預應變對含焊縫區X80管線鋼應變響應特征及拉伸性能的影響

武 剛 羅金恒 許光達 朱麗霞 李麗鋒 陳翠翠

1.石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室 2.中國石油集團石油管工程技術研究院3.中石油管道有限責任公司西部分公司

0 引言

隨著我國天然氣管道建設業務的不斷推進，大口徑、高壓力的X80管線鋼輸氣管道備受青睞[1]。上述管道基本上使用的都是大直徑雙面螺旋縫埋弧焊鋼管，在使用過程中，由于增壓使得管道產生塑性變形，從而引起材料的加工硬化，導致管線鋼局部性能退化而過早失效[2-3]。國內外一些學者通過預拉伸變形來模擬管道增壓形成的這種拉應力，以此為基礎來研究預變形對高級管線鋼拉伸性能的影響[4-6]。Liu等[4]研究了預應變對X80管線鋼拉伸性能的影響，試驗結果表明塑性應變產生的預應變能夠引起加工硬化（Work/Strain Hardening）現象，鋼材的屈服應力由于拉伸預應變的加工硬化而增大，其作用程度的大小取決于鋼材的屈強比（Y/T）。Chen和Ni等[5-6]分別研究了X70管道“近縫帶”焊縫的拉伸應變能力和應變硬化性能，并發現焊縫區域具有較強的抗斷裂性能以及較高的應變能力，同時焊接接頭較母材具有較高的應變硬化速率和應變硬化指數。Eriksson等[7]通過對鋼焊接中拉應力引起的應變硬化研究，認為預變形后引起的應變硬化主要與位錯的增值、纏繞有關，并且預變形量越大，位錯的密度越大，應變硬化程度越大。目前針對預變形引發的硬化現象研究主要集中在母材或焊縫對拉伸性能的影響，而當發生預變形時，焊縫區域和母材區域會發生協同應變響應，在各區域引起的應變硬化程度也不同，所產生的拉伸性能變化也不同，但是對于這種含焊縫區域管線鋼的整體性研究尚缺乏報道。

為此，通過研究預變形（1%、3%和5%）對含焊縫區域X80管線鋼應變響應特征和力學性能變化規律，采用XTDIC系統測量拉伸過程中管線鋼母材區域和焊縫區域應變的實時響應情況，以此來模擬管線鋼在服役環境中受到塑性變形形成的微應變，以及這種微應變在焊縫區域形成的應變硬化對管材整體性的影響規律，以期為高通量管線鋼增壓過程的安全評價提供依據。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗材料為采用雙面螺旋縫埋弧焊X80管線鋼，其中母材區域與焊縫區域的化學組成如表1所示（除表中所示成分之外的剩余成分為Fe）。

表1 含焊縫區域的X80管線鋼的化學組成表

1.2 預變形及與變形后拉伸試驗

試驗采用含焊縫區域的X80管線鋼板材，預拉伸試樣截面尺寸為18.4 mm×40 mm，標距（L0）為200 mm，平行長度（Lc）240 mm，試樣的總長度為340 mm。

預變形試驗在WAW-600C型伺服萬能試驗機上進行預拉伸變形，并采用位移控+力控衡量變形量，拉伸速率按 GB/T 228.1—2010[8]的規定取 2 mm/min。預拉伸變形量分別為1%、3%和5%。

經預拉伸變形后的試樣在均勻變形區內，進一步加工成拉伸試樣，截面尺寸為18.4 mm×25 mm，L0=120 mm，Lc=152 mm，試樣的總長度為 240 mm。

拉伸試驗在WAW-600C型伺服萬能試驗機上進行，拉伸速率取2 mm/min。通過微機系統得出力—位移的圖像數據，預變形及拉伸試驗每個變形量做3組，取其平均值作為最終結果，利用Origin 8.0繪圖轉化為應力—應變曲線做后續分析。拉伸斷口形貌采用Hitachi S-4800型場發射掃描電子顯微鏡觀察。

