蔡曉靜， 林卓英， 孟祥琦， 姜晶晶， 劉 飛， 馮淼林

(上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海200240)

0 引言

X70管線鋼具有良好的力學(xué)性能，主要在油氣管道使用。焊接熱循環(huán)作用下，鋼管接頭熱影響區(qū)是一個在成分、組織以及性能有較大差異的不均勻體。裂紋尖端張開位移(Crack Tip Opening Displacement，CTOD)是評價焊接母材和焊接接頭防脆斷力學(xué)性能的重要參數(shù)，用于評估結(jié)構(gòu)安全可靠性［1］。

國內(nèi)外對焊接接頭強(qiáng)度韌性有一定研究［2-8］，Li等［2］通過斷口形貌和掃描電鏡研究了國產(chǎn)X70鋼焊管焊縫熱影響粗晶區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)和金相組織，發(fā)現(xiàn)改變焊接冷卻時間對粗晶區(qū)微觀組織和韌性有較大影響。Miao等［3-4］對海洋結(jié)構(gòu)用鋼S335G10+N埋弧焊焊接接頭進(jìn)行常溫下CTOD測試，表明該焊接接頭具有良好的斷裂韌性，不需焊后熱處理。Wang等［5］測試了海洋鉆井隔水管X80管線鋼焊接接頭在0℃時的斷裂韌性，發(fā)現(xiàn)熱影響區(qū)CTOD值大于焊縫中心金屬的值，而且焊縫中心金屬裂紋NP取向CTOD值大于NQ取向的值;文獻(xiàn)［6］中比較了兩種焊接工藝下鋼板焊接接頭0°C時的斷裂韌性，探討了免除焊后熱處理的可能性。

熱影響粗晶區(qū)(CGHAZ)在熔合線附近，屬于局部脆性區(qū)域，尤其在低溫環(huán)境下容易脆性破壞引起焊管開裂，需要對其斷裂韌性進(jìn)行討論。本文測試了X70管線鋼焊接接頭粗晶區(qū)－10℃的斷裂韌度并判斷其有效性，與焊縫中心、熱影響區(qū)CTOD值進(jìn)行分析比較，為工程設(shè)計和類似試驗(yàn)提供參考。

1 試樣

試樣取材于X70管線鋼焊管(直徑1 219 mm，厚度14．1 mm)埋弧焊焊接接頭。按 GB/T 2652—2008［9］和 GB/T228—2002［10］，采用標(biāo)準(zhǔn)棒狀試樣分別測得室溫下焊縫金屬和X70鋼母材的常規(guī)力學(xué)性能(見表1)。本文采用兩種三點(diǎn)彎曲試樣:全壁厚缺口焊縫試樣測定焊縫中心和熱影響區(qū)斷裂韌度，裂紋取向?yàn)镹P;表面缺口試樣測定熱影響粗晶區(qū)和細(xì)晶區(qū)斷裂韌度，裂紋取向?yàn)镹Q。圖1是試樣裂紋實(shí)際取向方式示意圖，其中:N為垂直焊縫方向;P為平行焊縫方向，Q為焊縫厚度方向。NP表示試樣長度方向垂直焊縫，裂紋擴(kuò)展方向平行焊縫;NQ表示試樣長度方向垂直焊縫，裂紋擴(kuò)展沿焊縫厚度方向。

表1 焊縫金屬和母材力學(xué)性能

圖1 試樣裂紋取向方式

全壁厚試樣(NP)如圖2(a)所示，尺寸見表2，符合標(biāo)準(zhǔn)BS7448-1［11］。由于試樣取材于焊管圓弧位置，不同于常規(guī)三點(diǎn)彎曲試樣，彎曲誤差在標(biāo)準(zhǔn)BS7448-2［12］規(guī)定的允許范圍內(nèi)。機(jī)械缺口加工前，對接頭缺口表面磨平，再用一定濃度硝酸酒精溶液進(jìn)行拋光蝕刻處理以區(qū)分焊縫中心金屬和熱影響區(qū)，然后分別在各自區(qū)域用線切割機(jī)加工機(jī)械缺口。

