预处理工艺对焊管焊接残余应力的影响

原始试样的残余应力分布图显示X80焊管焊接接头处表面的残余应力均为压缩残余应力(图5-5a)，这与文献中提到的其它埋弧焊的焊接接头表面的残余应力分布结果类似。在X80焊管焊接过程中，由于热输入不均匀以及冷却速度较快导致焊接接头处微观组织的膨胀过程受阻是焊接接头处产生压缩残余应力的主要原因，并且由于疲劳试样在制作过程中引入了新的表面压缩应力，因此原始焊接接头处疲劳试样表面残余应力均为压缩残余应力。在埋弧焊的焊接过程中，熔池中的焊接材料是逐层冷却的，与热影响区相比，焊缝区域内的晶粒生长自由度较大，因此焊接接头处的压缩应力最小值处出现在焊缝上。此外，焊接时先对内焊缝进行焊接，内焊缝焊接结束后，当进行外焊缝焊接时，热量的再次输入相当于对已经完成的内焊缝进行了退火处理，导致试样外焊缝压缩残余应力的普遍大于内焊缝的压缩残余应力。由于细晶区内铁素体的产生使该区域成为最软的区域(图5-11a)，在焊接结束后的冷却过程中受到焊接材料凝固时体积膨胀的挤压最为严重，导致此处压缩残余应力最大[163]，因此压缩残余应力最大值处出现在了细晶区内。原始试样去应力退火后焊接接头处表面整体残余应力平均恢复了51 MPa，残余应力的最大值和最小值处均未发生变化(图5-5b)。去应力退火后试样在疲劳裂纹萌生区域的残余应力相较于原始试样恢复了45 MPa。

为了研究在去应力退火后残余应力发生变化的机理，通过透射电子显微镜观察了去应力退火前后试样内部的微观组织结构变化(图5-12)，所测区域为各去余高试样的疲劳裂纹萌生位置所在的粗晶区。

图5-12a和5-12c显示X80焊管粗晶区的微观组织主要由粒状贝氏体(GB)组成。较大的块状M/A组元分布在贝氏体的晶界夹角处，薄膜状的M/A组元分布在贝氏体板条间的晶界处。由于X80焊管的碳含量较少，因此观察到仅有少量的碳化物在晶粒内部分布，与XRD物相检索中未出现明显的碳化物峰位的结果相符(图5-10a)。经过去应力退火之后，未观察到晶粒形貌发生变化，粗晶区内微观组织仍然主要由原奥晶界内的粒状贝氏体组成，贝氏体晶界夹角处的块状M/A组元和贝氏体板条间的薄膜状M/A组元依然清晰可见，并且碳化物的数量也比较少(图5-12b和5-12d)。结果表明X80焊管粗晶区内的微观组织形貌并没有受到250℃去应力退火的影响。

然而，通过放大观察后发现去应力退火前后粗晶区中晶粒内部的位错分布变化较大(图5-12e和5-12f)。原始试样晶粒内部的位错分布较为混乱，位错多为弯曲状的，该位错含有较高的位错应变能[143]，同时说明原始试样内位错的变化主要是由交滑移运动引起的，位错经过交滑移运动形成了几处较为明显的位错堆积。经过去应力退火后，试样粗晶区中晶粒内部位错分布近似成直线，弯曲状的位错数量明显减少，并且由于位错密度的小幅增加(图5-10b)，在晶粒内部的位错堆积现象略多于原始试样。去应力退火后疲劳裂纹萌生区域内残余应力恢复的主要原因是位错平直化导致的(图5-12f)。去应力退火提供的能量促使本来弯曲的位错向直线转变，而直线分布的位错可以有效地减小位错长度(图5-11a)，因而具有更小的位错应变能[143]，降低了晶粒内部的残余应变(图5-7b)，因此去应力退火后残余应力得以恢复。同时，位错平直化过程中位错分布较为均匀，晶粒内部取向差减小(图5-8b和5-9b)，导致区域内残余应力分布较为均匀。

预应变试样焊接接头处残余应力80%以上面积变为拉伸残余应力是由于预拉伸过程中的拉伸变形导致的，预拉伸结束后弹性变形阶段产生的变形开始恢复，恢复过程中试样内部各晶粒之间互相产生拉力，即拉伸残余应力产生(图5-5c)。拉伸残余应力的最大值发生在焊缝上，与压缩残余应力的最小值处相符，但该试样内压缩残余应力最小值处却变换至试样厚度中心的内外焊缝相交处细晶区内，其主要原因是预应变过程是由拉伸试验机完成的，相对于试样的夹持表面来说，试样内部变形程度最小，再加上细晶区内铁素体导致的大量残余压缩应力[163]，因此预应变后残余应力最小值出现在该处。虽然预应变试样相较于原始试样在疲劳裂纹萌生区域的残余应力数值上增加了251 MPa，但是该处残余应力的绝对值减小了77 MPa，更加接近于0值(无残余应力状态)。

经过预应变后，X80焊管焊接接头处的位错密度显著上升(图5-10b)，通过TEM观察预应变试样的粗晶区也可以看出，与原始试样相比，测试区域内的位错数量明显增加(图5-14a)。虽然在晶粒内部发现了一些局部位错堆积现象(图5-14c)，但是经过预应变后位错主要集中在晶界处且堆积现象非常严重，由此导致残余应力主要集中于晶界处，晶内残余应力相对较小(图5-7a)。同时预应变推动晶粒内部取向趋于一致(图5-8c和5-9c)，其晶粒内部取向差值平均值比原始试样下降了17.46%，因此预应变后疲劳裂纹萌生区域的平均残余应力绝对值减小至87 MPa。

预应变后去应力退火试样内部压缩残余应力和拉伸残余应力均有恢复，且与预应变试样相比，残余应力分布更加均匀，整体残余应力分布更接近无应力状态。虽然该试样疲劳裂纹萌生区域仍为拉伸残余应力，其数值为54 MPa，但是相比于原始试样，该区域残余应力的绝对值更是减小了110 MPa。堆积在晶界处的位错在预应变试样的退火过程中移动至晶粒内部(图5-14b)，晶粒内部位错密度较高但分布较为均匀，位错堆积现象有所减少(图5-14d)。堆积在晶界处的位错应变能较高，位错运动至晶粒内部后降低了位错应变能[164]，促使晶粒内的残余应变明显减小(图5-7d)，同时晶粒内部均匀分布的位错促进了晶粒内部取向差值进一步减小(图5-8d和5-9d)，从而减小了预应变后退火试样的残余应力。

此外，通过对比不同应力状态下试样内部KAM分布图以及去应力退火过程中位错的运动模型图可以看出去应力退火对残余应力大的区域产生的恢复作用更大(图5-7和图5-13)，更容易推动残余应力恢复。此结果表明位错应变能较高的区域在退火过程中更容易诱发位错运动，对应力释放的驱动力更大，从而促使晶粒内部残余应力恢复幅度较大。