1.3 焊縫區域預應變測定

由于含焊縫區域的X80管線鋼試樣為異種材料，分別含焊縫區域和母材區域兩種材料，其拉伸過程中兩部分變形行為存在差異。為了明確拉伸過程中焊縫和母材在所研究的變形條件下各自的變形情況，采用XTDIC系統用于測量和分析拉伸過程中管線鋼位移以及應變等特征。XTDIC系統是一種光學非接觸式變形測量系統，用于物體表面形貌、位移以及應變的測量和分析，并得到三維應變場以及位移場數據，測量結果直觀顯示。

2 結果與分析

2.1 預應變過程中焊縫和母材區域的協同應變響應特征

金屬材料在變形過程中會產生應變硬化現象，即阻止繼續塑性變形的能力[9]。圖1為含焊縫區域的X80管線鋼在拉應力下的應變云圖，可以將含焊縫區域的X80管線鋼的在拉應力作用下的應變過程劃分為典型的4個階段，即均勻變形階段、焊縫區域變形階段、母材頸縮區域變形階段和斷裂階段。在均勻變形階段內，母材和焊縫各區域的應變基本相同，表現為均勻伸長。隨著拉應力的增大，由于應變硬化等作用，變形開始向相對比較薄弱的焊縫區域聚集，進入第二階段焊縫變形階段。由于焊縫區域具有良好的應變硬化能力，隨后的變形主要集中在焊縫區域，而焊縫區域的應變響應也遠遠大于母材區域。Afrin等[10]認為，焊縫區域晶粒尺寸較大，可以有效增加晶界與內部位錯的流動阻力，因此焊縫區域具有較高的應變硬化能力。隨著應力的持續增大，母材區域的應變硬化跟不上其塑性變形的發展，應變持續發展，形成頸縮，進入第3階段母材頸縮區域變形階段。一旦出現頸縮現象，管線鋼便發生塑性失穩，應變迅速向頸縮區域轉移，而其他區域幾乎不發生塑性變形。由于頸縮變形速度較快，應力及應變快速向母材頸縮區域集中，進入第4階段斷裂階段，最終在母材區域發生失效斷裂。

Dundu[11]研究認為，金屬材料在應力—應變曲線均勻塑性變形階段（第Ⅰ和Ⅱ階段）產生的應變，可以對材料形成有效的應變硬化。預變形量為1%時，由于應變程度較小，各（焊縫和母材）區域具有一定的協調變形能力，應變基本相同，應變硬化效果也比較弱。預變形量增加到3%和5%時，由于各區域的應變硬化能力不同，致使各區域不能持續協調變形，母材和焊縫區域均發生著持續的應變硬化，而應變主要集中在應變硬化能力較大的焊縫區域，應變硬化效果比較顯著（圖2）。

圖1 含焊縫區域的X80管線鋼DIC應變云圖

圖2 不同預變形量下各區域硬化程度圖

2.2 預應變對拉伸性能的影響

Kingklang等[12]針對應變硬化對力學性能相應的研究發現，經歷預變形材料的屈服強度和抗拉強度均得到提高，屈強比增大，而延性（總延伸率或最大載荷或失效點的應變）降低。圖3為不同變形量下的X80管線鋼應力應變曲線圖，對于未發生預變形的含焊縫區域X80管線鋼應力—應變曲線，具有連續屈服特征，曲線形狀呈拱頂形，具有較大的塑性變形能力。而對于同方向上取樣的母材試樣，應力—應變曲線位于含焊縫區域的試樣應力應變曲線的下方，并且應變硬化區間也比較小，說明母材試樣的抗拉強度以及塑性變形能力均比較差，更容易發生頸縮斷裂。經過1%的預變形后，母材和焊縫區域的應變硬化程度相同，應力—應變曲線均勻上移，具有較好的強度和塑韌性，隨著預變形量的增加，管線鋼的屈服強度、抗拉強度逐漸增加，最終趨于一致（圖4-a）。預變形量為5%時，屈服強度增加了12.7%，并接近于抗拉強度，應變硬化效應最為明顯，但同時預變形導致管線鋼的塑性降低，幾乎沒有發生均勻變形，斷后伸長率及斷面收縮率分別降低了31.5%和23.4%，主要是預變形使得焊縫區域發生加工硬化，使得塑性變形能力減弱（圖4-b）。

