低合金钢焊接热影响区的微观组织和韧性研究进展

工程科学学报，第39卷，第5期：643-654,2017年5月 Chinese Journal of Engineering,Vol.39,No.5:643-654,May 2017 D0L:10.13374/j.issn2095-9389.2017.05.001;htp:/journals..usth.edu.cn 低合金钢焊接热影响区的微观组织和韧性研究进展 李秀程)，李学达2)，王学林”，夏佃秀3》，王学敏)，尚成嘉)四 1)北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心，北京1000832)中国石油大学机电工程学院.青岛266580 3)济南大学机械工程学院，济南250022 ☒通信作者，E-mail:cishang(@usth.edu.cm 摘要对钢结构而言，诸如海洋平台、船舶、桥梁、建筑和油气管线等，焊接后的性能直接决定了其服役寿命和安全性，重要 性不言而喻.在针对焊接相关问题的研究中，焊接热影响区的韧性提升一直是重点和难点.焊接热影响区会经历高达1400 ℃的高温，从而形成粗大的奥氏体晶粒，如果焊接参数控制不当，不能通过后续冷却过程中的相变细化组织，就会造成韧性的 降低.而多道次焊接的情况更为复杂，前一道次形成的粗晶区还会在后续焊接过程中经历二次热循环，从而形成链状M-A, 造成韧性的急剧下降.本文旨在对一些现有焊接热影响区的相关研究结果进行总结，探讨母材的成分、第二相及焊接工艺等 因素对热影响区微观组织和性能的影响，为低温环境服役的大型钢结构的焊接性能改善提供一些设计思路. 关键词低合金钢：焊接：热影响区(HAZ):显微组织：M-A:韧性 分类号TG401 Research progress on microstructures and toughness of welding heat-affected zone in low-alloy steel LI Xiu-cheng,LI Xue-da,WANG Xue-lin,XIA Dian-xiu,WANG Xue-min,SHANG Cheng-jia 1)Collaborative Innovation Center of Steel Technology,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China 2)College of Mechanical and Electronic Engineering,China University of Petroleum,Qingdao 266580,China 3)School of Mechanical Engineering,University of Jinan,Jinan 250022,China Corresponding author,E-mail:cjshang@ustb.edu.cn ABSTRACT The welding performance of steel structures such as offshore platforms,ships,bridges,buildings,and oil and gas pipelines directly determines the service life and safety of the structure,the importance of which cannot be minimized.In welding-re- lated research,the toughness of the welding heat-affected zone is a key issue.This zone experiences temperatures as high as 1400C. thereby causing the formation of coarse austenite grains.If the welding parameters are improperly controlled,microstructure refinement cannot be achieved by subsequent phase transformation,which results in decreased impact toughness.Multi-pass welding is even more complex,with the secondary heat input affecting the coarse-grain zone formed during the previous pass.This results in the formation of necklace-type M-A constituents,which also lead to deterioration in toughness.In this paper,the relevant research results were sum- marized with regarding the welding heat-affected zone and it was discuss that