微观结构演变对X80管道钢环焊缝冲击韧性的影响：基于原位EBSD技术的研究

《Materials Science and Engineering: A》：Effects of microstructure evolution on the impact toughness of X80 pipeline steel girth weld: by in-situ EBSD

X80管线钢环焊缝预应变诱导的微观结构演变与冲击韧性劣化机制研究，通过拉伸、冲击、SEM和原位EBSD分析，发现预应变加剧粗大板条贝氏体区应变不均匀，导致几何必需位错（GNDs）密度激增，引发裂纹早期萌生与失稳扩展，揭示晶界取向梯度与GNDs堆积是韧性降低主因。

　　

杨富来|尤一良|张世超|牛泽华|高飞|张正

北京航空航天大学材料科学与工程学院，北京100191，中国

摘要：

本研究量化了X80管道钢环焊缝中应变诱导的微观结构演变、几何必要位错（GNDs）积累与冲击韧性下降之间的关联。对预应变试样（0%、2%和4%）进行了拉伸试验、带传感器的夏比冲击试验（-10°C）、扫描电子显微镜（SEM）断口分析和原位电子背散射衍射（EBSD）研究。随着预应变的增加，屈服强度从497 MPa（0%）升高到537 MPa（2%）和574 MPa（4%），而冲击能量则从138 J急剧下降到22 J，进一步降至8 J。原位EBSD显示，应变积累促进了低角度亚晶界的形成以及明显的晶内取向梯度，尤其是在粗晶粒贝氏体中。与细晶粒贝氏体相比，粗晶粒贝氏体由于滑移不均匀性和取向不兼容性而具有有限的应变适应能力，导致严重的应变局部化。随着应变的积累，GNDs密度从$$迅速增加到1 $$，从分散的点状结构演变为晶内的条状结构以及晶界附近的高密度区域。冲击韧性的降低归因于应变诱导的位错堆积和晶界及M-A组分附近的应力集中，这促进了早期裂纹的产生和不稳定扩展。本研究为优化焊接工艺和提高高等级管道环焊缝的使用可靠性提供了微观结构基础。

引言

管道运输是长距离输送石油和天然气最安全、最具成本效益的方式[1]、[2]、[3]。高强度低合金钢（HSLA），特别是X80管道钢，被视为石油工业中长距离石油和天然气管道建设的关键材料。它具有优异的强度、韧性、可焊性和耐腐蚀性，已被广泛用于石油和天然气管道运输[4]。然而，在工程中，结构完整性通常由环焊缝决定，由于微观结构的不均匀性和焊接相关缺陷，环焊缝往往是薄弱环节[5]、[6]。目前，自保护药芯焊丝电弧焊（FCAW-S）工艺仍然是工程应用中的主要技术。在FCAW-S半自动焊接过程中，焊接道数、预热温度和道间温度等参数直接影响环焊缝的微观结构，从而影响其力学性能[7]。在服役过程中，管道还可能经历地质沉降、滑坡、地震等地面运动现象，不可避免地导致环焊缝处发生塑性变形。这种变形可能导致韧性降低，从而增加脆性断裂的风险[8]、[9]、[10]、[11]。由于环焊缝接头韧性降低而频繁发生的事故造成了巨大的经济损失[12]、[13]。

