拉伸速率對(duì)X80M 管線鋼拉伸性能的影響

梁明華 魏 娜 李 亮 何小東

(1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，石油管工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710077;2.西安石油大學(xué) 陜西 西安 710065)

0 引 言

屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度是衡量管線鋼力學(xué)性能的重要指標(biāo)，其在試驗(yàn)過(guò)程中受到試驗(yàn)速率的影響［1］。試驗(yàn)速率是影響金屬材料拉伸性能的重要因素，在國(guó)內(nèi)外金屬材料拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中均對(duì)試驗(yàn)速率做了明確的規(guī)定，如GB/T 228.1［2］、ASTM A370［3］及ASTM E8/E8M［4］等。試驗(yàn)速率對(duì)金屬材料拉伸性能測(cè)試結(jié)果的影響程度與材料有關(guān)，影響程度隨試驗(yàn)材料的不同而不同。實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)過(guò)程中，有必要針對(duì)X80 管線鋼這一當(dāng)前大規(guī)模應(yīng)用的材料進(jìn)行不同拉伸速率的試驗(yàn)測(cè)試，以驗(yàn)證不同拉伸速率對(duì)材料拉伸性能的影響及影響程度。本文以某廠生產(chǎn)的X80 管線鋼為試驗(yàn)材料，在不同拉伸速率條件下測(cè)試了材料的拉伸性能，通過(guò)對(duì)比，研究不同拉伸速率對(duì)該材料拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果的影響。

1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)用試樣從國(guó)內(nèi)某廠生產(chǎn)的X80M 直縫埋弧焊管上截取，所用材料的成分見(jiàn)表1、金相組織見(jiàn)圖1。

表1 試驗(yàn)材料化學(xué)成分 %

圖1 試驗(yàn)材料壁厚中心組織

拉伸試樣取樣位置為距焊縫180°管體橫向，試樣規(guī)格為平行段直徑12.7 mm、平行段長(zhǎng)度65 mm 的棒狀試樣，標(biāo)距為50 mm。用于加工試樣的樣坯從同一根鋼管上互相鄰近的位置截取，并按順序編號(hào)，按順序采用不同大小的試驗(yàn)速率(橫梁位移速率)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，每個(gè)拉伸速率下采用3 個(gè)平行試樣。拉伸試驗(yàn)在UTM5305萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)速率的選取

在GB/T 228.1 -2010 中，給出3 種推薦的試樣應(yīng)變速率:

1)0.000 25s-1，相對(duì)誤差±20%;

2)0.002 5s-1，相對(duì)誤差±20%;

3)0.006 7s-1，相對(duì)誤差±20%。

其中材料的規(guī)定總延伸強(qiáng)度(Rt0.5)可選取速率1，抗拉強(qiáng)度(Rm)可選取速率1，速率2 及速率3。為驗(yàn)證速率對(duì)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的影響，分別選用推薦的三種速率進(jìn)行試驗(yàn)。

試樣拉伸速率由試驗(yàn)機(jī)橫梁位移速率控制。在GB/T 228.1 -2010 的10.3.1 中指出，如果材料顯示出均勻變形能力，試樣應(yīng)變速率èLc和根據(jù)平行長(zhǎng)度估計(jì)的應(yīng)變速率èLc大致相等，可用下式估算橫梁位移速率。

式中，èLc為平行長(zhǎng)度估計(jì)的應(yīng)變速率，s-1;Lc為試樣平行段長(zhǎng)度，mm;Vc為橫梁位移速率，mm/s。

標(biāo)準(zhǔn)推薦的三種速率根據(jù)(1)式計(jì)算得到的橫梁位移速率分別為:0. 975 mm/min、9. 75 mm/min 和20. 1 mm/min。

公式(1)是在沒(méi)有考慮實(shí)驗(yàn)裝置(機(jī)架、力傳感器、夾具等)彈性變形的情況下得到的。實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，橫梁位移速率只有一部分轉(zhuǎn)移到試樣上，總變形分為實(shí)驗(yàn)裝置的彈性變形和試樣的變形。GB/T 228.1 -2010附錄F 中給出了在考慮試驗(yàn)裝置的彈性變形后，試樣上產(chǎn)生的應(yīng)變速率èm的公式如下式:

式中，CM為試驗(yàn)裝置的剛度，mm/N;èm為試樣上產(chǎn)生的應(yīng)變速率，s-1;m 為給定時(shí)刻應(yīng)力-延伸曲線的斜率(如Rt0.5附近點(diǎn))，MPa;S0為原始橫截面積，mm2;

試樣上產(chǎn)生應(yīng)變速率èm所需近似衡量位移速率可以根據(jù)下式得到:

為保證試驗(yàn)的精度，根據(jù)GB/T 228.1 -2010 附錄F規(guī)定，計(jì)算試驗(yàn)需要設(shè)定的橫梁位移速率。首先取一根預(yù)備試樣在橫梁位移速率5 mm/min 的拉伸速率下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，通過(guò)引伸計(jì)記錄試樣的應(yīng)變速率，確定公式(3)中的各項(xiàng)參數(shù)值。根據(jù)公式(2)和公式(3)，可得三種標(biāo)準(zhǔn)推薦試樣應(yīng)變速率下的橫梁位移速率分別近似為:1.319 mm/min、13.186 mm/min、35.338 mm/min。

將是否考慮實(shí)驗(yàn)裝置彈性變形的橫梁位移速率進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)考慮實(shí)驗(yàn)裝置彈性變形得到的橫梁位移速率大于未考慮衡量位移情況下的值，其誤差達(dá)到26.1%，大于我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)速率相對(duì)誤差(±20%)的要求。這也說(shuō)明對(duì)于X80 管線鋼這種材料，在實(shí)驗(yàn)前估算試驗(yàn)速率(即橫梁位移速率)時(shí)要考慮實(shí)驗(yàn)裝置彈性變形的影響，否則開(kāi)展試驗(yàn)的試驗(yàn)速率不能滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.2 X80M 管線鋼拉伸曲線的特征

按照GB/T 228.1 -2010 附錄F 計(jì)算試驗(yàn)需要設(shè)定的橫梁位移速率時(shí)，選取了一根預(yù)備試樣。該試樣拉伸全程在橫梁位移速率為5 mm/min 的拉伸速率下進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)拉伸曲線如圖2 所示。試驗(yàn)過(guò)程中的橫梁位移及橫梁速率與時(shí)間的關(guān)系在圖3 中給出。從圖3 可以看出橫梁位移隨時(shí)間均勻增加，橫梁位移-時(shí)間數(shù)據(jù)點(diǎn)呈直線分布。通過(guò)將橫梁位移對(duì)時(shí)間求導(dǎo)數(shù)，即得到橫梁速率-時(shí)間曲線，從曲線可以看出除試驗(yàn)剛開(kāi)始較短時(shí)間的不穩(wěn)定狀態(tài)(前4 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn))外橫梁位移速率保持在5 mm/min，與試驗(yàn)設(shè)定值一致。

圖2 載荷-引伸計(jì)變形曲線圖

圖3 橫梁位移/橫梁速率-時(shí)間曲線圖

為確定試樣的實(shí)際應(yīng)變速率，在圖4 中給出了引伸計(jì)變形、應(yīng)變速率與時(shí)間的關(guān)系曲線。從圖4 可以看出引伸計(jì)變形隨時(shí)間在增加，但引伸計(jì)-時(shí)間數(shù)據(jù)點(diǎn)卻并不像橫梁位移呈直線分布，其在屈服點(diǎn)(Ft0.5)附近有一個(gè)明顯的斜率變化。將引伸計(jì)的應(yīng)變(引伸計(jì)伸長(zhǎng)除以引伸計(jì)標(biāo)距)對(duì)時(shí)間求導(dǎo)數(shù)，即得到應(yīng)變速率與時(shí)間的關(guān)系?？梢钥闯觯m然整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中橫梁位移速率始終恒定在5 mm/min(圖3)，但引伸計(jì)標(biāo)距內(nèi)的試樣應(yīng)變速率并不保持恒定。試驗(yàn)開(kāi)始后，試樣應(yīng)變速率從0 迅速上升到一定值(0.000 228s-1)后在彈性段逐漸下降，在彈性段末期接近屈服點(diǎn)(Ft0.5)時(shí)會(huì)迅速上升，試驗(yàn)中取的屈服點(diǎn)Ft0.5恰好在應(yīng)變速率迅速上升的階段(應(yīng)變速率為0.000 948s-1)，在試樣過(guò)了屈服點(diǎn)后到達(dá)一定階段后又開(kāi)始緩慢上升。