the composition of the parent material,the second phase, the welding process,and other factors effect the microstructures and properties of the heat-affected zone.This paper also offers ideas for improving the welding performance of large steel structures in low-temperature service circumstances. KEY WORDS low-alloy steel;welding;heat-affected zone (HAZ);microstructure M-A;toughness 随着我国钢铁工业的快速发展，钢材的强度等级 和EQ43级别提升到了EQ56和EQ70,管线钢从X65 在不断提升，例如海洋工程用钢的强度已经从EH36 提升到了X80,甚至X100,建筑和工程机械用钢也达 收稿日期：2016-12-19

工程科学学报,第 39 卷,第 5 期:643鄄鄄654,2017 年 5 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 39, No. 5: 643鄄鄄654, May 2017 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2017. 05. 001; http: / / journals. ustb. edu. cn 低合金钢焊接热影响区的微观组织和韧性研究进展 李秀程1) , 李学达2) , 王学林1) , 夏佃秀3) , 王学敏1) , 尚成嘉1) 苣 1) 北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心, 北京 100083 2) 中国石油大学机电工程学院, 青岛 266580 3) 济南大学机械工程学院, 济南 250022 苣 通信作者, E鄄mail: cjshang@ ustb. edu. cn 摘 要 对钢结构而言,诸如海洋平台、船舶、桥梁、建筑和油气管线等,焊接后的性能直接决定了其服役寿命和安全性,重要 性不言而喻. 在针对焊接相关问题的研究中,焊接热影响区的韧性提升一直是重点和难点. 焊接热影响区会经历高达 1400 益的高温,从而形成粗大的奥氏体晶粒,如果焊接参数控制不当,不能通过后续冷却过程中的相变细化组织,就会造成韧性的 降低. 而多道次焊接的情况更为复杂,前一道次形成的粗晶区还会在后续焊接过程中经历二次热循环,从而形成链状 M鄄鄄A, 造成韧性的急剧下降. 本文旨在对一些现有焊接热影响区的相关研究结果进行总结,探讨母材的成分、第二相及焊接工艺等 因素对热影响区微观组织和性能的影响,为低温环境服役的大型钢结构的焊接性能改善提供一些设计思路. 关键词 低合金钢; 焊接; 热影响区(HAZ); 显微组织; M鄄鄄A; 韧性 分类号 TG401 Research progress on microstructures and toughness of welding heat鄄affected zone in low鄄alloy steel LI Xiu鄄cheng 1) , LI Xue鄄da 2) , WANG Xue鄄lin 1) , XIA Dian鄄xiu 3) , WANG Xue鄄min 1) , SHANG Cheng鄄jia 1) 苣 1) Collaborative Innovation Center of Steel Technology, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) College of Mechanical and Electronic Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China 3) School of Mechanical Engineering, University of Jinan, Jinan 250022, China 苣 Corresponding author, E鄄mail: cjshang@ ustb. edu. cn ABSTRACT The welding performance of steel structures such as offshore platforms, ships, bridges, buildings, and oil and gas pipelines directly determines the service life and safety of the structure, the importance of which cannot be minimized. In welding鄄re鄄 lated research, the toughness of the welding heat鄄affected zone is a key issue. This zone experiences temperatures