提高無(wú)縫鋼管屈服強(qiáng)度測(cè)量值準(zhǔn)確性的探討

王亞男，周曉鋒，周國(guó)帥，邊令喜，邊洪振，韓銘君

（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津 300301）

屈服強(qiáng)度是金屬材料在拉伸或壓縮過(guò)程中經(jīng)過(guò)彈性變形區(qū)域后，到達(dá)塑性變形階段，發(fā)生屈服現(xiàn)象的屈服極限，是抵抗微量塑性變形所產(chǎn)生的應(yīng)力。在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上，屈服現(xiàn)象體現(xiàn)為應(yīng)力微小增加，而應(yīng)變急劇增大；在微觀機(jī)理上，通常認(rèn)為材料在受力過(guò)程中，沿著某處位錯(cuò)產(chǎn)生滑移，進(jìn)入塑性變形時(shí)，該處（范性區(qū)）的位錯(cuò)突然擺脫障礙束縛而開(kāi)始運(yùn)動(dòng)（產(chǎn)生上屈服點(diǎn)和呂德斯帶開(kāi)始成核），可動(dòng)位錯(cuò)增多，引起應(yīng)力下降（產(chǎn)生下屈服點(diǎn)和呂德斯帶已經(jīng)成核），范性區(qū)開(kāi)始由一處向整個(gè)試件擴(kuò)展（產(chǎn)生屈服平臺(tái)和呂德斯帶的傳播），當(dāng)呂德斯帶掃過(guò)整個(gè)試件后，位錯(cuò)密度增大，加工硬化開(kāi)始，應(yīng)力開(kāi)始上升［1-6］。

在拉伸試驗(yàn)中，試驗(yàn)條件和操作過(guò)程都會(huì)對(duì)屈服強(qiáng)度的測(cè)量值有一定影響。現(xiàn)以工作中經(jīng)常遇到的幾點(diǎn)因素作為研究對(duì)象，通過(guò)理論和試驗(yàn)說(shuō)明各因素對(duì)無(wú)縫鋼管屈服強(qiáng)度的影響程度，并提出使屈服強(qiáng)度測(cè)量值更接近其真實(shí)值的建議。

1 試驗(yàn)條件

為避免客觀因素的影響，拉伸試驗(yàn)機(jī)統(tǒng)一采用德國(guó)申克公司的RBO 600伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，力值精度為0.5級(jí)；引伸計(jì)采用德國(guó)申克公司的RDA2電子引伸計(jì)，精度為B-2級(jí)。

試驗(yàn)材料選用規(guī)格為Φ114.30～168.28 mm×9.17～12.70 mm，鋼級(jí)為 J55、K55、L80、P110、Q125及X52Q的無(wú)縫鋼管，并在鋼管上加工寬度為25.4 mm的帶肩弧形條狀試樣。

另外，試樣壁厚不均、表面鐵皮氧化、加工試樣肩部不對(duì)稱、取樣位置的不同，以及拉伸試驗(yàn)中的起始載荷不清零、引伸計(jì)打滑、夾具的震動(dòng)等，都會(huì)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，但在試驗(yàn)過(guò)程中已盡量避免這些因素產(chǎn)生的影響。

2 試驗(yàn)速率的影響

以L80鋼級(jí)無(wú)縫鋼管為試驗(yàn)材料，進(jìn)行不同應(yīng)力速率的拉伸試驗(yàn)。在同一根鋼管上截取12根試樣，按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》規(guī)定的應(yīng)力速率范圍（6～60 MPa/s）進(jìn)行試驗(yàn)，每?jī)筛唤M并取測(cè)得的屈服強(qiáng)度的平均值，分別進(jìn)行6組不同應(yīng)力速率的試驗(yàn)。不同應(yīng)力速率下L80鋼級(jí)無(wú)縫鋼管的屈服強(qiáng)度見(jiàn)表1。

