X80鋼管環焊縫接頭的顯微組織與力學性能

    試驗對象為(wei) 1219mm×22.0mm（外徑×壁厚）的X80M鋼對接環焊縫接頭。取樣位置如圖1所示。平焊位取樣位置為(wei) 0點方向，立焊位取樣位置為(wei) 3點方向，仰焊位取樣位置為(wei) 6點方向。

    在環焊縫接頭平焊位、立焊位和仰焊位焊縫橫截麵上截取金相試樣，用OLS 4100型激光共聚焦顯微鏡觀察焊縫的宏觀形貌和顯微組織。

    在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ象限取焊接接頭板狀拉伸試樣，試樣平行段寬度為(wei) 19mm。在平焊位和仰焊位截取全焊縫棒狀拉伸試樣，試樣平行段直徑為(wei) 10mm，標距為(wei) 50mm，分別采用SHT4106型和UTM5305型材料試驗機進行拉伸試驗。在平焊位、立焊位和仰焊位焊縫中心和熔合線的內(nei) 表麵、外表麵截取衝(chong) 擊試樣，試樣尺寸為(wei) 10mm×10mm×55mm（長度× 寬度× 高度），采用PIT752D-2型衝(chong) 擊試驗機進行衝(chong) 擊試驗。試驗溫度為(wei) -10℃，每組測3個(ge) 試樣，取平均值。采用KB30BVZ-FA型維氏硬度計在立焊位和仰焊位截取焊接接頭硬度試樣，進行維氏硬度測試，壓痕位置如圖2所示。

    分別在焊口平焊位、立焊位和仰焊位的焊縫和熔合線處各取1件CTOD試樣，試樣為(wei) 三點彎曲試樣，試樣公稱寬度為(wei) 32mm，厚度為(wei) 16mm。采用整體(ti) 刀口試樣。依據標準GB/T 21143—2014《金屬材料 準靜態斷裂韌度的統一試驗方法》，GB/T 28896—2013《金屬材料 焊接接頭準靜態斷裂韌度測定的試驗方法》，加載速率為(wei) 1mm/min；采用斷口分析儀(yi) 對裂紋長度進行測量，測量精度為(wei) 0.001mm。

    不同焊接位置處焊接接頭的宏觀形貌如圖3所示。由圖3可知：平焊位，立焊位和仰焊位焊接接頭均無氣孔、夾渣、未熔合等焊接缺陷，焊接層數均為(wei) 10層11道。焊接接頭的顯微組織形貌如圖4所示。母材組織由粒狀貝氏體(ti) 組成，焊縫組織由晶內(nei) 成核針狀鐵素體(ti) 加少量的粒狀貝氏體(ti) 和多邊鐵素體(ti) 組成，粗晶區組織由粒狀貝氏體(ti) 組成，細晶區組織由多邊鐵素體(ti) 和少量的馬氏體(ti) 、奧氏體(ti) 島狀組織組成。

2.2.1 拉伸性能

    焊接接頭的拉伸試驗結果如表1所示。由表1可知：4個(ge) 象限焊接接頭的抗拉強度基本相同，且都在母材區斷裂。

    平焊位和仰焊位全焊縫拉伸應力-應變曲線如圖5所示。由圖5可知：兩(liang) 個(ge) 全焊縫拉伸試樣的屈服強度和抗拉強度也很接近，說明環焊縫接頭在各個(ge) 象限的強度比較均勻。

2.2.2 衝(chong) 擊性能

    焊接接頭的夏比衝(chong) 擊試驗結果如表2所示。由表2可知：立焊位焊縫和熱影響區的平均衝(chong) 擊吸收能量比平焊位和仰焊位低。平焊位和仰焊位焊縫和熱影響區的韌性更好。平焊位、立焊位和仰焊位焊縫的衝(chong) 擊吸收能量低於(yu) 熱影響區。

2.2.3 硬度

    焊接接頭的維氏硬度測試結果如表3所示。由表3可知：立焊位焊縫和熱影響區的平均硬度高於(yu) 仰焊位。立焊位焊縫的硬度比熱影響區高，仰焊位焊縫和熱影響區的硬度基本相同。

2.2.4 CTOD試驗

    焊接接頭的CTOD試驗結果如表4所示（按GB/T 21143—2014標準計算的CTOD 值為(wei) δ_m1，按ISO 15653—2018《金屬材料 焊接的準靜態斷裂測定用試驗方法》標準計算的CTOD值為(wei) δ_m2，V_g為(wei) 總缺口張開位移，V為(wei) 缺口張開位移）。由表4可知：按照ISO 15653—2018計算的CTOD值比按照GB/T 21143—2014計算的值高35%左右；平焊位、立焊位和仰焊位焊縫的CTOD值均低於(yu) 熱影響區，這與(yu) 衝(chong) 擊試驗結果一致。在管線鋼領域，夏比衝(chong) 擊試驗與(yu) CTOD試驗通常用來測試評價(jia) 材料的韌性。衝(chong) 擊吸收能量與(yu) CTOD值越高，材料的韌性越好。

    CTOD試樣斷口宏觀形貌如圖6 所示。由圖6可知：斷口由4部分組成，分別是黑色的機械加工缺口、灰色的預製疲勞裂紋區、較深色的裂紋擴展區和壓斷區。

    （1）平焊位，立焊位和仰焊位焊接接頭均無氣孔、夾渣、未熔合等焊接缺陷。母材組織由粒狀貝氏體(ti) 組成，焊縫組織由晶內(nei) 成核針狀鐵素體(ti) 加少量的粒狀貝氏體(ti) 、多邊鐵素體(ti) 組成，粗晶區組織由粒狀貝氏體(ti) 組成，細晶區組織由多邊鐵素體(ti) 和少量的馬氏體(ti) 、奧氏體(ti) 島狀組織組成。

    （2）環焊縫焊接接頭在4個(ge) 象限的抗拉強度基本相同，平焊位和仰焊位全焊縫拉伸試樣的屈服強度和抗拉強度也很接近，說明環焊縫接頭在各個(ge) 象限的強度比較均勻。

   （3）立焊位焊縫和熱影響區的平均衝(chong) 擊吸收能量比平焊位和仰焊位低。立焊位焊縫和熱影響區的平均硬度高於(yu) 仰焊位。平焊位、立焊位和仰焊位焊縫的CTOD值均低於(yu) 熱影響區，這與(yu) 衝(chong) 擊試驗結果一致。在管線鋼領域，通常用夏比衝(chong) 擊試驗與(yu) CTOD試驗來評價(jia) 材料的韌性。衝(chong) 擊吸收能量與(yu) CTOD值越高，材料的韌性越好。