應變時效對大口徑X80管線鋼拉伸性能的影響

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(湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司技術質量部，湘潭 411101)

0 引 言

鋼的應變時效是指經冷塑性變形后在室溫下長期放置或經100～300 ℃短時保溫后，鋼的強度和硬度增加、塑性降低、屈強比明顯升高的現象[1]。產生應變時效的主要原因是塑性變形引起位錯增殖,使鋼產生加工硬化，同時引起晶格畸變，使碳、氮、硼等間隙固溶原子的固溶能力下降，在隨后的室溫長期放置或100～300 ℃保溫過程中，加工硬化還未發生回復，而間隙固溶原子向位錯偏聚形成Cottrell氣團釘扎位錯，導致鋼的力學性能發生變化[2]。應變時效現象主要發生在低碳鋼中，鋼中的氮、氧、銅等元素能顯著提高其應變時效傾向，而鎳元素會降低應變時效傾向[3]。

采用直縫埋弧焊(LSAW)工藝制管時，其成型、擴徑以及靜水壓過程都會使管線鋼產生應變，制管后又要在200～250 ℃下進行防腐涂層處理[4]，因此管線鋼將不可避免地產生應變時效。近年來，大口徑、大壁厚、大輸送壓力的輸送條件對高鋼級管線鋼的性能提出了更高的要求。然而隨著管線鋼強度的提高，應變時效對其拉伸性能的影響越發明顯[5]，但目前有關應變時效對拉伸性能影響程度的量化或半量化的研究報道并不多。

為掌握高鋼級管線鋼發生應變時效后的拉伸性能變化情況，作者以大口徑X80管線鋼為研究對象，對其進行應變為0.5%～3.0%拉伸加載，卸載后分別進行室溫放置120 h和200～250 ℃保溫30 min的時效處理，再進行拉伸試驗，研究了拉伸預應變和時效溫度對拉伸性能的影響；采用LSAW工藝將X80管線鋼制成鋼管，研究了制管擴徑率對該鋼拉伸性能的影響，并確定了適宜的制管擴徑率。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為φ1 422 mm大口徑管線用X80管線鋼板，厚度分別為16.3，25.7，30.8 mm，由湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司提供，其化學成分(質量分數)為≤0.08%C，≤0.3%Si，1.6%～2.0%Mn，≤0.012%P，≤0.002%S，0.25%～0.45%(Cr+Mo)，0.25%～0.45%(Cu+Ni)，0.06%～0.08%(Nb+V+Ti)，≤0.05%Al，≤0.000 5%B，0.002 9%～0.003 4%N，0.000 9%～0.001 2%O，余Fe；該管線鋼采用熱機械軋制(TMCP)，顯微組織主要由鐵素體、貝氏體和馬氏體-奧氏體(M/A)島組成。

按照ASTM A370標準，在不同厚度試驗鋼板上分別截取矩形和圓棒形拉伸試樣。矩形試樣為全厚度試樣，寬度為38 mm，標距為50 mm；圓棒形試樣的取樣位置在鋼板1/2厚度處，厚度為25.7，30.8，16.3 mm鋼板上截取的試樣直徑分別為12.7，12.7，6.4 mm，標距均為50 mm。在WAW-2000D型微機控制電液伺服萬能試驗機和WDW-300KN型微機控制電子萬能試驗機上分別將矩形和圓棒形試樣以應變速率為0.000 5 s-1拉伸至預應變為0.5%～1.2%，立即卸載，在室溫時效120 h左右，再在上述兩種設備上進行拉伸試驗，拉伸加載過程為：屈服前進行等速應力加載，拉伸速度為3 mm·min-1；屈服后采用等速應變加載，應變速率為0.002 s-1，當屈服后位移增至1 mm時進行快速拉伸，最大拉伸速度為30 mm·min-1。在相同條件下對未進行拉伸預應變的試樣進行拉伸試驗。

在厚度為16.3 mm的鋼板上橫向截取矩形拉伸試樣，尺寸同上，在WAW-2000D型微機控制電液伺服萬能試驗機上拉伸至預應變為0.5%～3.5%，應變速率為0.000 5 s-1，立即卸載，分別在室溫,200，230，250 ℃進行時效處理，室溫時效時間為120 h，加熱時效時間為30 min，再在試驗機上進行拉伸試驗，拉伸加載過程同上。

在某鋼管廠對不同厚度的X80管線鋼進行工業化LSAW制管，主要工藝流程為板探→銑邊→預彎邊→成型→預焊→內焊→外焊→超聲波探傷/X射線探傷→擴徑→靜水壓試驗→倒棱→再次超聲波探傷/X射線探傷→管端磁粉檢驗→防腐和涂層，擴徑率分別為0.5%～0.6%和0.7%～0.8%。在鋼管上橫向截取圓棒形拉伸試樣，尺寸同上，在EDL-300KN型液壓萬能試驗機上進行拉伸試驗，拉伸加載過程同上。

