Cr含量对低合金耐蚀管线钢焊接接头组织和性能的影响

1、第31卷2010年第3期3月材料热处理学报Vol.31MarchNo.32010TRANSACTIONSOFMATERIALSANDHEATTREATMENTCr含量对低合金耐蚀管线钢焊接接头组织和性能的影响胡丽华，张雷，许立宁，路民旭（北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083）摘要：采用钨极氩孤弧焊（TIG）对Cr含量为1wt%5wt%的低合金耐蚀管线钢进行焊接，研究Cr含量对焊接接头组织和力学性能的影响。结果表明，随着低合金耐蚀管线钢中Cr含量提高，粗晶热影响区晶粒尺寸变大，熔合区组织不均匀，易出现淬硬组织。随Cr含量提高，焊接接头的硬度呈上升趋势，冲击韧性呈下降趋势，尤其当Cr含

2、量达5wt%时，硬度的提高和冲击韧性的可得到硬度适中、韧性较高的焊接接头。下降尤为明显。低合金耐蚀管线钢的Cr含量不超过3wt%时，关键词：低合金耐蚀管线钢；中图分类号：TG406Cr含量；焊接接头；组织；力学性能文献标志码：A6264（2010）03-0092-05文章编号：1009-EffectsofCrcontentonmicrostructureandpropertiesoflowalloycorrosionresistantpipelinesteelweldjointsHULi-hua，ZHANGLei，XULi-ning，LUMin-xu（SchoolofMaterialsScie

3、nceandEngineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China）Abstract：Lowalloycorrosionresistantpipelinesteelscontaining1wt%5wt%Crwereweldedbytungsteninertgaswelding（TIG），andtheeffectofCrcontentonmicrostructureandmechanicalpropertiesoftheweldjointswereinvestigated.Theresultsshowthat

4、，withCrcontentincreasing，grainsizeofheat-affectedzonewithcoarsegrainincreases，inhomogeneousmicrostructureisobservedinfusionzone，andhardenedphasestendtobepresentintheweldjoint.WithCrcontentincreasing，hardnessoftheweldjointincreasesanditsimpacttoughnessdecreases，especiallywhenCrcontentisupto5wt%.Thewe

5、ldjointswithproperhardnessandhighertoughnesscanbeobtainedwhentheCrcontentoflowalloycorrosionresistantpipelinesteelisnomorethan3wt%.Keywords：lowalloycorrosionresistantpipelinesteel；Crcontent；weldjoint；microstructure；mechanicalproperties根据我国能源战略的需求，陆上及海底管道开始大规模建设，对管线钢性能的要求也日益苛刻，如石H2S会引起管道严重腐蚀，油天然气介质中的

6、CO2、诱发安全事故并造成经济损失。尽管洁净冶炼和现代控轧控冷技术的发展使管线钢的强度、韧性等力学性能不断得到提高，但对其耐蚀性等服役性能的改善仍十分有限，开发耐蚀性较好的低合金耐蚀管线钢已12。由于添加少量Cr成为国内外研究的热点问题元素即可使碳钢表面腐蚀产物结构发生改变并提高其抗CO2腐蚀能力，因此Cr的合金化是低合金耐蚀管线钢发展的重点34含Cr低合金耐蚀管线钢焊接接头硬度偏高、韧性不足，在提高焊接接头综合力学性能方面可能存在一定难度1，6。但国内外在该方面的研究尚少，对焊接接头的组织与力学性能之间的关系等许多问题尚未清楚，无法为含低Cr低合金耐蚀管线钢开发和应用提供依据。为进一步揭示C

7、r含量对低合金耐蚀管线钢焊接性能的影响规律，本文采用钨极氩弧焊（TIG焊）对含1wt%5wt%Cr的低合金耐蚀管钢进行焊接，研究Cr含量对焊接接头的组织、硬度和冲击韧性的影响，确定低合金耐蚀管线钢的最佳Cr含量。但Cr元素的加入会使低合金耐蚀管线钢碳当量或焊接冷裂纹敏感性指数提高，5提高淬硬倾向，影响焊接性能。国外有研究认为，02-24；收稿日期：2009-基金项目：作者简介：10-03修订日期：2009-1实验材料及方法低合金耐蚀管线钢实验材料经实验室冶炼制备，3wt%、5wt%（以下分别设计Cr含量分别为1wt%、北京市自然基金重大项目（3080001）胡丽华（1980），女，博士研究生，