表面缺口試樣(NQ)如圖2(b)所示，尺寸見表2，符合標(biāo)準(zhǔn)BS7448-1［11］。試驗(yàn)后需進(jìn)行結(jié)果有效性評價，判斷裂紋尖端是否進(jìn)入熱影響粗晶區(qū)。

圖2 試樣示意圖(mm)

表2 試樣尺寸 mm

2 試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用MTSLandmark 500 kN電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)，高低溫COD規(guī)632．03F-30(標(biāo)距4 mm，工作溫度－100～150℃)，高低溫環(huán)境箱等，載荷傳感器和應(yīng)變引伸計精度為0．5級。圖3為試驗(yàn)實(shí)況圖，預(yù)制裂紋在常溫下進(jìn)行，斷裂試驗(yàn)在－10℃環(huán)境下進(jìn)行，低溫由液氮作為冷卻媒介，溫度通過集成軟件TestStarⅡChamber全程控制。為使試件準(zhǔn)確達(dá)到－10℃，在試件靠近加載部位貼熱電偶探測真實(shí)溫度，到達(dá)－10℃后保溫15 min。試驗(yàn)前用游標(biāo)卡尺準(zhǔn)確測量每個試樣尺寸并記錄。

圖3 試驗(yàn)實(shí)況圖

按照標(biāo)準(zhǔn)BS7448-1［11］對試樣進(jìn)行裂紋預(yù)制，不同試樣預(yù)制裂紋擴(kuò)展量見表1。預(yù)制疲勞裂紋由MTS Landmark試驗(yàn)機(jī)自帶程序Fatigue Toughness Testware控制進(jìn)行，采用正弦波加載，頻率8 Hz。斷裂試驗(yàn)通過MPT多用途軟件自編程序控制加載速率，應(yīng)力強(qiáng)度因子速率在0．2 ～3．0 MPa·m1/2/s。數(shù)據(jù)每隔 0．1 s采集一次，軟件自動記錄保存載荷F和缺口張開位移V。根據(jù)保存的數(shù)據(jù)繪制F－V曲線，并計算缺口張開位移塑性分量Vp。

斷裂試驗(yàn)完成后，試樣均放入高溫爐中，在350℃下保溫30 min后爐冷，進(jìn)行裂紋著色。取出試樣并打斷，進(jìn)行裂紋長度測量，對距離兩側(cè)表面0．01B(B為試樣厚度)位置取平均值，再和內(nèi)部等間距的7點(diǎn)測量長度取平均值，則裂紋長度由式(1)給出。斷裂韌度 δ0值由已經(jīng)測量得到的 B、W、a0、S、F 和 Vp按式(2)計算。式(2)中z表示引伸計裝卡位置與試樣表面的距離，此處為0;應(yīng)力強(qiáng)度因子系數(shù)見式(3);式(2)中σYS應(yīng)取裂紋尖端材料在－10℃時的屈服強(qiáng)度，計算熱影響區(qū)的CTOD時，取母材和焊縫中較大值;彈性模量取E=208 GPa，泊松比μ=0．3。拉伸試驗(yàn)測得常溫20℃時的材料性能，可按式(4)［12］轉(zhuǎn)化，式中，T以℃為單位。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

按照標(biāo)準(zhǔn)BS7448-2［12］相關(guān)規(guī)定，表面缺口試樣試驗(yàn)后需進(jìn)行結(jié)果有效性評價，判斷裂紋尖端是否進(jìn)入指定區(qū)域。試樣打斷后，取一邊沿跨距方向、B/2位置線切割，在靠近裂紋前緣的線切割面進(jìn)行拋光打磨準(zhǔn)備進(jìn)行金相分析。根據(jù)試件測量、試驗(yàn)計算并整理數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果匯總見表3。圖4為表面缺口試樣金相觀察面定位示意圖和實(shí)圖，圖5為試件裂紋尖端區(qū)域金相觀察圖。