圖3 不同預變形量下的應力—應變曲線圖

屈強比反映的是管線鋼塑性變形與強度容量的能力，是管線鋼性能和安全的重要指數[11]。從圖4-c中可以看出，當沒有發生預變形時，管線鋼比純母材區域[13]具有更低的屈強比，表明可以承受較大的塑性變形，即發生較大的塑性變形時，可及時被發現，有利于管線鋼的應變及安全控制。隨著預變形量的增大，焊縫和母材區域應變硬化逐漸增強，屈強比逐漸增大。Han等[14]認為管線鋼在預拉伸變形過程中，發生了大量位錯的增值，隨著預變形的進行，位錯的密度大幅度提高，位錯間相互纏繞聚集甚至生成亞晶界，位錯纏結形成的高密度位錯區成為位錯滑移的新障礙，可以顯著提高材料的強度。預應變使得焊縫區域得到極大程度的強化，位錯的大量聚集，降低了焊縫區域的均勻塑性變形能力和形變容量，使得管線鋼緩和應力集中、松弛裂紋尖端局部應力和限制裂紋擴展的能力降低，損害管材的缺陷容量，致使承載能力降低，對管線鋼的服役安全性能造成影響[15]。金屬材料的應力應變行為一般遵循冪硬化規律，即符合Hollomon公式，其中應變硬化指數反映了管線鋼材料抵抗均勻塑性變形的能力，應變硬化指數（n）可以通過下式獲得[16]：

式中σ表示真應力，MPa；K表示硬化系數；εp表示真應變。

則拉伸時的屈服點（0.002，σ0.2）和斷裂點（εf,σf）應符合式（1），可以求出材料的應變硬化指數（n）：

式中σ0.2表示應變為0.2%對應的屈服強度，MPa；εf表示斷裂延性；σf表示斷裂強度，MPa。

σf由抗拉強度（σb）和斷面收縮率（φ）來估算：

斷裂延性（εf）由不均勻塑性變形階段的真應變公式求得：

圖4 不同預變形量下力學性能關系圖

計算結果如圖4-c、d所示，未發生預變形時，管線鋼具有較高的應變硬化指數、斷裂強度和斷裂延性，發生塑性變形時，焊縫區域會阻止塑性變形繼續發展，并將變形推移到別的未變形部位。隨著預變形量的增加，焊縫區域應變硬化的程度增加，塑性變形停留于焊縫區域的變形區間減小，并快速地將應變推移到母材區域。使得斷裂強度、斷裂延性以及應變硬化指數均隨之減少，并且預變形量越大，這種推移到母材的速度越快，應變硬化指數降低的程度越大。