8、主要从事低合金耐蚀3Cr、5Cr），简称为1Cr、轧制成10mm厚的钢板，再经线切割加工成所需要的试样。焊丝采用Cr含量为2.的（：G），62332458，E-发表论文4，mail：。第3期胡丽华等：Cr含量对低合金耐蚀管线钢焊接接头组织和性能的影响93的化学成分。焊接板厚度为10mm，开V型坡口，坡口角度=（60±5）°，钝边b=（2±0.5）mm，间隙c=（2±0.5）mm。为确保得到质量较好的焊接接头，采用TIG焊，由于低合金耐蚀管线钢添加了1wt%5wt%Cr元素，碳当量提高，为防止焊接热影响区产4生冷裂纹，故选择焊前预热及层间温度为200，焊接

9、工艺参数见表2。1000TM型硬度计测试焊接各区域组织，采用HXD-接头各区域显微硬度，载荷为200g。按照GB2649-89焊接接头机械性能试验取样方法从焊接板上切300B冲击试验机进行夏比冲取冲击试样。采用JB-击试验，试样尺寸为55mm×10mm×5mm，在试样中间开2mm的V型缺口，缺口位置分别开在母材、热影响区、熔合区及焊缝中心，实验温度为30，1450扫描电镜观察冲击试样断口形貌。采用LEO-表1Table1Material1Cr3Cr5CrWeldingwireC0.070.070.070.03母材及焊丝化学成分（wt%）Chemicalcomposition

10、ofbasemetalandweldmetal（wt%）Si00.50Mn0.550.550.551.15Cr1.003.005.002.23Mo51.05FeBal.Bal.Bal.Bal.2.1实验结果和分析组织观察1Cr为图1为低合金耐蚀管线钢母材显微组织，3Cr、5Cr组织呈不规则多边形铁素体加少量珠光体，铁素体贝氏体（或称无碳贝氏体）特征，该组织在原奥氏体晶内形成大致平行且起源于奥氏体晶界的条状铁素体束，在贝氏体相变区的上部温度范围内形成，铁素体内不含碳或近于无碳，富碳奥氏体转变产物及残余奥氏体分布在铁素体板条间。Cr元素溶入延长了珠光体转

11、变的奥氏体后提高了奥氏体稳定性，孕育期，降低了珠光体转变速率，使C曲线右移，导致贝氏体转变更易发生组织呈现贝氏体特征。7表2Table2Current/A80100Voltage/V12TIG焊焊接工艺参数ParametersofTIGweldingTungstenpolardiameter/mm1.6Protectgasflowing/（L·min1）67。因此，随着Cr含量增加，4%硝酸酒精溶液侵从焊接板上截取金相试样，蚀，利用LeicaDM2500M金相显微镜观察焊接接头图1Fig.1低合金耐蚀管线钢母材组织（a）1Cr；（b）3Cr；（c）5Cr（a）1Cr；（b）3Cr；（

12、c）5CrMicrostructureoflowalloycorrosionresistantpipelinesteels普通碳钢管线钢焊接接头由于合金含量较低，焊缝组织一般由沿奥氏体边界析出的先共析铁素体和晶内有方向性的细小针状铁素体组成。当焊缝金属中添加了Cr等合金元素后，焊缝组织发生改变，先共析铁素体和针状铁素体随Cr含量增加呈快速减少趋M-A相弥散分布在基势，铁素体逐渐被贝氏体取代，8体相中。低合金耐蚀管线钢焊接接头焊缝区组织3种焊接接头焊缝由于采用同种焊丝，如图2所示，含量提高，铁素体晶粒尺寸减小，所占比例降低，粒状贝氏体比例相应提高。图3为低合金耐蚀管线钢焊接接头中熔合区（FZ）组

13、织。1Cr焊接接头熔合区组织较均匀，焊缝与热影响区以多边形铁素体和粒状贝氏体自然过渡。母材Cr含量提高对接头熔合区有显著影响，当Cr含量提高至3wt%时，尽管焊缝金属与母材Cr含量十分但熔合区仍呈现明显的不均匀性，部分区域以接近，94材料热处理学报第31卷Cr含量提高至5wt%时，焊接接头熔合区存在明显锯齿状的熔合分界线，熔合线两侧组织存在显著差异。这种熔合区的组织不均匀特性，将会对冲击韧性产生较大的影响。图2Fig.2焊缝组织（a）1Cr；（b）3Cr；（c）5CrMicrostructureofweldmetals（WM）（a）1Cr；（b）3Cr；（c）5Cr图3Fig.3熔合区组织（a

