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石油天然气输送管道用管线钢需要采用大线能量焊接，然而对于高级别管线钢在这种情况下的焊接热影响区（HAZ）在显微组织的劣化和性能上的降低则严重限制了这些钢优良性能的发挥。采用外部添加法向这些钢中添加微小稳定的纳米氧化物，渴望改善其HAZ的显微组织和力学性能。本文应用Gleeble-2000焊接热模拟试验机、OLYMPUS-CK40M型金相显微镜、日立S-4800扫描电镜和NCINI750型冲击试验机等实验设备，对轧态外加纳米氧化物X80管线钢及其HAZ中的夹杂物、显微组织、冲击韧性和强韧化机制进行了研究，结果表明：1.轧态外加纳米氧化物X80管线钢及其HAZ中，纳米氧化物的添加，改变了夹杂物的尺寸和成分，0.02MgO%wt和0.02CaO%wt的添加减少夹杂物尺寸至1~2μm，且Mg、Ca元素进入到夹杂物中，在其周围造成贫Mn区，诱导针状铁素体形核。2.轧态外加纳米氧化物X80管线钢及其HAZ中，纳米MgO和纳米CaO的添加，可以减小晶粒尺寸。添加0.02MgO%wt和0.02CaO%wt的轧态实验钢，晶粒最为细小，分别为62.9μm和81.3μm，其焊接热影响区平均晶粒尺寸分别为121.7μm和137.6μm。3.外加纳米氧化物X80管线钢HAZ中，纳米氧化物的添加，使低温冲击韧性得到提高。与原料钢相比，0.02MgO%wt的添加，冲击韧性从121J提高到190J，且管线钢的断裂机制由解理断裂转变为韧窝型断裂。4.对于外加纳米氧化物X80管线钢在焊接热循环冷却阶段不同温度进行淬火，结果表明，加入0.02MgO%wt时，针状铁素体于620℃左右在复合夹杂物周围形核，在620℃~580℃时，铁素体明显伸长变粗；加入0.02CaO%wt时，针状铁素体于600℃左右在复合夹杂物周围开始形核，在600℃~580℃时，针状铁素体板条变粗，并向长度方向伸长。5.添加纳米MgO和纳米CaO后形成的复合夹杂物，可以诱导针状铁素体在焊接热影响区中形成，细化显微组织，分割晶粒，起到细晶强化作用；添加纳米氧化物后，M/A组元从板条状变为颗粒状呈弥散分布，减缓疲劳裂纹扩展，起到弥散强化作用，提高管线钢冲击韧性。