表3 斷裂韌度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4 表面缺口試樣金相觀察區(qū)域示意圖和實(shí)圖

圖5 裂紋尖端附近區(qū)域金相圖

數(shù)據(jù)顯示，焊接接頭不同區(qū)域CTOD差異明顯，各區(qū)域平均值如圖6所示。焊縫中心金屬δm平均值為0．346 mm，而且離散性不大，表明該區(qū)域金屬性能均勻。焊縫區(qū)主要是焊條成分，為提高焊接接頭力學(xué)性能，可有針對性的選擇焊條。熱影響區(qū)呈現(xiàn)力學(xué)不均勻性，試樣H-3和H-7在斷裂試驗(yàn)中未出現(xiàn)最大力平臺，分別因?yàn)樵囼?yàn)初始非穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展和中途pop-in而停機(jī);其他試樣出現(xiàn)最大力平臺，δm大于焊縫中心金屬試驗(yàn)值，這與文獻(xiàn)［5］中的趨勢是一致的。表明熱影響區(qū)組織差異明顯，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果離散性較大，有必要進(jìn)一步討論熱影響細(xì)晶區(qū)和粗晶區(qū)的斷裂韌性。

圖6 各區(qū)域平均CTOD值

通過金相分析最終裂紋尖端所在區(qū)域，有效測試了細(xì)晶區(qū)和粗晶區(qū)的斷裂韌性。圖5中S-2、S-4試樣裂紋尖端所在區(qū)域組織主要為細(xì)小的多邊形鐵素體和珠光體，該區(qū)域母材發(fā)生重結(jié)晶而又不至于嚴(yán)重長大［13］，稱之為熱影響細(xì)晶區(qū)(FGHAZ)。S-2、S-4 試樣所測細(xì)晶區(qū)的CTOD是最大力平臺的δm值，平均值0．69 mm接近全壁厚熱影響區(qū)的試驗(yàn)值，表明細(xì)晶區(qū)在－10℃環(huán)境下仍有良好的低溫韌性。

如圖5(a)、(b)所示，熱影響粗晶區(qū)的組織主要由粗大的板條狀貝氏體和粒狀貝氏體組成，S-3、S-5試樣裂紋尖端位于該區(qū)域。圖5中S-3、S-5試樣最終裂紋前緣比S-2、S-4試樣更加尖銳，裂紋在粗晶區(qū)側(cè)向擴(kuò)展更長。表3中，S-3、S-5試樣在斷裂試驗(yàn)初始出現(xiàn)非穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展，所測δc平均值小于0．1 mm，該區(qū)域斷裂韌性遠(yuǎn)小于焊縫和其他熱影響區(qū)?？芍?0℃環(huán)境下，試樣熱影響粗晶區(qū)呈現(xiàn)低溫脆性，是焊接接頭啟裂薄弱環(huán)節(jié)，在工程設(shè)計中要尤其注意。

在焊接熱循環(huán)作用下，粗晶區(qū)內(nèi)奧氏體晶粒嚴(yán)重長大，冷卻后得到晶粒粗大的過熱組織，粗大粒狀貝氏體的形成是產(chǎn)生脆化的主要原因。隨著晶粒尺寸的增加，晶界處原子失配也更嚴(yán)重，更易產(chǎn)生微裂紋，從而導(dǎo)致脆斷強(qiáng)度的降低［14］。為提高粗晶區(qū)韌性，可以通過控制焊接線能量輸入。在大線能量條件下，粗晶區(qū)奧氏體粗化嚴(yán)重;在低線能量時，粒狀貝氏體韌性有所改善，同時出現(xiàn)部分針狀鐵素體組織，熱影響粗晶區(qū)韌性進(jìn)一步增強(qiáng)［15］。選擇較快的焊接冷卻速度，有利于粗晶區(qū)得到相對較小的粒狀貝氏體和針狀鐵素體組織，可以提高管線鋼焊縫止裂能力［16］。