as high as 1400 益 , thereby causing the formation of coarse austenite grains. If the welding parameters are improperly controlled, microstructure refinement cannot be achieved by subsequent phase transformation, which results in decreased impact toughness. Multi鄄pass welding is even more complex, with the secondary heat input affecting the coarse鄄grain zone formed during the previous pass. This results in the formation of necklace鄄type M鄄鄄A constituents, which also lead to deterioration in toughness. In this paper, the relevant research results were sum鄄 marized with regarding the welding heat鄄affected zone and it was discuss that the composition of the parent material, the second phase, the welding process, and other factors effect the microstructures and properties of the heat鄄affected zone. This paper also offers ideas for improving the welding performance of large steel structures in low鄄temperature service circumstances. KEY WORDS low鄄alloy steel; welding; heat鄄affected zone (HAZ); microstructure ; M鄄鄄A; toughness 收稿日期: 2016鄄鄄12鄄鄄19 随着我国钢铁工业的快速发展,钢材的强度等级 在不断提升,例如海洋工程用钢的强度已经从 EH36 和 EQ43 级别提升到了 EQ56 和 EQ70,管线钢从 X65 提升到了 X80,甚至 X100,建筑和工程机械用钢也达

·644· 工程科学学报，第39卷，第5期 到了690MPa级甚至更高.虽然应用更高强度的钢材 0.4 在理论上具有减少用量，减轻结构自重，降低综合建造 成本等优势，但是钢材用量减少的同时也必然意味着 Ⅱ区（一定条件下 0.3 焊接可不冷裂) 要对钢结构的设计和施工提出更为严苛的要求，以保 Ⅲ区 证其服役寿命和服役安全.焊接作为钢铁材料应用的 1950:50级别 (高冷裂敏感性) 关键技术，直接决定了钢铁产品能否可以安全可靠地 0.2 应用于工程结构的建造.虽然长期以来科技工作者针 1960:50级别 高屈服强度：80级钢 对钢铁材料的焊接工艺及性能进行了大量的研究，但 I区（冷裂纹 是随着钢铁材料自身的发展和强度的提升，材料成分 不敏感， ○1980：80级别 100级高强度低合金钢 和微观组织设计都发生了变化，结构的设计和施工方 1980:100级别 超低碳贝氏体钢 案也会随之有所改变，所以仍然暴露出来不少新的问 0.3 0.4 0.50.60.7 1.0 题，其中焊接热影响区(heat affected zone,HAZ)的韧 碳当量/% 性问题尤为突出.本文旨在对一些现有焊接热影响区 图1热彩响区冷裂纹敏感性及1950一1990年不同级别钢的发 的相关研究结果进行总结，探讨母材的成分、第二相及 展变化情况山 焊接工艺等因素对热影响区微观组织和性能的影响， Fig.I Cold cracking sensitivity of heat-affected zone and the devel- 为低温条件服役大型钢结构的焊接性能提升提供一些 opment of different grades of steel from 1950 to1990] 设计思路 续变化的区域[6-)]，从焊缝/熔合线到母材所经历的最 高温度连续递减，按组织特征可以将焊接热影响区分 1焊接热影响区显微组织与韧性 为粗晶热影响区(coarse grained heat affected zone, 通常对低合金钢焊接的认识更多地是考虑控制成 CGHAZ)、细晶热影响区(fine grained HAZ,FGHAZ) 分以降低母材的焊接冷裂纹敏感性，低合金高强度钢 和临界热影响区(inter-.critically reheated HAZ, 焊接后热影响区冷裂纹的敏感性和钢中碳含量以及计 ICHAZ)等，图2给出了一种典型的管线钢的焊接热影 算的碳当量有着密切的关系[口，按冷裂纹敏感性可将 响区组织分布特征及其形成所经历的热循环过程. 钢的成分分成三个区域，如图1所示.