ASTM4130钢焊接接头组织与性能研究

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ASTM 4130钢以优良的力学性能被应用为海洋平台高压管线材料。高压管线强度高、管壁厚,又是中碳调质钢,焊接性较差,焊接难度较大,焊接热影响区(HAZ)的脆化和裂纹倾向也很严重,使得焊接接头成为高压输油管线的薄弱环节。本文就是以ASTM 4130钢为研究对象,通过焊接性试验,利用光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、拉伸和冲击试验机、维氏硬度计等工具来研究母材和接头的组织与性能。ASTM 4130钢组织主要由回火索氏体组成。该钢碳当量高达0.73~0.80,焊接性比较差,焊前应该预热。采用多层多道焊,并添加回火焊道,预热温度250±10℃,焊后热处理(PWHT)温度为645±10℃,保温时间135~165 min,升温和降温速度≤150℃/h,可获得综合性能优良的焊接接头。插销试验预热100℃和200℃时临界断裂应力为642.55 MPa和806.11 MPa,比未预热时分别提高了86.5%和134.0%。预热温度提高,临界断裂应力逐渐增大。热影响区最高硬度试验中熔合线附近硬度最高,未预热时硬度高达566 HV10,而经过150℃、200℃、250℃预热后,峰值硬度即可降到455~490 HV10范围内,预热温度为300℃时,峰值硬度下降到345 HV10。预热减少了焊缝热影响区中淬硬组织,缓解了钢材本身的冷裂敏感性。热影响区最高硬度试验与插销试验中粗晶区组织均由马氏体和贝氏体组成。焊态时,焊缝组织主要是针状铁素体和少量珠光体,HAZ组织为马氏体、贝氏体和铁素体;PWHT后,焊缝组织为铁素体、少量珠光体和颗粒状碳化物,HAZ组织主要为回火索氏体、铁素体和贝氏体。延长PWHT保温时间,碳化物逐渐析出,组织逐渐均匀细化。PWHT保温时间延长,抗拉强度呈现先升高后降低的趋势;HAZ和母材的硬度逐渐降低,焊缝硬度变化不大;HAZ最高硬度点出现在靠近熔合线处,之后随着与熔合线距离的增加,硬度值逐渐减小,在距离熔合线3.0~4.0 mm范围内出现硬度值最低点;HAZ出现了回火软化现象。焊缝和熔合线附近是接头韧性较差的部位,且熔合线附近的韧性值波动较大,母材冲击韧性最高;部分熔合线与HAZ韧性较低,形成HAZ脆性区。延长PWHT保温时间,HAZ的韧性逐渐提高,焊缝和熔合线处韧性虽有一定程度的改善,但变化不大。
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