預應變對X80高鋼級管線鋼力學性能的影響

馬 晶，田晨超，馬安博

(1.西安航空職業技術學院 航空材料工程學院，陜西 西安 710089； 2.西安漢唐分析檢測有限公司,陜西 西安 710016)

近年來，隨著經濟快速發展和人類生活對油氣資源需求的日益加劇，石油開采運輸已在邊遠地區快速發展，并導致所鋪設的運輸管道會經過更復雜的地質環境。為了保證管道運輸的安全可行性需求，高鋼級管線鋼研究成為熱點[1-3]。管線鋼在實際運輸應用中經常受到外力作用產生屈曲、拉壓、斷裂等大變形失效，同時管線也經常產生預應變現象。當管線鋼受到預應變時，材料的組織結構變化，從而引起力學性能的

改變，影響了管線鋼管的安全穩定運行。因此對X80高鋼級管線鋼的預應變行為研究具有重要的意義。

1 試驗材料和方法

選用國內某鋼廠厚度為18.4 mm的X80管線鋼板，通過熱機械控制工藝(TMCP)得到了粒狀貝氏體組織，具體化學成分見表1。

表1 X80試驗鋼的化學成分 %

為確保拉伸試驗和沖擊試驗的試樣具有相同預應變量，如圖1取樣。首先對試樣鋼進行不同預應變量(2%～8%)的拉伸。隨后采用線切割方法在預應變拉伸試驗的初始標距范圍內截取拉伸試樣和沖擊試樣，試驗在型號為TH-8060A的60 t的液壓式萬能試驗機進行。

圖1 預應變試樣圖

預拉伸試驗后，按照ASTM A37[4]，將試驗件加工成Φ10 mm×65 mm的拉伸試驗，標距尺寸Φ5 mm×25 mm，試驗機型號MTS-800；按照試驗標準ASTM E23[5]，沖擊實驗選用V型缺口，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，實驗溫度-20 ℃，在型號JBC-500沖擊實驗機上完成；為了測定材料的硬度，選用設備HSV-20型硬度計，加載載荷10 kg。

根據材料的顯微組織結構變化，分析不同預應變量對材料性能的影響。金相分析的過程如下:首先對試驗鋼進行取樣-試塊鑲嵌-粗磨-精磨-拋光-腐蝕等處理，選用RECHART MEF3A設備進行OM觀察；然后對精細組織進行結構觀察，選用SEM進行顯微組織分析，設備型號為TESLA-BS-300；最后，根據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的電子顯微鏡上進行電鏡分析。

2 試驗結果及討論

2.1 未經預應變拉伸的母材組織

圖2是試驗鋼X80未經預應變的母材顯微組織照片。如圖2所示，未經預應變處理的X80鋼顯示了低碳貝氏體鋼的特點：試驗鋼的顯微組織細小，晶粒成扁平狀，同時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，從而起到了細晶強化作用，有效提高了材料的性能。此外，貝氏體相變是共格切變，在相變過程中基體內部高的位錯密度會產生偏聚、纏結結構[6]，這些組織結構特征提高了材料的強韌性。

圖2 X80試驗鋼的母材顯微組織

經不同預應變處理后,X80試驗鋼的OM光學組織照片如圖3所示。金相顯微組織結果表明，當施加不同預應變量(2%～8%)后，除個別晶粒沿著變形方向伸長外，組織結構與母材沒有明顯區別。

圖3 不同預應變量下X80管線鋼的OM照片

金屬變形是因材料內的位錯結構不斷增加和運動形成的。預應變作用下試驗鋼的強度增加是材料內部位錯組織結構變化的結果。隨著預應變量的增加，材料內部的切應力作用增加從而促使位錯亞結構沿晶界等滑移面移動，會在晶界、板條間和析出的碳化物等處聚集纏結形成胞狀組織，使得材料在變形初期出現屈服延伸。圖4是不同變形量作用下的試驗鋼顯微亞結構照片。如圖4所示，隨著預應變量地增加，材料內部應力集中促使顯微亞結構位錯密度升高，轉變生成的胞狀組織數量增加，晶粒尺寸減小，促使材料的強度升高，塑韌性下降。

圖4 X80試驗鋼在預應變作用下的胞狀位錯組織

2.2 不同預應變量下X80鋼的力學性能

X80試驗鋼在不同預應變量作用下的應力-應變曲線見圖5。

圖5 X80試驗鋼在不同預應變作用下的拉伸曲線

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

表2是X80試驗鋼在不同預應變量工況下的拉伸數據。X80管線鋼的強度、硬度指標均明顯上升，而塑性和大變形指標形變強化指數n下降。

表2 X80試驗鋼經不同應變處理后的拉伸數據

數據表明，與母材相比，試驗鋼經應變作用后，X80管線鋼的抗拉強度Rm、屈服強度Rt0.5和硬度(Hv10)隨著應變量的增加而上升。隨著預應變量的增加，X80鋼的強度與硬度值成正比關系，而強度與塑性值呈反比關系。此外，預應變作用提高了材料的屈強比，表明材料受到外界載荷變形后的抵抗變形能力降低。隨著預變形量的增加，屈強比、形變強化指數都隨之降低，導致材料在受到載荷作用后的抵抗大變形能力變弱。

為了進一步分析材料的抵抗變形能力，測定X80試驗鋼在不同預應變形后的韌性關系，如表3數據所示。X80試驗鋼在未經處理時的韌性值為350 J，當施加預應變后，材料的韌性值下降。隨著應變量的增加，韌性值下降明顯。預應變后試驗鋼的最高韌性值低于母材的韌性值25%左右。結果表明，預應變量對試驗鋼的韌性影響明顯，應變量會導致試驗鋼的韌性值顯著降低。

表3 X80管線鋼在不同應變量的沖擊韌性值(-20 ℃)

圖6為各應變量下的沖擊斷口形貌。結合表3數據，當應變量為(2%～8%)時，試驗鋼的韌性值在278～260J范圍變化。如圖6所示，因為不同應變作用在試驗鋼韌性值變化范圍不大，材料沖擊韌性斷口形貌沒有明顯區別，都以大小較為均勻的韌窩形狀為主。該現象的是X80管線鋼中單一的顯微組織所導致。

圖6 X80管線鋼在不同應變量下的斷口形貌

3 結 論

(1)預應變處理過程對X80試驗鋼力學性能影響顯著。隨著預應變量增加，X80鋼的強度、硬度升高，而塑性、韌性明顯下降。

(2)對X80管線鋼的預應變處理降低了其抵抗大變形的能力。隨著預應變量增加，X80試驗鋼的屈強比、形變強化指數等大變形指標降低，影響了管線運輸的大變形工程應用。

(3)預應變處理過程對X80鋼性能的影響主要是因為不同預應變下材料的顯微組織變化。試驗鋼受到應變作用后，材料的位錯密度增加繼而細化晶粒，大量的位錯纏結生成的胞狀亞結構數量增加促使材料的強度增加、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。