X80鋼管環(huán)焊縫接頭的顯微組織與力學(xué)性能

    試驗(yàn)對(duì)象為1219mm×22.0mm（外徑×壁厚）的X80M鋼對(duì)接環(huán)焊縫接頭。取樣位置如圖1所示。平焊位取樣位置為0點(diǎn)方向，立焊位取樣位置為3點(diǎn)方向，仰焊位取樣位置為6點(diǎn)方向。

    在環(huán)焊縫接頭平焊位、立焊位和仰焊位焊縫橫截面上截取金相試樣，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10mm，標(biāo)距為50mm，分別采用SHT4106型和UTM5305型材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。在平焊位、立焊位和仰焊位焊縫中心和熔合線的內(nèi)表面、外表面截取沖擊試樣，試樣尺寸為10mm×10mm×55mm（長(zhǎng)度× 寬度× 高度），采用PIT752D-2型沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)溫度為-10℃，每組測(cè)3個(gè)試樣，取平均值。采用KB30BVZ-FA型維氏硬度計(jì)在立焊位和仰焊位截取焊接接頭硬度試樣，進(jìn)行維氏硬度測(cè)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，試樣為三點(diǎn)彎曲試樣，試樣公稱寬度為32mm，厚度為16mm。采用整體刀口試樣。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21143—2014《金屬材料 準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗(yàn)方法》，GB/T 28896—2013《金屬材料 焊接接頭準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度測(cè)定的試驗(yàn)方法》，加載速率為1mm/min；采用斷口分析儀對(duì)裂紋長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量精度為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(shù)均為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組成，焊縫組織由晶內(nèi)成核針狀鐵素體加少量的粒狀貝氏體和多邊鐵素體組成，粗晶區(qū)組織由粒狀貝氏體組成，細(xì)晶區(qū)組織由多邊鐵素體和少量的馬氏體、奧氏體島狀組織組成。

2.2.1 拉伸性能

    焊接接頭的拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1可知：4個(gè)象限焊接接頭的抗拉強(qiáng)度基本相同，且都在母材區(qū)斷裂。

    平焊位和仰焊位全焊縫拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示。由圖5可知：兩個(gè)全焊縫拉伸試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度也很接近，說明環(huán)焊縫接頭在各個(gè)象限的強(qiáng)度比較均勻。

2.2.2 沖擊性能

    焊接接頭的夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可知：立焊位焊縫和熱影響區(qū)的平均沖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(qū)的韌性更好。平焊位、立焊位和仰焊位焊縫的沖擊吸收能量低于熱影響區(qū)。

2.2.3 硬度

    焊接接頭的維氏硬度測(cè)試結(jié)果如表3所示。由表3可知：立焊位焊縫和熱影響區(qū)的平均硬度高于仰焊位。立焊位焊縫的硬度比熱影響區(qū)高，仰焊位焊縫和熱影響區(qū)的硬度基本相同。

2.2.4 CTOD試驗(yàn)

    焊接接頭的CTOD試驗(yàn)結(jié)果如表4所示（按GB/T 21143—2014標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的CTOD 值為δ_m1，按ISO 15653—2018《金屬材料 焊接的準(zhǔn)靜態(tài)斷裂測(cè)定用試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的CTOD值為δ_m2，V_g為總?cè)笨趶堥_位移，V為缺口張開位移）。由表4可知：按照ISO 15653—2018計(jì)算的CTOD值比按照GB/T 21143—2014計(jì)算的值高35%左右；平焊位、立焊位和仰焊位焊縫的CTOD值均低于熱影響區(qū)，這與沖擊試驗(yàn)結(jié)果一致。在管線鋼領(lǐng)域，夏比沖擊試驗(yàn)與CTOD試驗(yàn)通常用來測(cè)試評(píng)價(jià)材料的韌性。沖擊吸收能量與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(jī)械加工缺口、灰色的預(yù)制疲勞裂紋區(qū)、較深色的裂紋擴(kuò)展區(qū)和壓斷區(qū)。

    （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組成，焊縫組織由晶內(nèi)成核針狀鐵素體加少量的粒狀貝氏體、多邊鐵素體組成，粗晶區(qū)組織由粒狀貝氏體組成，細(xì)晶區(qū)組織由多邊鐵素體和少量的馬氏體、奧氏體島狀組織組成。

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

   （3）立焊位焊縫和熱影響區(qū)的平均沖擊吸收能量比平焊位和仰焊位低。立焊位焊縫和熱影響區(qū)的平均硬度高于仰焊位。平焊位、立焊位和仰焊位焊縫的CTOD值均低于熱影響區(qū)，這與沖擊試驗(yàn)結(jié)果一致。在管線鋼領(lǐng)域，通常用夏比沖擊試驗(yàn)與CTOD試驗(yàn)來評(píng)價(jià)材料的韌性。沖擊吸收能量與CTOD值越高，材料的韌性越好。