X52管线钢焊接接头低温力学性能与微观组织演变研究

《Materials Today Communications》：Low-Temperature Mechanical Properties and Microstructural Evolution of X52 Pipeline Steel Welded Joints

　　

为了厘清X52管线钢焊接接头的低温响应，研究人员在焊后热处理（PWHT）后研究了其力学性能、断裂行为及微观组织演变。在25和?60 °C下进行了拉伸和Charpy冲击试验，并通过电子背散射衍射（EBSD）检测了随后在?60 °C下进行亚零处理（SZT?60）前后的微观组织特征。在?60 °C时，母材的平均极限抗拉强度（UTS）和屈服强度（YS）分别从约519和432 MPa增加至607和475 MPa，而其平均伸长率从28.7%增加至35.3%。对于横向焊接（CW）试样，平均UTS从约505增加至575 MPa，而平均YS几乎保持不变，从406.0变至406.3 MPa，平均伸长率仅从17.3%略微变化至16.7%。所有CW拉伸试样均在焊缝金属（WM）内断裂。母材（BM）和热影响区（HAZ）的平均冲击吸收能量几乎保持不变，分别从290.7变至289.0 J和从292.7变至293.7 J，而WM的平均冲击吸收能量从242.3降至136.7 J，对应约43.6%的降幅。在?60 °C下，拉伸断口表面仍以韧性韧窝为主，而WM的冲击断口表面展现出明显的类解理小面和河流花样特征。微观组织分析表明，亚零处理对三个区域的中位晶粒尺寸影响有限，而在WM中观察到晶态分类和局部取向差特征的更明显变化。特别是，WM中亚结构晶粒的比例从76.9%增加至92.5%，并伴随着局部高取向差区域更局部化以及Schmid因子（SF）分布更集中。这些结果表明，WM在拉伸加载下是相对薄弱区域，并对低温冲击加载表现出最大敏感性，这可能与其相对粗大和不均匀的微观组织以及更不均匀的晶内取向特征有关。

全球“双碳”目标下，碳捕集、利用与封存（CCUS）成为减少化石能源碳排放的重要途径，而CO?管道作为大规模长距离输送的关键部件，其服役安全尤为关键。X52管线钢因其良好的强度、韧性与焊接性被广泛用于油气输送和CO?管道工程。然而，由于焦耳-汤姆逊效应，CO?管道在泄漏、放空、节流及快速泄压等极端瞬态条件下可能出现显著温降，使管道局部区域暴露于极低温度，增加焊接接头低温失效的风险。焊接接头作为管道结构的薄弱区域，其焊缝金属（WM）、热影响区（HAZ）和母材（BM）在焊接热循环作用下具有明显不同的微观组织，包括晶粒尺寸、晶界特征和晶体取向等差异。尽管焊后热处理（PWHT）能在一定程度上缓解焊接应力并改善局部微观组织状态，但难以完全消除焊接接头内部的微观组织不均匀性。以往研究多聚焦于常规条件下的焊接工艺优化、焊后强化或母材的低温性能，而对X52管线钢焊接接头在极低温下各区域的微观组织与力学响应的耦合研究尚不充分。此外，深冷处理（DCT）和亚零处理（SZT）作为微观组织调控手段受到关注，但针对X52焊接接头在极低温下强度、塑性和冲击韧性的差异化响应及其与晶粒特征、晶界分布和局部取向差的关系仍不清楚。为此，研究人员开展了本研究。

研究人员采用气体钨极氩弧焊（GTAW）根焊和焊条电弧焊（SMAW）填充、盖面的组合焊接工艺制备了Φ324 mm×11 mm×1200 mm的X52管线钢焊接接头，并进行PWHT。将仅经PWHT的试样标记为HT状态，将PWHT后再经?60 °C亚零处理1 h的试样标记为SZT?60状态。力学测试在25和?60 °C下进行，包括拉伸试验和Charpy冲击试验，试样取自BM、HAZ和WM三个区域，每个条件取3个平行试样，并用扫描电子显微镜（SEM）观察断口。微观组织表征采用电子背散射衍射（EBSD），分析晶粒尺寸、晶界特征、晶态分类、局部取向差（KAM）和Schmid因子（SF），并基于KAM值按应变梯度关系估算了几何必要位错（GND）密度。此外，依据GB/T 228等标准进行力学测试。