当钢中的碳含 在碳含量或者碳当量较高的合金体系中，母材的 量较低时，即位于区域I时，碳当量的影响并不明显， 淬透性较强，热影响区粗晶区容易产生马氏体，从而导 即使碳当量较高时，钢材仍具有优良的焊接性能.由 致韧性下降，因此粗晶区易成为单道次焊接热影响区 此可见，大幅度降低钢的碳含量是解决焊接冷裂纹的 的薄弱环节2-.而对低碳低合金钢而言，在热输入量 有效途径，也正是由于这一理论的指引，低/超低碳贝 较低的情况下粗晶区组织主要为针状铁素体、粒状贝 氏体钢获得了飞速发展.对于低/超低碳贝氏体钢而 氏体及板条贝氏体或以上几种相的复合组织8-)，韧 言，组织强化的作用是主要的，而固溶强化的影响相对 性较高.不过当热输人量较大时，低碳低合金钢粗晶 较小.因此，虽然近年来多数结构钢的碳含量与碳当 区中冷速较低，极易导致大量多边形铁素体及脆性M- 量不断降低，但是通过采用组织细化和析出强化等措 A生成，严重损害冲击韧性).因此，在低碳低合金钢 施，钢材的强度级别却持续提高.通过自五十年代到 进行大热输入量焊接时，要采取适当措施避免冷速过 九十年代钢铁材料发展的轨迹可见，不仅钢材的强度 慢而造成含M-A脆性区的形成 级别不断提升，同时通过降低碳含量和碳当量，钢的焊 在双道次焊接和多道次焊接过程中，由于道次之 接性能也在不断改善。 间热循环作用，使焊接热影响区的组织构成变得较为 如今，钢结构对焊接韧性的要求更加严苛，并且应 复杂.由于受到两道次焊接的热循环作用，焊接热影 用于低温地区的需求越来越迫切，例如建设于中亚和 响区产生了多种差别较大的组织，依据组织的差异分 俄罗斯地区的管线工程对焊后韧性的测试温度降至 别命名为)：粗晶热影响区、细晶热影响区、临界热 -45℃：海洋平台用钢F级的测试温度已经达到了 影响区、临界粗晶热影响区(inter-.critically reheated -60℃，但是应用于极地区域时测试温度还会进一步 coarse grained HAZ,ICCGHAZ)、超临界粗晶热影响区 降低，所以对钢材焊接性能要求已经不再局限在避免 super-critically reheated coarse grained HAZ, 焊接冷裂纹，而更多地关注在焊接缝及热影响区的组 SCCGHAZ)、二次粗晶热影响区(secondary coarse 织调控上·目前国内外焊接工程的一个难题就是焊接 grained HAZ,CGHAZ')、二次细晶热影响区(secondary 热影响区由于存在局部脆性区，从而导致整个热影响 fine grained HAZ,FGHAZ')和二次临界热影响区 区的韧性严重恶化2-] (secondary inter-critically reheated HAZ,ICHAZ'). 对单道次焊接而言，焊接热影响区是一个组织连 不同区域所经历的热循环次数、峰值温度及冷速等各

工程科学学报,第 39 卷,第 5 期 到了 690 MPa 级甚至更高. 虽然应用更高强度的钢材 在理论上具有减少用量,减轻结构自重,降低综合建造 成本等优势,但是钢材用量减少的同时也必然意味着 要对钢结构的设计和施工提出更为严苛的要求,以保 证其服役寿命和服役安全. 焊接作为钢铁材料应用的 关键技术,直接决定了钢铁产品能否可以安全可靠地 应用于工程结构的建造. 虽然长期以来科技工作者针 对钢铁材料的焊接工艺及性能进行了大量的研究,但 是随着钢铁材料自身的发展和强度的提升,材料成分 和微观组织设计都发生了变化,结构的设计和施工方 案也会随之有所改变,所以仍然暴露出来不少新的问 题,其中焊接热影响区( heat affected zone, HAZ)的韧 性问题尤为突出. 本文旨在对一些现有焊接热影响区 的相关研究结果进行总结,探讨母材的成分、第二相及 焊接工艺等因素对热影响区微观组织和性能的影响, 为低温条件服役大型钢结构的焊接性能提升提供一些 设计思路. 1 焊接热影响区显微组织与韧性 通常对低合金钢焊接的认识更多地是考虑控制成 分以降低母材的焊接冷裂纹敏感性,低合金高强度钢 焊接后热影响区冷裂纹的敏感性和钢中碳含量以及计 算的碳当量有着密切的关系[1] ,按冷裂纹敏感性可将 钢的成分分成三个区域,如图 1 所示. 当钢中的碳含 量较低时,即位于区域玉时,碳当量的影响并不明显, 即使碳当量较高时,钢材仍具有优良的焊接性能. 由 此可见,大幅度降低钢的碳含量是解决焊接冷裂纹的 有效途径,也正是由于这一理论的指引,低/ 超低碳贝 氏体钢获得了飞速发展. 对于低/ 超低碳贝氏体钢而 言,组织强化的作用是主要的,而固溶强化的影响相对 较小. 因此,虽然近年来多数结构钢的碳含量与碳当 量不断降低,但是通过采用组织细化和析出强化等措 施,钢材的强度级别却持续提高. 通过自五十年代到 九十年代钢铁材料发展的轨迹可见,不仅钢材的强度 级别不断提升,同时通过降低碳含量和碳当量,钢的焊 接性能也在不断改善. 如今,钢结构对焊接韧性的要求更加严苛,并且应 用于低温地区的需求越来越迫切,例如建设于中亚和 俄罗斯地区的管线工程对焊后韧性的测试温度降至 - 45 益 ;海洋平台用钢 F 级的测试温度已经达到了 - 60 益 ,但是应用于极地区域时测试温度还会进一步 降低,所以对钢材焊接性能要求已经不再局限在避免 焊接冷裂纹,而更多地关注在焊接缝及热影响区的组 织调控上. 