試驗鋼經拉伸預應變和時效處理后，將發生應變時效，因此后文將此過程簡稱為應變時效。

2 試驗結果與討論

2.1 拉伸預應變和時效溫度對拉伸性能的影響

由圖1可見：未應變時效試樣的拉伸曲線呈連續屈服的拱頂形；室溫應變時效后試樣的拉伸曲線出現一加工硬化變緩的屈服段，但整體上仍為拱頂形；對比可見，室溫應變時效后試樣的屈服強度明顯增大，抗拉強度變化較小，屈強比增大。

圖1 室溫應變時效前后25.7 mm厚矩形試樣的真實應力-應變 曲線(預應變為0.9%)Fig.1 True stress-strain curves of 25.7 mm thick square specimen before and after strain aging at room temperature (at pre- strain of 0.9%)

(1)

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(3)

表1不同拉伸預應變下不同試樣室溫應變時效前后拉伸性能的變化

Tab.1Tensilepropertychangesbeforeandafterstrainagingatroomtemperatureofdifferentspecimenswithdifferenttensilepre-strains

由圖2可知：應變時效后試樣的屈服強度增量、抗拉強度增量和屈強比增量均隨預應變的增加而增大；200～250 ℃應變時效對拉伸性能的影響比室溫應變時效的大，尤其是在預應變為0.8%以上時更加明顯，這是因為在加熱條件下，間隙固溶原子的擴散和偏聚能力更強，導致其應變時效程度更大；但是當時效溫度由200 ℃升至250 ℃時，屈服強度增量、抗拉強度增量和屈強比增量并未表現出明顯增大的變化趨勢，甚至當拉伸預應變較大時反而出現了減小的變化趨勢。

圖2 不同溫度應變時效后試樣的拉伸性能變化隨拉伸預應變的變化曲線Fig.2 Change curves of tensile property variation vs tensile pre-stain of specimens after strain aging at different temperatures:

圖3 不同溫度應變時效后試樣的Rs-Rm隨拉伸預應變的 變化曲線Fig.3 Change curves of Rs-Rm vs tensile pre-strain of samples after strain aging at different temperatures

2.2 制管擴徑率對拉伸性能的影響

為保證鋼管的管徑、圓度、直度等精度，同時降低鋼管局部不均勻變形程度和殘余應力，制管擴徑率應在0.5%～1.5%[9]。試驗測得：當制管擴徑率為0.5%～0.6%時，試驗鋼制管前后的平均屈服強度增量為58 MPa，平均抗拉強度增量為13 MPa，平均屈強比增量為0.07；當制管擴徑率為0.7%～0.8%時，平均屈服強度增量為94 MPa，平均抗拉強度增量為16 MPa，平均屈強比增量為0.13。由此可見，制管擴徑對試驗鋼拉伸性能的影響非常明顯。由屈強比增量的大小，并考慮到擴徑后的涂層工序會使試驗鋼的應變時效變得更為嚴重，因此其制管擴徑率宜設定在0.5%～0.6%。

由圖4可知，當拉伸預應變與制管擴徑率相同時，抗拉強度增量的變化不大，但制管后的屈服強度增量和屈強比增量較大，制管擴徑率為0.5%～0.6%時的屈服強度增量和屈強比增量與拉伸預應變為1.0%時的相近。因此，在鋼廠采用拉伸預應變的方式探索高鋼級管線鋼制管擴徑率時，要充分考慮二者的差別。此外，盡管提出了諸多改善管線鋼應變時效的措施，如降低鋼中氮含量、降低屈強比和提高抗拉強度、控制鋼中各相比例、優化鋼管涂層溫度和時間等[10-13]，但是制管擴徑工藝對高鋼級管線鋼拉伸性能的影響還是很大。為此，開發消除或降低制管后加工硬化和殘余應變的后續處理工藝，是改善高鋼級管線鋼應變時效的一個研究方向。

圖4 拉伸預應變與制管擴徑率對試驗鋼拉伸性能的影響Fig.4 Effects of tensile pre-strain and pipe-making expanding ratio on tensile properties of tested steel

3 結 論

(1) 進行拉伸預應變+時效處理或制管擴徑后，試驗鋼出現應變時效現象，其屈服強度增大，抗拉強度變化較小，屈強比增大。

(2) 室溫應變時效后，拉伸預應變是影響試驗鋼屈服強度和屈強比提高的主要因素，室溫時效的影響較小；試樣的形狀和尺寸對屈服強度增量和屈強比增量的影響很小。

(3) 與室溫應變時效相比，200～250 ℃應變時效對試驗鋼拉伸性能的影響更大，但在200～250 ℃間時效溫度的改變對拉伸性能影響不大，在200～250 ℃應變時效后，試驗鋼屈服強度增量和抗拉強度增量的差值比室溫應變時效后的大。

(4) 當拉伸預應變與制管擴徑率相同時，制管擴徑率對試驗鋼屈服強度增量和屈強比增量的影響更加顯著，根據屈強比增量的大小，適宜的制管擴徑率在0.5%～0.6%。

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