X80管道钢具有典型的双相铁素体/贝氏体（F/B）结构。双相材料的塑性变形行为取决于柔软的铁素体基体，而坚硬的贝氏体相限制了软相的变形。这种机械不兼容性导致应变局部化，并增强了金属的应变硬化能力[14]、[15]、[16]。在环焊缝金属中，微观结构同样不均匀，通常包含铁素体（F）、粒状贝氏体（GB）、条状贝氏体（LB）和马氏体-奥氏体（M-A）组分[13]、[17]。许多先前的研究将焊缝金属视为均匀微观结构，并将韧性变化归因于晶粒尺寸和M-A组分[18]、[19]、[20]、[21]。然而，这种简化忽略了实际上控制裂纹产生和扩展的应变分布的非均匀性和局部晶体学不均匀性。王等人[22]使用代表性体积元素（RVE）模型和EBSD技术研究了应变率对X80管道钢中铁素体/贝氏体应变分布行为的影响。结果表明，随着应变率的增加，从低角度晶界（LAGBs）向高角度晶界（HAGBs）的转变过程受到阻碍，导致铁素体内高密度几何必要位错（GNDs）的积累，从而加剧了应变局部化。同时，在高应变率下，铁素体和贝氏体之间的应变分布系数减小，铁素体和贝氏体分别呈现压缩和拉伸应力状态，增加了界面处的应力集中，从而降低了应变硬化能力。基于EBSD的应变映射技术（尤其是原位EBSD）的最新进展使得可以直接量化取向梯度、亚晶界形成以及变形过程中几何必要位错的演变。王等人[23]使用原位EBSD技术研究了正常应力和剪切应力下铁素体/贝氏体双相钢的拉伸力学性能和微观结构演变。结果表明，不同应力阶段下铁素体/贝氏体双相钢的强度和延展性存在显著差异。贝氏体主要影响正常应力下的钢的拉伸性能，其有限的变形能力导致钢具有高强度和低塑性。相比之下，在剪切应力下，铁素体在提高钢的延展性方面起着关键作用，但也会降低钢的强度。邵等人[24]研究了X65管道钢中过热粗晶粒热影响区（ICCGHAZ）的微观结构和力学性能，并比较了预应变和非预应变条件下的微观结构、断裂韧性和硫化物应力开裂（SSCC）敏感性。结果表明，M-A组分与基体之间的界面倾向于捕获氢原子，从而促进裂纹的产生。在预应变条件下，M-A组分周围的应力场加剧，更有可能导致裂纹扩展。同样，韩等人[25]研究了预应变对X65管道钢严重变形的CGHAZ中硫化物应力开裂（SSCC）敏感性的影响。结果表明，预应变对微观结构影响不大，但降低了塑性。在低热输入下获得的针状铁素体微观结构在预应变后同时提高了SSCC抗性和断裂韧性。在预应变条件下，M-A组分的界面被认为是微裂纹产生和聚合的潜在位置。彭等人[26]对X80管道钢在不同预应变和应变率下进行了慢应变率拉伸（SSRT）试验，以研究氢脆（HE）行为并确定解理断裂的特征。结果表明，预应变历史和较低的应变率增加了管道钢的氢脆敏感性。阙等人[27]研究了X80焊接接头的应变分布、变形行为和微观结构特性。结果表明，焊接区内的应变集中程度在不同拉伸阶段有所不同，导致焊接区严重损伤，最终导致断裂。张等人[28]通过结合实验和数值模拟研究了环焊缝的微观结构和硬度分布。基于数字图像相关（DIC）技术，获得了全厚度试样在拉伸加载过程中的拉伸应变响应。结果表明，应变集中首先发生在热影响区（HAZ）的外表面附近。郭等人[29]研究了不同应变老化条件下X80环焊缝金属的应变老化脆化行为。结果表明，应变老化后韧性显著降低，提高老化温度或延长老化时间会导致韧性降低直至完全屈服。在部分应变老化过程中，M-A组分（1-2μm）引发了解理断裂，而在完全应变老化后，亚微米级夹杂物导致了解理断裂。预应变和老化后的拉伸行为和力学性能受到微观结构依赖的应变老化现象的不同影响。随着多边形铁素体比例的增加，预应变和老化后的伸长率降低更加明显，而屈服强度比的增加略有减小。多边形铁素体对应变老化抗性具有矛盾的影响：尽管它降低了应变老化抗性，但仍有助于在应变老化后保持较高的均匀伸长率[30]。先前的研究表明，应变率、应力状态和预应变历史可以显著改变亚结构演变，并加剧相界面和M-A组分周围的应力/应变集中，从而促进损伤的产生和环境辅助裂纹。然而，对于通过多道FCAW-S生产的高等级X80环焊缝，将应变诱导的微观结构演变与低温冲击断裂行为联系起来的系统研究仍然有限。

在本研究中，本研究探讨了预应变如何改变X80环焊缝金属的力学响应和冲击韧性储备，并指出了其背后的微观机制。通过对具有控制预应变水平的试样进行拉伸试验，并结合带传感器的夏比冲击试验来分离裂纹产生和裂纹扩展能量的贡献。进一步使用原位EBSD跟踪变形过程中晶粒取向、亚晶界、局部错位和GNDs积累的演变。通过将这些微观结构指标与断裂行为相关联，本研究旨在为改善X80管道环焊缝在安装和服务过程中遇到的变形历史下的可靠性提供定量微观结构-性能框架。

实验材料与力学性能测试

基材为厚度为18.4 mm、直径为1016 mm的X80钢。根部焊接使用直径为1.2 mm的ER70S-G焊丝，填充焊接使用直径为2.0 mm的E81T8-Ni2J焊丝。环焊缝接头采用半自动焊接工艺制造，根部焊接采用药芯焊丝电弧焊（SMAW），填充层采用自保护药芯焊丝电弧焊（FCAW-S）。X80基材钢和焊缝金属的化学成分见表1。

在

微观结构

如图3a所示，X80环焊缝接头的微观结构包括焊缝金属（WM）、热影响区（HAZ）和基材（BM）。在焊接热循环的影响下，HAZ可以分为粗晶粒热影响区（CGHAZ）、细晶粒热影响区（FGHAZ）和过热区（ICHAZ）。试样采用多道多层工艺制造，从下到上，填充层分为根部焊接层、

微观结构演变与拉伸过程

本研究通过原位EBSD技术（图8）揭示了变形过程中的微观结构演变。原位EBSD结果表明，焊缝金属的塑性变形始于晶内滑移，并伴随着快速GND积累。这种不均匀的GND分布产生了内部应力，宏观上表现为屈服附近的应力水平升高和阶梯状的屈服平台（图6b）。图9比较了两种不同大小的晶粒：随着应变的增加，

结论

本研究通过结合原位EBSD技术研究了X80环焊缝的微观结构变形机制和力学性能，并讨论了预应变对冲击韧性的影响。结论总结如下：

• (1)
  在X80环焊缝金属的拉伸变形过程中，晶粒取向逐渐旋转，晶粒内部出现了明显的取向梯度，形成了低角度亚晶界。随着应变的增加，

作者贡献声明

杨富来：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，数据整理。尤一良：撰写 – 审稿与编辑。张世超：形式分析。牛泽华：软件处理。高飞：实验研究。张正：方法学研究

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了高钢管道环焊缝失效机理研究（项目编号WZXGL202105）的财政支持。

我们感谢北京航空航天大学分析与测试中心提供的设施和科学技术支持。