圖4 引伸計(jì)變形/應(yīng)變速率-時(shí)間曲線圖

2.3 不同拉伸速率下的拉伸性能

在推薦的三種拉伸速率下分別進(jìn)行試驗(yàn)，每個(gè)速率選用三根平行試樣，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2 可以看出，三種拉伸速率下獲得的材料屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度并不一致，將三個(gè)平行試樣的強(qiáng)度取平均值。在推薦拉伸速率1(應(yīng)變速率0.000 25s-1)下得到的屈服強(qiáng)度和抗拉輕度分別為624 MPa、709 MPa;在推薦拉伸速率2(應(yīng)變速率0.002 5 s-1)下得到的屈服強(qiáng)度和抗拉輕度分別為632 MPa、716 MPa;在推薦拉伸速率3(應(yīng)變速率0.006 7 s-1)下得到的屈服強(qiáng)度和抗拉輕度分別為635 MPa、720 MPa?？梢?jiàn)，隨著試驗(yàn)速率的提高，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都有所提高。特別是抗拉強(qiáng)度的測(cè)量，三種試驗(yàn)速率均為GB/T228.1 -2010 中認(rèn)可的試驗(yàn)速率，結(jié)果卻并不相同，測(cè)得的抗拉強(qiáng)度與試驗(yàn)速率有關(guān)，試驗(yàn)速率越高測(cè)得的抗拉強(qiáng)度也越高。

表2 不同拉伸速率下X80M 材料的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度

對(duì)于產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因，一般認(rèn)為，拉伸試驗(yàn)進(jìn)入屈服階段后材料開(kāi)始塑性變形。金屬材料的屈服點(diǎn)是彈性變形過(guò)渡到塑性變形的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。目前已知，彈性變形以聲速進(jìn)行，因此加載速度對(duì)它無(wú)影響［5］。塑性變形主要以滑移方式進(jìn)行，而晶體滑移是通過(guò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，點(diǎn)陣摩擦阻力、原子間交互作用如P-N 力等，使得位錯(cuò)具有黏滯性［6］。隨著加載速率增加，塑性變形所需的時(shí)間不夠，即材料對(duì)滑移的抗力提高，宏觀上就表現(xiàn)出屈服強(qiáng)度增高。

因此在測(cè)量X80M 材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求的速率進(jìn)行，并注明采用的試驗(yàn)速率。

3 結(jié) 論

1)對(duì)于X80 管線鋼這種材料，在實(shí)驗(yàn)前估算橫梁位移速率時(shí)要考慮實(shí)驗(yàn)裝置彈性變形的影響，否則開(kāi)展試驗(yàn)的試驗(yàn)速率將不能滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2)橫梁位移速率保持恒定，試樣應(yīng)變速率并不保持恒定。在屈服點(diǎn)(Ft0.5)附近會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變速率迅速上升，試驗(yàn)中取的屈服點(diǎn)Ft0.5恰好在應(yīng)變速率迅速上升的階段。

3)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都隨著試驗(yàn)速率的提高而升高，測(cè)量X80M 材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求的速率進(jìn)行，并注明采用的試驗(yàn)速率。

［1］董 強(qiáng)，宰紹峰，孫建林，等. GB/T 228.1 -2010 中的拉伸試驗(yàn)速率及其控制［J］. 理化檢驗(yàn)- 物理分冊(cè)，2011，47

(12):774 -781.

［2］中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 228.1 -2010. 金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

［3］ASTM A370. Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products［S］.

［4］ASTM E8/E8M. Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials［S］.

［5］陳 軍，劉 攀，藍(lán)秀瓊，等. 試驗(yàn)速率對(duì)連續(xù)屈服材料拉伸性能的影響［J］. 四川兵工學(xué)報(bào)，2014，35(12):126-129.

［6］柳永寧，朱金華，周惠久. 普通低碳鋼的強(qiáng)度與溫度、應(yīng)變速率的關(guān)系［J］. 材料科學(xué)進(jìn)展，1990，4(4):285 -290.