目前国内外焊接工程的一个难题就是焊接 热影响区由于存在局部脆性区,从而导致整个热影响 区的韧性严重恶化[2鄄鄄5] . 对单道次焊接而言,焊接热影响区是一个组织连 图 1 热影响区冷裂纹敏感性及 1950—1990 年不同级别钢的发 展变化情况[1] Fig. 1 Cold cracking sensitivity of heat鄄affected zone and the devel鄄 opment of different grades of steel from 1950 to 1990 [1] 续变化的区域[6鄄鄄7] ,从焊缝/ 熔合线到母材所经历的最 高温度连续递减,按组织特征可以将焊接热影响区分 为粗 晶 热 影 响 区 ( coarse grained heat affected zone, CGHAZ)、细晶热影响区( fine grained HAZ, FGHAZ) 和 临 界 热 影 响 区 ( inter鄄critically reheated HAZ, ICHAZ)等,图 2 给出了一种典型的管线钢的焊接热影 响区组织分布特征及其形成所经历的热循环过程. 在碳含量或者碳当量较高的合金体系中,母材的 淬透性较强,热影响区粗晶区容易产生马氏体,从而导 致韧性下降,因此粗晶区易成为单道次焊接热影响区 的薄弱环节[2鄄鄄4] . 而对低碳低合金钢而言,在热输入量 较低的情况下粗晶区组织主要为针状铁素体、粒状贝 氏体及板条贝氏体或以上几种相的复合组织[8鄄鄄10] ,韧 性较高. 不过当热输入量较大时,低碳低合金钢粗晶 区中冷速较低,极易导致大量多边形铁素体及脆性 M鄄鄄 A 生成,严重损害冲击韧性[11] . 因此,在低碳低合金钢 进行大热输入量焊接时,要采取适当措施避免冷速过 慢而造成含 M鄄鄄A 脆性区的形成. 在双道次焊接和多道次焊接过程中,由于道次之 间热循环作用,使焊接热影响区的组织构成变得较为 复杂. 由于受到两道次焊接的热循环作用,焊接热影 响区产生了多种差别较大的组织,依据组织的差异分 别命名为[12鄄鄄13] :粗晶热影响区、细晶热影响区、临界热 影响区、临 界 粗 晶 热 影 响 区 ( inter鄄critically reheated coarse grained HAZ, ICCGHAZ)、超临界粗晶热影响区 ( super鄄critically reheated coarse grained HAZ, SCCGHAZ)、二 次 粗 晶 热 影 响 区 ( secondary coarse grained HAZ, CGHAZ忆)、二次细晶热影响区(secondary fine grained HAZ, FGHAZ忆) 和 二 次 临 界 热 影 响 区 (secondary inter鄄critically reheated HAZ, ICHAZ忆) 等. 不同区域所经历的热循环次数、峰值温度及冷速等各 ·644·

李秀程等：低合金钢焊接热影响区的微观组织和韧性研究进展 ·645· 温度℃ 最高温度 焊缝金属一一 熔化温度 一一熔合区一一 粗品粒区（过热区） 1200 正火温度 正火区相变重结晶区，一 完全奥氏体 1000 转变温度 3 不完全重结品区 800 时效熔化区 奥氏体转变 600 开始温度 11 400 母材200 最高加热温度 0.20.5 05101520 25 碳含量（质量分数）% 时间/s b (c) :.2 熔合线 焊缝 热影响区 母材 图2管线钢焊接热影响区的组织分布特征].(a)焊接热影响区组织分布：(b)Fe-C状态图：()不同区域对应的热循环过程 Fig.2 Microstructure distribution characteristics of heat-affected zone of pipeline steel welding7]:(a)microstructure distribution of heat-affected zone;(b)Fe-C phase diagram;(c)thermal cycle process in different zones 不相同，导致产生的组织结构较为复杂，性能各异. 热到两相区而形成.所以该区域的组织更为复杂，并 图3和图4为一种X100管线钢双面直缝埋弧焊焊接 会造成不同位置冲击韧性的波动和差异.i等2)]通 接头的宏观形貌和各个亚区的微观组织照片， 过在X100管线钢双面埋弧焊等效熔合线和等效热 在低碳低合金钢中，一般认为临界粗晶区 影响区位置取样测试并进行对比研究，发现取样位 (ICCGHAZ)是焊后韧性最差的区域[u.4-2o],该区域 置的微小变化会造成韧性的显著差异：如果冲击试 组织由粗大的原奥氏体晶粒和沿晶界连续分布的 样的V型缺口处于等效熔合线位置，那么断裂面所 M-A组元（链状M-A)构成.临界粗晶热影响区在 经过的区域为：粗晶区、二次细晶区、临界粗晶区和 单道次焊接中不会产生，而是在双/多道次焊接中， 焊缝金属：如果冲击试样的V型缺口处于等效热影 由于道次之间交互热循环作用，使粗晶区被二次加 响区位置，那么断裂面所经过的区域为：粗晶区、细 第二道次 (外道次) 熔合线 粗品区 临界区 潮品区 二次细品区 二次临界区 二次相品区 超临界粗品区 临界区 细品区 临界粗品区 粗品区 临界纸品区 第一道次 (内道次) 4 mm 图3X100管线钢双面直缝埋孤焊焊接接头的宏观形貌照片[] Fig.3 Macro-morphology(]of double-pass welded joint of X100 pipeline steel with longitudinal submerged are welding