主要结果如下：

3.1 力学性能

3.1.1 拉伸性能：在?60 °C下，BM的平均极限抗拉强度（UTS）和屈服强度（YS）分别由约519和432 MPa提高至607和475 MPa，平均伸长率由28.7%增加至35.3%；横向焊接（CW）试样的平均UTS由约505 MPa提高至575 MPa，而YS几乎不变（406.0至406.3 MPa），平均伸长率仅由17.3%略变至16.7%。所有CW拉伸试样均在WM内断裂，表明WM为拉伸薄弱区域。

3.1.2 拉伸断口形貌：25和?60 °C下，BM和WM的拉伸断口均以韧窝为主，WM的韧窝尺寸不均匀并伴有撕裂棱，但低温下未出现明显韧脆转变，与伸长率变化较小相符。

3.1.3 冲击韧性：从25 °C降至?60 °C时，BM和HAZ的平均冲击吸收能量几乎不变（BM从290.7变至289.0 J，HAZ从292.7变至293.7 J），而WM从242.3 J降至136.7 J，降幅约43.6%，且数据离散度增大。

3.1.4 冲击断口形貌：?60 °C下，WM冲击断口出现大量类解理小面和河流花样，韧窝显著减少；HAZ和BM仍以韧窝和撕裂棱为主，与冲击能量变化一致。

3.2 微观组织演变

3.2.1 晶粒特性：SZT?60处理后，BM、HAZ和WM的中位晶粒尺寸变化有限（分别为2.26→2.19 μm、2.84→2.57 μm、4.32→4.29 μm），但WM的粒度分布略变宽，>10 μm晶粒比例由18.08%增至20.52%。

3.2.2 晶体取向特征：WM中<101>//Z0取向组分的面积分数由16.2%增至25.2%，而BM和HAZ变化不大，反映WM取向分布更集中。

3.2.3 晶界特征：三个区域均出现小角度晶界（LAGB）和中角度晶界（MAGB）分数增加、大角度晶界（HAGB）分数下降的现象；其中WM的LAGB呈局部连续带状分布，与其凝固组织不均匀性相关。

3.2.4 再结晶与亚结构：WM中EBSD分类的亚结构晶粒比例由76.9%增至92.5%，再结晶晶粒比例由21.4%降至4.79%，而BM和HAZ变化较小，表明WM晶内取向梯度增强。

3.2.5 局部取向差与GND密度：三个区域的平均KAM值均增大，BM增幅最大（0.40°→0.60°），WM由0.30°增至0.40°，估算的GND密度由1.69×10¹⁴增至2.25×10¹⁴ m^-2。WM的高KAM区域分布更局部化。

3.2.6 Schmid因子：WM的SF分布经SZT?60后更集中，高SF（>0.46）晶粒比例增加，平均SF约0.45，表明其滑移启动的取向倾向更强，而BM和HAZ的SF分布变化不大。

讨论认为，WM的粗大且不均匀的凝固组织及更不均匀的晶内取向特征是导致其低温冲击敏感性高的主要原因。在准静态拉伸下，局部塑性变形和应力再分布可渐进发展，使WM仍保持韧窝断裂和一定的伸长率；而在冲击载荷下，应力再分布时间不足，局部微观组织不均匀性促进裂纹萌生和扩展，导致解理主导断裂。SZT?60处理主要影响晶内取向状态和局部晶格畸变，而非晶粒尺寸，进一步加剧了WM的取向不均匀性和局部应变分配差异。

研究结论如下：（1）?60 °C下，BM的强度和伸长率提高，CW的UTS提高但YS和伸长率变化不大，所有CW试样断于WM，表明WM为拉伸薄弱区域；（2）BM和HAZ的冲击吸收能量在低温下几乎不变，而WM下降约43.6%，其冲击断口出现明显解理特征，而拉伸断口仍以韧窝为主，表明WM在准静态拉伸下保留塑性变形能力，但在低温冲击下韧性显著下降并趋向解理断裂；（3）SZT?60处理对中位晶粒尺寸影响有限，但BM的平均KAM值增幅最大，WM中亚结构晶粒比例、局部高KAM区域、GND密度及SF集中度均明显增加，表明该处理对WM的晶内取向状态和局部晶格畸变的影响强于对其晶粒尺寸的影响。