即通過(guò)低頻電流加熱試樣，加熱速度可以高達(dá)10000℃/s 。同時(shí)，研究最高溫度還可間接地判斷焊件產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力的大小和接頭中塑性變形區(qū)的范圍，因此峰值溫度是焊接熱模擬的重要參數(shù)。 除板厚 對(duì)冷卻速度有影響之外，焊接線能量 E、預(yù)熱溫度 和接頭形式等也? 0T都有影響，當(dāng)然被焊金屬材料的物理性質(zhì)也是重要的。④ 實(shí)驗(yàn)完畢后，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并保存沖擊實(shí)驗(yàn)的材料斷口。當(dāng)峰值溫度為 1300℃時(shí)，晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大，表現(xiàn)為粗晶區(qū)的局部脆化（圖 35（e） ） 。作為他們的孩子，我秉承了他們樸實(shí)、堅(jiān)韌的性格，也因此我有足夠的信心和能力戰(zhàn)勝前進(jìn)路上的艱難險(xiǎn)阻；也因?yàn)樗麄兊娜找剐羷冢也庞袡C(jī)會(huì)如愿完成自己的大學(xué)學(xué)業(yè)，進(jìn)而取得進(jìn)一步發(fā)展的機(jī)會(huì)。同時(shí)基體中還殘留著未轉(zhuǎn)變的粒狀貝氏體和多邊形鐵素體，因此最終得到的組織中晶粒大小不一致（圖 35（b） ） 。光學(xué)顯微組織分析在 405M光學(xué)顯微鏡上進(jìn)行。沖擊實(shí)驗(yàn)在 NI550C 電子沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。 對(duì)于厚大焊件： （25）)(20TEtH???? 對(duì)于薄板： （26）202)(4/cmtHH??臨界板厚 為：crδ （27 ）)(0TcEH????式中 ——焊接線能量（J/cm）；