李秀程等: 低合金钢焊接热影响区的微观组织和韧性研究进展 图 2 管线钢焊接热影响区的组织分布特征[7] . (a) 焊接热影响区组织分布; (b) Fe鄄鄄C 状态图; (c) 不同区域对应的热循环过程 Fig. 2 Microstructure distribution characteristics of heat鄄affected zone of pipeline steel welding [7] : ( a) microstructure distribution of heat鄄affected zone; (b) Fe鄄鄄C phase diagram; (c) thermal cycle process in different zones 不相同,导致产生的组织结构较为复杂,性能各异. 图 3 和图 4 为一种 X100 管线钢双面直缝埋弧焊焊接 接头的宏观形貌和各个亚区的微观组织照片. 图 3 X100 管线钢双面直缝埋弧焊焊接接头的宏观形貌照片[12] Fig. 3 Macro鄄morphology [12] of double鄄pass welded joint of X100 pipeline steel with longitudinal submerged arc welding 在低 碳 低 合 金 钢 中, 一 般 认 为 临 界 粗 晶 区 ( ICCGHAZ)是焊后韧性最差的区域[11,14鄄鄄20] ,该区域 组织由粗大的原奥氏体晶粒和沿晶界连续分布的 M鄄鄄A 组元(链状 M鄄鄄 A) 构成. 临界粗晶热影响区在 单道次焊接中不会产生,而是在双 / 多道次焊接中, 由于道次之间交互热循环作用,使粗晶区被二次加 热到两相区而形成. 所以该区域的组织更为复杂,并 会造成不同位置冲击韧性的波动和差异. Li 等[21] 通 过在 X100 管线钢双面埋弧焊等效熔合线和等效热 影响区位置取样测试并进行对比研究,发现取样位 置的微小变化会造成韧性的显著差异:如果冲击试 样的 V 型缺口处于等效熔合线位置,那么断裂面所 经过的区域为:粗晶区、二次细晶区、临界粗晶区和 焊缝金属;如果冲击试样的 V 型缺口处于等效热影 响区位置,那么断裂面所经过的区域为:粗晶区、细 ·645·

·646· 工程科学学报，第39卷，第5期 图4X100管线钢双面直缝埋弧焊焊接接头的微观组织照片[)].(a)母材：(b)粗品热影响区：(c)细品热影响区：(d)临界热影响区： (e)临界粗晶热影响区：()焊缝金属 Fig.4 Microstructures(]of double-pass welded joint of X100 pipeline steel with longitudinal submerged are welding:(a)base metal;(b) CGHAZ:(c)FGHAZ:(d)ICHAZ:(e)ICCGHAZ:(f)weld metal 晶区和二次临界区.两者所经过的区域组织差异主 明显在等效熔合线开口的试样中冲击裂纹更容易形 要在二次临界区、二次细晶区以及临界粗晶区，如图 成和扩展，如图6所示. 5所示.临界粗晶区中的脆性组织决定了二者韧性 一股认为链状M-A是造成临界粗晶区韧性下降 的差异：等效热影响区开口试样的断裂面并没有经 的主要原因，但是关于其机理却众说纷纭.Li和Baker 过临界粗晶区，所以裂纹形成和扩展较难，韧性断口 提出M-A断裂和M-A与基体的分离都能成为脆性裂 占全部断裂面积的40%，冲击功较高：而临界粗晶区 纹形核的中心，如图7所示[uo].Davis及King在对焊 在熔合线开口试样中所占比例较高，其断口几乎全 接热影响区组织中链状M-A的研究中，直接地观察到 部为脆性，冲击功较低.冲击过程中记录的载荷-位 了M-A与基体分离现象，并且提出了四种M-A的致 移曲线也反映出了断裂过程中裂纹扩展的情况，很 裂机制[]， a 等效热彩响区等效熔合线 用品区 焊缝金属 粗品区+焊缝金风 细品区 粗品区 二次临界区 二次维品区 临界粗品区 留品区 临界用品区 粗区 粗品区 焊缝金属 2mm 等效熔合线处断口 2mm 图5等效熔合线和等效热影响区Charpy冲击测试开口位置(a)和等效熔合线处断口形貌与所处位置的对应示意图(b)【2) Fig.5 Schematic diagram of the V notch position of the Charpy impact test on the equivalent fusion line (a)and equivalent HAZ and the fracture surface and correlated position of the equivalent fusion-line impact test sample (b)(21]