2.3 預應變對X80管線鋼拉伸斷裂行為的影響

韌性金屬試樣受拉伸時，在其薄弱部位先開始塑性變形，由于應變硬化的作用，變形會被馬上阻止，并將變形推移到其他次薄弱部位，使得變形和應變硬化交替進行[17-18]。經過預變形后，焊縫區域得到了充分的應變硬化，當發生變形時，會將這種變形推移到母材區域，并且當母材區域的應變硬化跟不上其變形的需要時，就會在其薄弱部位持續進行變形，使得應變集中于局部區域而產生頸縮，最終在母材區域發生斷裂，其宏觀斷口為杯錐狀形貌（圖5）。Bastola等[13]通過對X80管線鋼焊接接頭拉伸斷口形貌的研究，認為管線鋼頸縮處的材料由于夾雜物、第二相質點與基體材料的彈性和塑性的差別，形成顯微孔洞，這些孔洞不斷增多、長大并相互聚集連通，最終造成斷裂，其斷口顯微形貌有許多凹坑構成，稱為微坑或韌窩。含焊縫區域的X80管線鋼拉伸斷口就是典型的韌窩形貌。如圖5-a所示，當沒有發生預變形時，分布著大量韌窩，形態密集、大小均勻，即在正應力作用下微孔沿著3個方向的長大速率相同，形成了典型的等軸韌窩，屬于微孔聚集型斷裂，表明管線鋼具有良好的塑韌性能[19]。當發生不同程度的預變形后，焊縫區域得到了應變硬化，使得應變很難持續在焊縫區域進行，從而更容易推移到應變硬化較弱的母材區域，并且預變形量越大，發生這種轉變的速度越快，頸縮也就更早的發生。如圖5-b、c所示，韌窩形貌變得不規則，形態個體差異較大，韌窩細小并且較淺，尤其預變形3%時，有一些異常大的韌窩出現，并且存在大量的孔洞，孔洞中有明顯的第二相粒子，是孔洞的形成核心，預變形使得大量位錯釘扎在第二相粒子處，促使局部應力迅速集中，加劇了脆性斷裂的趨勢。預變形量為5%時，焊縫區域得到了極大的應變硬化，當有變形發生時，快速地將應變推移到較弱的母材區域，而此時母材內部聚集了大量的孔洞、裂紋等缺陷，這些孔洞和裂紋快速聚集并斷裂，斷口形貌雖以韌窩為主，但是伴有大量的河流花樣以及舌狀花樣等準解理形貌（圖5-d）。預應變造成焊縫區域發生應變硬化，使得將變形推移到母材區域的應變容量減少，因而斷裂機制也由微孔聚集型向準解理型斷裂轉變，發生脆性斷裂的趨勢增大，嚴重影響到管線鋼服役過程中的安全性能。

圖5 不同預變形量下的宏觀和微觀拉伸斷口形貌圖

通過以上的研究發現，含焊縫區域的X80管線鋼發生變形時，預變形量小于1%時，母材區與焊縫區發生協同變形，所引起的應變硬化程度相同，當再次發生變形時，對管線鋼性能影響不大。但是預變形量較高時（3%和5%），焊縫區與母材區塑性變形發生脫節，變形主要集中在焊縫區域，產生了較強的應變硬化，再次發生變形時，使得管線鋼塑性變形能力減弱，在母材區呈脆斷趨勢。因此，在管道增壓過程中，應該合理地控制管線鋼變形程度，同時，焊縫區域為不易發生斷裂區域。

3 結論

1）在拉應力的作用下，焊縫區域和母材區域均發生了相應的應變響應，應變量小于1%時，母材區與焊縫區發生協同變形，所引起的應變硬化程度相同。應變量較大時，使得塑性變形主要集中在應變硬化能力較高的焊縫區域，預變形后，焊縫區域應變硬化程度較高，使得再次變形時，應變很難持續在焊縫區域進行，從而更容易推移到應變硬化能力較弱的母材區域。

2）經過預變形后，母材與焊縫區域均產生了應變硬化，表現為應力—應變曲線上移，并且隨著預變形量增大，焊縫區域將變形推移到母材區域的應變容量減少，使得屈服強度和抗拉強度增大，斷后伸長率以及斷面收縮率下降，降低了管線鋼的均勻塑性變形能力和形變容量。拉伸斷口形貌也由大小均勻等軸韌窩，變為形狀不規則且小而淺的韌窩，預變形為5%時，出現了河流花樣以及舌狀花樣等準解理形貌，斷裂機制由微孔聚集型向準解理型斷裂轉變，使管線鋼的塑韌性急劇降低。