預(yù)應(yīng)變對(duì)X80高鋼級(jí)管線鋼力學(xué)性能的影響

馬 晶，田晨超，馬安博

(1.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空材料工程學(xué)院，陜西 西安 710089； 2.西安漢唐分析檢測(cè)有限公司,陜西 西安 710016)

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和人類生活對(duì)油氣資源需求的日益加劇，石油開采運(yùn)輸已在邊遠(yuǎn)地區(qū)快速發(fā)展，并導(dǎo)致所鋪設(shè)的運(yùn)輸管道會(huì)經(jīng)過(guò)更復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境。為了保證管道運(yùn)輸?shù)陌踩尚行孕枨螅咪摷?jí)管線鋼研究成為熱點(diǎn)[1-3]。管線鋼在實(shí)際運(yùn)輸應(yīng)用中經(jīng)常受到外力作用產(chǎn)生屈曲、拉壓、斷裂等大變形失效，同時(shí)管線也經(jīng)常產(chǎn)生預(yù)應(yīng)變現(xiàn)象。當(dāng)管線鋼受到預(yù)應(yīng)變時(shí)，材料的組織結(jié)構(gòu)變化，從而引起力學(xué)性能的

改變，影響了管線鋼管的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此對(duì)X80高鋼級(jí)管線鋼的預(yù)應(yīng)變行為研究具有重要的意義。

1 試驗(yàn)材料和方法

選用國(guó)內(nèi)某鋼廠厚度為18.4 mm的X80管線鋼板，通過(guò)熱機(jī)械控制工藝(TMCP)得到了粒狀貝氏體組織，具體化學(xué)成分見表1。

表1 X80試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分 %

為確保拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)的試樣具有相同預(yù)應(yīng)變量，如圖1取樣。首先對(duì)試樣鋼進(jìn)行不同預(yù)應(yīng)變量(2%～8%)的拉伸。隨后采用線切割方法在預(yù)應(yīng)變拉伸試驗(yàn)的初始標(biāo)距范圍內(nèi)截取拉伸試樣和沖擊試樣，試驗(yàn)在型號(hào)為TH-8060A的60 t的液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。

圖1 預(yù)應(yīng)變?cè)嚇訄D

預(yù)拉伸試驗(yàn)后，按照ASTM A37[4]，將試驗(yàn)件加工成Φ10 mm×65 mm的拉伸試驗(yàn)，標(biāo)距尺寸Φ5 mm×25 mm，試驗(yàn)機(jī)型號(hào)MTS-800；按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E23[5]，沖擊實(shí)驗(yàn)選用V型缺口，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，實(shí)驗(yàn)溫度-20 ℃，在型號(hào)JBC-500沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)上完成；為了測(cè)定材料的硬度，選用設(shè)備HSV-20型硬度計(jì)，加載載荷10 kg。

根據(jù)材料的顯微組織結(jié)構(gòu)變化，分析不同預(yù)應(yīng)變量對(duì)材料性能的影響。金相分析的過(guò)程如下:首先對(duì)試驗(yàn)鋼進(jìn)行取樣-試塊鑲嵌-粗磨-精磨-拋光-腐蝕等處理，選用RECHART MEF3A設(shè)備進(jìn)行OM觀察；然后對(duì)精細(xì)組織進(jìn)行結(jié)構(gòu)觀察，選用SEM進(jìn)行顯微組織分析，設(shè)備型號(hào)為TESLA-BS-300；最后，根據(jù)透射電鏡觀察的試樣制備要求，將試樣減薄至50 μm，電解腐蝕后在服役電壓200 kV的JEM 200 CX的電子顯微鏡上進(jìn)行電鏡分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 未經(jīng)預(yù)應(yīng)變拉伸的母材組織

圖2是試驗(yàn)鋼X80未經(jīng)預(yù)應(yīng)變的母材顯微組織照片。如圖2所示，未經(jīng)預(yù)應(yīng)變處理的X80鋼顯示了低碳貝氏體鋼的特點(diǎn)：試驗(yàn)鋼的顯微組織細(xì)小，晶粒成扁平狀，同時(shí)多位向析出的貝氏體晶粒大小差別較大并交織分布。晶粒尺寸顯著減小，從而起到了細(xì)晶強(qiáng)化作用，有效提高了材料的性能。此外，貝氏體相變是共格切變，在相變過(guò)程中基體內(nèi)部高的位錯(cuò)密度會(huì)產(chǎn)生偏聚、纏結(jié)結(jié)構(gòu)[6]，這些組織結(jié)構(gòu)特征提高了材料的強(qiáng)韌性。

圖2 X80試驗(yàn)鋼的母材顯微組織

經(jīng)不同預(yù)應(yīng)變處理后,X80試驗(yàn)鋼的OM光學(xué)組織照片如圖3所示。金相顯微組織結(jié)果表明，當(dāng)施加不同預(yù)應(yīng)變量(2%～8%)后，除個(gè)別晶粒沿著變形方向伸長(zhǎng)外，組織結(jié)構(gòu)與母材沒(méi)有明顯區(qū)別。