4 結(jié)論

(1)X70管線鋼焊接接頭焊縫中心金屬低溫－10℃的斷裂韌性數(shù)值比較均勻，平均 CTOD值 δm=0．346 mm。熱影響區(qū)CTOD值比較分散，該區(qū)域材料性能不均勻，其中δm大于焊縫中心金屬試驗(yàn)值。

(2)通過金相顯微分析，可以有效判斷裂紋尖端所在區(qū)域，獲得細(xì)晶區(qū)和粗晶區(qū)的斷裂韌性。熱影響細(xì)晶區(qū)未發(fā)生粗化，組織為細(xì)小的多邊形鐵素體和珠光體，在－10℃環(huán)境下仍有良好的低溫韌性。粗晶區(qū)組織主要是板條狀貝氏體和粒狀貝氏體，而且晶粒尺寸粗大。該區(qū)域在－10℃時容易失穩(wěn)斷裂，呈現(xiàn)低溫脆性。

［1］ Zhu X K，Joyce J A．Review of fracture toughness(G，K，J，CTOD，CTOA)testing and standardization［J］．Engineering Fracture Mechanics，2012，85:1-46．

［2］ Li CW，Wang Y．Microstructure and toughness of coarse grain heataffected zone of domestic X70 pipeline steel during in-service welding［J］．Journal of Material Science，2011，46(3):727-733．

［3］ Leng SW，Miao Zm，Qiu F X，et al．Analysis of the relationship between CTOD toughness and micro mechanism of marine steel weld joints［J］．Applied Mechanics and Materials，2011，117(10):1867-1873．

［4］ Miao Z M，Miao T．CTOD testing and evaluation for weld joint for heavy thickness offshore structure steel S355G10+N［J］．Applied Mechanics and Materials，2012，117:1597-1601．

［5］ Wang P，Hu M J．Study on CTOD fracture toughness of welded joint of X80 marine drilling riser［J］．Advanced Materials Research，2011，228:1163-1168．

［6］ 王志堅，蔣 軍，王東坡，等．海洋平臺用鋼D36超大厚度焊接接頭 CTOD 試驗(yàn)［J］．焊接學(xué)報，2007，28(8):103-107．

［7］ Stephen M G， Richard S． Test results from round robin on precracking and CTOD testing of welds［J］．Journal of ASTM International，2008，9(5):275-310．

［8］ Fagerholt E，Stby E，Borvik T，et al．Investigation of fracture in small-scale SENT tests of a welded X80 pipeline steel using Digital Image Correlation with node splitting［J］．Engineering Fracture Mechanics，2012，96:276-294．

［9］ GB/T2652-2008，焊縫及熔敷金屬拉伸試驗(yàn)方法［S］．

［10］ GB/T228-2002，金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法［S］．

［11］ BS7448:Part1:1991，F(xiàn)racture mechanics toughness tests．Method for determination of KIC，critical CTOD and critical J values of metallic materials［S］．

［12］ BS7448:Part2:1997，F(xiàn)racture mechanics toughness tests．Method for determination of KIC，critical CTOD and critical J values of welds metallic materials［S］．

［13］ 陳小偉，田 鵬，聞 康，等．X70管線鋼焊接熱影響區(qū)組織和韌性研究［J］．熱加工工藝，2007，36(11):6-9．

［14］ 許金泉．材料強(qiáng)度學(xué)［M］．上海:上海交通大學(xué)出版社，2009:94．

［15］ 王 勇，韓 濤，劉 敏．X70管線鋼焊接熱影響區(qū)的局部脆化［J］．材料工程，1999(10):14-16．

［16］ 周 雄，劉順洪，段元威，等．t8/5對X70級管線鋼熱影響區(qū)粗晶區(qū)性能影響［J］．焊管，2008，31(6):22-26．