X80鋼管環焊縫接頭的顯微組織與力學性能

    試驗對象為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0點方向，立焊位取樣位置為3點方向，仰焊位取樣位置為6點方向。

    在環焊縫接頭平焊位、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，標距為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表面、外表面截取沖擊試樣，試樣尺寸為10mm×10mm×55mm（長度× 寬度× 高度），采用PIT752D-2型沖擊試驗機進行沖擊試驗。試驗溫度為-10℃，每組測3個試樣，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，試樣為三點彎曲試樣，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1mm/min；采用斷口分析儀對裂紋長度進行測量，測量精度為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，粗晶區組織由粒狀貝氏體組成，細晶區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結果如表1所示。由表1可知：4個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：兩個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象限的強度比較均勻。

2.2.2 沖擊性能

    焊接接頭的夏比沖擊試驗結果如表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。

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于仰焊位。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δ_m2，V_g為總缺口張開位移，V為缺口張開位移）。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值均低于熱影響區，這與沖擊試驗結果一致。在管線鋼領域，夏比沖擊試驗與CTOD試驗通常用來測試評價材料的韌性。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，分別是黑色的機械加工缺口、灰色的預制疲勞裂紋區、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組成，焊縫組織由晶內成核針狀鐵素體加少量的粒狀貝氏體、多邊鐵素體組成，粗晶區組織由粒狀貝氏體組成，細晶區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）環焊縫焊接接頭在4個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象限的強度比較均勻。

   （3）立焊位焊縫和熱影響區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，這與沖擊試驗結果一致。在管線鋼領域，通常用夏比沖擊試驗與CTOD試驗來評價材料的韌性。沖擊吸收能量與CTOD值越高，材料的韌性越好。