圖3 不同預(yù)應(yīng)變量下X80管線鋼的OM照片

金屬變形是因材料內(nèi)的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)不斷增加和運(yùn)動(dòng)形成的。預(yù)應(yīng)變作用下試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度增加是材料內(nèi)部位錯(cuò)組織結(jié)構(gòu)變化的結(jié)果。隨著預(yù)應(yīng)變量的增加，材料內(nèi)部的切應(yīng)力作用增加從而促使位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)沿晶界等滑移面移動(dòng)，會(huì)在晶界、板條間和析出的碳化物等處聚集纏結(jié)形成胞狀組織，使得材料在變形初期出現(xiàn)屈服延伸。圖4是不同變形量作用下的試驗(yàn)鋼顯微亞結(jié)構(gòu)照片。如圖4所示，隨著預(yù)應(yīng)變量地增加，材料內(nèi)部應(yīng)力集中促使顯微亞結(jié)構(gòu)位錯(cuò)密度升高，轉(zhuǎn)變生成的胞狀組織數(shù)量增加，晶粒尺寸減小，促使材料的強(qiáng)度升高，塑韌性下降。

圖4 X80試驗(yàn)鋼在預(yù)應(yīng)變作用下的胞狀位錯(cuò)組織

2.2 不同預(yù)應(yīng)變量下X80鋼的力學(xué)性能

X80試驗(yàn)鋼在不同預(yù)應(yīng)變量作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖5。

圖5 X80試驗(yàn)鋼在不同預(yù)應(yīng)變作用下的拉伸曲線

如圖5所示，在所有預(yù)應(yīng)變工況下X80管線鋼的拉伸曲線都存在屈服尖峰，即上屈服點(diǎn)。較低預(yù)應(yīng)變量作用后，X80試驗(yàn)鋼經(jīng)屈服變形后出現(xiàn)了較大范圍區(qū)域的塑性變形，材料變形抗力增大，表現(xiàn)了良好的塑性；當(dāng)應(yīng)變量增加到8%時(shí)，試驗(yàn)鋼有明顯的屈服，且均勻變形階段明顯縮短，材料塑性大幅下降。

表2是X80試驗(yàn)鋼在不同預(yù)應(yīng)變量工況下的拉伸數(shù)據(jù)。X80管線鋼的強(qiáng)度、硬度指標(biāo)均明顯上升，而塑性和大變形指標(biāo)形變強(qiáng)化指數(shù)n下降。

表2 X80試驗(yàn)鋼經(jīng)不同應(yīng)變處理后的拉伸數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)表明，與母材相比，試驗(yàn)鋼經(jīng)應(yīng)變作用后，X80管線鋼的抗拉強(qiáng)度Rm、屈服強(qiáng)度Rt0.5和硬度(Hv10)隨著應(yīng)變量的增加而上升。隨著預(yù)應(yīng)變量的增加，X80鋼的強(qiáng)度與硬度值成正比關(guān)系，而強(qiáng)度與塑性值呈反比關(guān)系。此外，預(yù)應(yīng)變作用提高了材料的屈強(qiáng)比，表明材料受到外界載荷變形后的抵抗變形能力降低。隨著預(yù)變形量的增加，屈強(qiáng)比、形變強(qiáng)化指數(shù)都隨之降低，導(dǎo)致材料在受到載荷作用后的抵抗大變形能力變?nèi)酢?/p>

為了進(jìn)一步分析材料的抵抗變形能力，測(cè)定X80試驗(yàn)鋼在不同預(yù)應(yīng)變形后的韌性關(guān)系，如表3數(shù)據(jù)所示。X80試驗(yàn)鋼在未經(jīng)處理時(shí)的韌性值為350 J，當(dāng)施加預(yù)應(yīng)變后，材料的韌性值下降。隨著應(yīng)變量的增加，韌性值下降明顯。預(yù)應(yīng)變后試驗(yàn)鋼的最高韌性值低于母材的韌性值25%左右。結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)變量對(duì)試驗(yàn)鋼的韌性影響明顯，應(yīng)變量會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)鋼的韌性值顯著降低。

表3 X80管線鋼在不同應(yīng)變量的沖擊韌性值(-20 ℃)

圖6為各應(yīng)變量下的沖擊斷口形貌。結(jié)合表3數(shù)據(jù)，當(dāng)應(yīng)變量為(2%～8%)時(shí)，試驗(yàn)鋼的韌性值在278～260J范圍變化。如圖6所示，因?yàn)椴煌瑧?yīng)變作用在試驗(yàn)鋼韌性值變化范圍不大，材料沖擊韌性斷口形貌沒(méi)有明顯區(qū)別，都以大小較為均勻的韌窩形狀為主。該現(xiàn)象的是X80管線鋼中單一的顯微組織所導(dǎo)致。

圖6 X80管線鋼在不同應(yīng)變量下的斷口形貌

3 結(jié) 論

(1)預(yù)應(yīng)變處理過(guò)程對(duì)X80試驗(yàn)鋼力學(xué)性能影響顯著。隨著預(yù)應(yīng)變量增加，X80鋼的強(qiáng)度、硬度升高，而塑性、韌性明顯下降。

(2)對(duì)X80管線鋼的預(yù)應(yīng)變處理降低了其抵抗大變形的能力。隨著預(yù)應(yīng)變量增加，X80試驗(yàn)鋼的屈強(qiáng)比、形變強(qiáng)化指數(shù)等大變形指標(biāo)降低，影響了管線運(yùn)輸?shù)拇笞冃喂こ虘?yīng)用。

(3)預(yù)應(yīng)變處理過(guò)程對(duì)X80鋼性能的影響主要是因?yàn)椴煌A(yù)應(yīng)變下材料的顯微組織變化。試驗(yàn)鋼受到應(yīng)變作用后，材料的位錯(cuò)密度增加繼而細(xì)化晶粒，大量的位錯(cuò)纏結(jié)生成的胞狀亞結(jié)構(gòu)數(shù)量增加促使材料的強(qiáng)度增加、硬度增加；材料沖擊韌性斷裂后的單一貝氏體組織使得材料斷口呈韌窩狀。