Study and Analysis of Crack Propagation in the Weld Metal of X70 Steel // Etude et analyse de propagation des fissures dans le cordan de soudure de l’ acier X70

Abstract

يُستخدم الفولاذ API X70 على نطاق واسع في خطوط الأنابيب والمنشآت الخاصة بنقل الهيدروكربونات، حيث تمثل جودة الوصلات الملحومة عنصراً أساسياً لضمان الموثوقية الهيكلية. تهدف هذه الدراسة إلى دراسة تأثير المعالجات الحرارية بعد اللحام على تطور البنية الميكروية وسلوك انتشار الشقوق في منطقة اللحام (FZ) والمناطق المتأثرة حرارياً (HAZ). تشمل المنهجية التجريبية إعداد عينات ملحومة وفقاً للمعايير الصناعية، وتطبيق بروتوكولين للمعالجة الحرارية، وقياس الصلادة الميكروية في مختلف مناطق الوصلة، بالإضافة إلى التحليل الميكروهيكلي باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) وحيود الأشعة السينية (XRD). البروتوكول الأول يشمل تغيير درجة حرارة المعالجة بين 450°م و650°م بزيادات قدرها 50°م مع تثبيت زمن الثبات عند ساعتين، بينما يشمل البروتوكول الثاني تثبيت درجة الحرارة عند 550°م مع تغيير زمن الثبات من ساعة واحدة إلى خمس ساعات. كما تم إجراء اختبارات انتشار الشقوق تحت حمل ميكانيكي لتحديد العلاقة بين التغيرات الميكروهيكلية وسلوك الفشل بالشروخ. أظهرت النتائج أن المعالجة الحرارية عند حوالي 550°م تحسن التجانس الميكروهيكلي من خلال تقليل التدرجات الحرارية وتخفيف الإجهادات الداخلية، مما يؤدي إلى زيادة الصلادة نتيجة إعادة تنظيم الانزلاقات وتكون الكربيدات (Cr23C6, Ni3C). كما لوحظ تقليل حجم الحبيبات في منطقة اللحام، الأمر الذي انعكس على مقاومة أفضل لانتشار الشقوق. أما درجات الحرارة الأعلى (≥ 600°م) فتؤدي إلى نمو حبيبي زائد، وانخفاض الصلادة، وزيادة ملحوظة في سرعة انتشار الشقوق. توصلت الدراسة إلى أن نطاق المعالجة الحرارية الأمثل يقع بين 500 و550°م، مما يضمن توازناً مناسباً بين استقرار البنية الميكروية، تقليل الإجهادات المتبقية، وتحسين مقاومة انتشار الشقوق في وصلات API X70 الملحومة.

L’acier API X70 est largement utilisé dans les pipelines et les installations de transport des hydrocarbures, où la qualité des joints soudés représente un élément essentiel pour garantir la fiabilité structurelle. Ce travail vise à étudier l’influence des traitements thermiques post-soudage sur l’évolution microstructurale et le comportement de propagation des fissures dans la zone fondue (FZ) et les zones thermiquement affectées (HAZ). La méthodologie expérimentale comprend la préparation d’éprouvettes soudées selon des paramètres industriels, l’application de deux protocoles de traitements thermiques, la mesure de la microdureté dans les différentes zones du joint, ainsi que l’analyse microstructurale par microscopie électronique à balayage (SEM) et diffraction des rayons X (XRD). Le premier protocole consiste à varier la température de traitement entre 450 °C et 650 °C par crans de 50 °C avec un temps de maintien fixe de 2 heures, tandis que le second protocole consiste à maintenir la température fixe à 550 °C et à faire varier le temps de maintien de 1 à 5 heures. Des essais de propagation des fissures sous charge mécanique ont également été réalisés afin d’établir la relation entre l’évolution microstructurale et le comportement en fissuration. Les résultats montrent qu’un traitement thermique autour de 550 °C améliore l’homogénéité microstructurale grâce à la réduction des gradients thermiques et à l’atténuation des contraintes internes, entraînant une augmentation de la dureté due à la réorganisation des dislocations et à la formation de carbures (Cr23C6, Ni3C). Une réduction de la taille des grains a été observée dans la zone fondue, ce qui s’est traduit par une meilleure résistance à la propagation des fissures. En revanche, des températures plus élevées (≥ 600 °C) provoquent une recrudescence de la croissance granulaire, une baisse de dureté et une augmentation notable de la vitesse de propagation des fissures. L’étude conclut que la plage optimale de traitement thermique se situe entre 500 et 550 °C, assurant un compromis satisfaisant entre stabilité microstructurale, diminution des contraintes résiduelles et amélioration de la résistance à la fissuration dans les joints soudés API X70.

API X70 steel is widely used in pipelines and hydrocarbon transport installations, where the quality of welded joints is a crucial factor for structural reliability. This study aims to investigate the influence of post-weld heat treatments on microstructural evolution and crack propagation behavior in the fusion zone (FZ) and heat-affected zones (HAZ). The experimental methodology includes the preparation of welded specimens according to industrial parameters, the application of two heat treatment protocols, measurement of microhardness in different zones of the joint, and microstructural analysis using scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction (XRD). The first protocol involves varying the treatment temperature from 450 °C to 650 °C in 50 °C increments with a fixed holding time of 2 hours, while the second protocol involves fixing the temperature at 550 °C and varying the holding time from 1 to 5 hours. Mechanical crack propagation tests were also conducted to establish the relationship between microstructural evolution and fracture behavior. Results indicate that heat treatment around 550 °C improves microstructural homogeneity by reducing thermal gradients and relieving internal stresses, leading to increased hardness due to dislocation reorganization and carbide formation (Cr23C6, Ni3C). Grain size reduction was observed in the fusion zone, resulting in enhanced resistance to crack propagation. In contrast, higher temperatures (≥ 600 °C) cause excessive grain growth, decreased hardness, and a significant increase in crack propagation rate. The study concludes that the optimal heat treatment range lies between 500 and 550 °C, providing a balanced improvement of microstructural stability, residual stress reduction, and enhanced crack resistance in welded API X70 joints.