14、）1Cr；（b）3Cr；（c）5Cr（a）1Cr；（b）3Cr；（c）5CrMicrostructureoffusionzone（FZ）图4为低合金耐蚀管线钢焊接接头的粗晶热影响区组织。1Cr焊接接头粗晶热影响区晶粒长大不明显，组织以多边形块状铁素体为主，存在极少量粒状贝氏体。3Cr和5Cr焊接接头粗晶热影响区中的原奥氏体晶粒发生明显长大，这可能是因为该区域所经历的热循环过程超过了碳化物、氮化物等弥散化合物的溶解温度，对晶界迁移的阻碍作用消失，晶粒迅速长大，晶内组织在冷却过程中大部分转变成粒状贝氏体。5Cr母材合金含量较高，淬硬倾向提高，使焊接接头粗晶热影响区晶内产生少量低碳马氏体。图4Fig

15、.4粗晶热影响区组织（a）1Cr；（b）3Cr；（c）5Cr（a）1Cr；（b）3Cr；（c）5CrMicrostructureofheataffectedzone2.2硬度低合金耐蚀管线钢母材的Cr含量不同，相应的焊接接头各个区域的显微组织存在较大差异，这将直接接头的总体硬度随母材Cr含量增加呈升高趋势，见图5。1Cr和3Cr焊接接头硬度峰值出现在熔合线附近，而5Cr则出现在热影响区。焊缝一侧，三者硬第3期胡丽华等：Cr含量对低合金耐蚀管线钢焊接接头组织和性能的影响95别。1Cr焊接接头热影响区硬度与母材相当，明显低于熔合线附近。3Cr焊接接头硬度由熔合线经热影过渡平缓。5Cr焊接接头热影响

16、区至母材逐渐降低，响区宽度增加，硬度高于焊接接头其他部位，与1Cr和3Cr相比，其热影响区和母材之间的硬度差异十分明显，相差超过100HV。根据低合金钢碳当量公式Cr元素的加入可大大提高材料的焊接冷计算可知，增大热影响区的淬硬倾向，易出现裂纹敏感性指数，5淬硬组织。Cr元素添加量为1wt%3wt%时，由于低合金耐蚀管线钢中含碳量较低，焊接冷裂纹敏感性指数仍满足管线钢的所要求的最高上限值；当Cr元素添加量达5wt%时，低合金耐蚀管线钢的焊接冷裂纹敏感性指数已超出管线钢的要求，显微组织观察发现5Cr焊接接头粗晶热影响区中生成了低碳马氏体（图4c），因此其焊接接头热影响区硬度大大提高。图6低合金耐蚀

17、管线钢焊接接头各区夏比冲击韧性Fig.6Impactenergyoflowalloycorrosionresistantpipelinesteelandweldjoint接接头各个区域的冲击断口均以韧窝状韧性断裂为主，其中3Cr焊接接头熔合区的微观断口特征如图7（a）所示。5Cr焊接接头中，缺口开在母材区的冲击试样断口亦表现为韧窝状韧性断裂特征，缺口开在热影响区、熔合区及焊缝时，冲击试样断口出现明显的5Cr熔合区断口如图7放射区域，微观上呈河流花样，（b），表现出解理断裂特征。图5低合金耐蚀管线钢焊接接头硬度分布图HardnessdistributionofweldjointsforFig.5

18、lowalloycorrosionresistantpipelinesteel2.3冲击韧性低合金耐蚀管线钢焊接接头各个区域的冲击韧3Cr、5Cr三种母材和焊缝的冲击性如图6所示。1Cr、功相近，表明Cr含量对母材和焊缝的冲击韧性影响不大。三种焊接接头热影响区和熔合区的冲击功则出现明显差异，随Cr含量增加均呈下降趋势。1Cr焊接接头粗晶区以块状铁素体为主，晶粒长大不明显，冲击韧性较好，随Cr含量提高，粗晶热影响区原奥氏体晶粒长大，晶内组织由粒状贝氏体取代了铁素焊接接头粗体导致韧性下降。且Cr含量达5wt%时，晶热影响区产生硬度较高的低碳马氏体，进一步降低韧性。随Cr含量提高，熔合区组织变得不均

19、匀，也会。焊图7冲击试样断口SEM微观形貌（a）3Cr熔合区断口；（b）5Cr熔合区断口Fig.7SEMmicrographsshowingmorphologyofimpactfracture；（96材料热处理学报第31卷3结论2）焊接接头的整体硬度随Cr含量增加呈上升趋势，冲击韧性呈下降趋势，尤其当Cr含量达5wt%时，硬度的提高和冲击韧性的下降尤为明显；3）低合金耐蚀管线钢设计Cr含量宜保持在1wt%3wt%，可具有较好的焊接性能。参考文献1）低合金耐蚀管线钢的Cr含量越高，焊接接头粗晶热影响区晶粒尺寸越大，熔合区组织越不均匀，易出现淬硬组织；1MurakiT，NoseK，AsahiH.D

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