工程科学学报,第 39 卷,第 5 期 图 4 X100 管线钢双面直缝埋弧焊焊接接头的微观组织照片[13] . (a) 母材; (b) 粗晶热影响区; (c) 细晶热影响区; (d) 临界热影响区; (e)临界粗晶热影响区; (f) 焊缝金属 Fig. 4 Microstructures [13] of double鄄pass welded joint of X100 pipeline steel with longitudinal submerged arc welding: ( a) base metal; ( b) CGHAZ; (c) FGHAZ; (d) ICHAZ; (e) ICCGHAZ; (f) weld metal 晶区和二次临界区. 两者所经过的区域组织差异主 要在二次临界区、二次细晶区以及临界粗晶区,如图 图 5 等效熔合线和等效热影响区 Charpy 冲击测试开口位置(a)和等效熔合线处断口形貌与所处位置的对应示意图(b) [21] Fig. 5 Schematic diagram of the V notch position of the Charpy impact test on the equivalent fusion line (a) and equivalent HAZ and the fracture surface and correlated position of the equivalent fusion鄄line impact test sample (b) [21] 5 所示. 临界粗晶区中的脆性组织决定了二者韧性 的差异:等效热影响区开口试样的断裂面并没有经 过临界粗晶区,所以裂纹形成和扩展较难,韧性断口 占全部断裂面积的 40% ,冲击功较高;而临界粗晶区 在熔合线开口试样中所占比例较高,其断口几乎全 部为脆性,冲击功较低. 冲击过程中记录的载荷鄄鄄 位 移曲线也反映出了断裂过程中裂纹扩展的情况,很 明显在等效熔合线开口的试样中冲击裂纹更容易形 成和扩展,如图 6 所示. 一般认为链状 M鄄鄄A 是造成临界粗晶区韧性下降 的主要原因,但是关于其机理却众说纷纭. Li 和 Baker 提出 M鄄鄄A 断裂和 M鄄鄄A 与基体的分离都能成为脆性裂 纹形核的中心,如图 7 所示[16] . Davis 及 King 在对焊 接热影响区组织中链状 M鄄鄄A 的研究中,直接地观察到 了 M鄄鄄A 与基体分离现象,并且提出了四种 M鄄鄄A 的致 裂机制[19] : ·646·

李秀程等：低合金钢焊接热影响区的微观组织和韧性研究进展 ·647· (a) 粗晶区 粗晶区 (b) 焊缝+粗晶区 临界粗晶区 5%韧性 40%韧性 剪切唇 60%脆性 95%脆性 2 mm 等效热影响区断口 2 mm 等效熔合线断口 等效热影响区 3 等效熔合线 120 100 E 0 E E 60 E 40 E E 10 位移mm (E,一起裂功：E2一裂纹扩展功：E3一脆性裂纹扩展吸收功：E4一断后功：P一最高载荷： P一脆性裂纹开始扩展时的载荷：P一脆性裂纹止裂时的载荷) 图6等效熔合线断口的宏观形貌(a)和等效热影响区位置断口的宏观形貌(b)及位移-载荷曲线(c)2)] Fig.6 Fracture surfaces of equivalent fusion line (a)and equivalent heat affected zone (b)and instrumented Charpy impact load-deflection curves (e)2】 b I um 注：一裂纹萌生：C一裂纹 图7M-A与微裂纹形成.(a)M-A的断裂；(b)M-A与基体分离[16 Fig.7 M-A and formation of micro-cracks:(a)fracture of M-A;(b)separation of M-A and base metal(] (1)M-A自身为脆性相，易于开裂从而引发裂纹 (2)相变时在基体中形成的残余拉应力，利于解 的萌生； 理断裂的发生：

李秀程等: 低合金钢焊接热影响区的微观组织和韧性研究进展 (E1—起裂功;E2—裂纹扩展功;E3—脆性裂纹扩展吸收功;E4—断后功;Pm—最高载荷; Pf—脆性裂纹开始扩展时的载荷;Pa—脆性裂纹止裂时的载荷) 图 6 等效熔合线断口的宏观形貌(a)和等效热影响区位置断口的宏观形貌(b)及位移鄄鄄载荷曲线(c) [21] Fig. 6 Fracture surfaces of equivalent fusion line (a) and equivalent heat affected zone (b) and instrumented Charpy impact load鄄鄄deflection curves (c) [21] 注:I—裂纹萌生; C—裂纹 图 7 M鄄鄄A 与微裂纹形成. (a) M鄄鄄A 的断裂; (b) M鄄鄄A 与基体分离[16] Fig. 7 M鄄鄄A and formation of micro鄄cracks: (a) fracture of M鄄鄄A; (b) separation of M鄄鄄A and base metal [16] (1) M鄄鄄A 自身为脆性相,易于开裂从而引发裂纹 的萌生; (2) 相变时在基体中形成的残余拉应力,利于解 理断裂的发生; ·647·