表1 不同應(yīng)力速率下L80鋼級(jí)無(wú)縫鋼管的屈服強(qiáng)度

從表1可以看出，拉伸試驗(yàn)速率的增加對(duì)屈服強(qiáng)度有一定提高作用。這是因?yàn)槔焖俾蔬^(guò)大，位錯(cuò)受阻，滑移不充分，導(dǎo)致塑性變形不能及時(shí)傳播；再者形變強(qiáng)化的回復(fù)過(guò)程在過(guò)大的加載速率中受阻，所以使屈服強(qiáng)度測(cè)量值提高［7］。也有理論認(rèn)為，固體材料具有黏彈性特征，所謂黏彈性，是指材料不但具有彈性材料的一般特征，同時(shí)還具有黏性流體的一些特征，黏性性質(zhì)與材料的應(yīng)力和應(yīng)變率有關(guān)［8］，所以進(jìn)入屈服階段后，試驗(yàn)速率不同，所測(cè)試得到的強(qiáng)度值也不同。

在GB/T 228.1—2010所規(guī)定的應(yīng)力速率范圍內(nèi)，應(yīng)力速率對(duì)屈服強(qiáng)度的影響值可達(dá)到10 MPa。根據(jù)文獻(xiàn)［8］中對(duì)日本標(biāo)準(zhǔn)JIS Z 2241—1980《金屬材料抗拉試驗(yàn)方法》的敘述，在10～29 MPa/s應(yīng)力速率范圍內(nèi)，應(yīng)力速率對(duì)鋼的屈服強(qiáng)度影響升高10～20 MPa。對(duì)于其他拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，美國(guó)ASTM E 8/E 8M—2016a《金屬材料抗拉試驗(yàn)方法》規(guī)定應(yīng)力速率為1.15～11.50 MPa/s，英國(guó)BS EN 10002-1∶2001《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫下的測(cè)試方法》和國(guó)際ISO 6892-1∶2016《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫測(cè)試方法》同我國(guó)GB/T 228.1—2010一樣均要求應(yīng)力速率為6～60 MPa/s。所以，綜合試驗(yàn)數(shù)據(jù)和各相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在保證試驗(yàn)效率的基礎(chǔ)上，采用GB/T 228.1—2010進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，建議將應(yīng)力速率控制在10～25 MPa/s，并且在屈服點(diǎn)附近進(jìn)行速率轉(zhuǎn)換時(shí)平穩(wěn)進(jìn)行。

3 試樣夾持位置的影響

分別對(duì)K55、L80、P110鋼級(jí)無(wú)縫鋼管進(jìn)行不同夾持位置的拉伸試驗(yàn)。按照試驗(yàn)機(jī)軸線位置（對(duì)中布置），以對(duì)中位置起始向試驗(yàn)者移動(dòng)20 mm（前移20 mm），以對(duì)中位置起始背向試驗(yàn)者移動(dòng)20 mm（后移20 mm），以試樣中心為圓心、上部向試驗(yàn)者傾斜10°分別進(jìn)行夾持，不同夾持位置時(shí)無(wú)縫鋼管的屈服強(qiáng)度見(jiàn)表2。

表2 不同夾持位置時(shí)無(wú)縫鋼管的屈服強(qiáng)度

從表2看出，屈服強(qiáng)度Rp0.2受不同夾持位置的影響較大。這是由于不在對(duì)中位置夾持的試樣偏離了試驗(yàn)機(jī)軸線中心，除了受軸向拉應(yīng)力的作用外，還要受側(cè)向力和附加力矩的作用，使試樣受力狀態(tài)發(fā)生改變［9］。

前移或后移夾持的試樣，靠近試驗(yàn)機(jī)對(duì)中位置的一側(cè)領(lǐng)先于另一側(cè)產(chǎn)生較大變形，并且試驗(yàn)室采用的是單側(cè)變量引伸計(jì)，試樣測(cè)試面朝向試驗(yàn)者。當(dāng)試樣前移時(shí)，測(cè)試面遠(yuǎn)離試驗(yàn)機(jī)對(duì)中位置，此時(shí)測(cè)得的變形量滯后于試樣整體變形，當(dāng)測(cè)量值達(dá)到規(guī)定的應(yīng)變量時(shí)，試樣整體已超過(guò)規(guī)定變形量；因此，前移夾持時(shí)測(cè)得的屈服強(qiáng)度偏高。反之，后移時(shí)，測(cè)試面靠近試驗(yàn)機(jī)對(duì)中位置，測(cè)量值達(dá)到規(guī)定應(yīng)變量時(shí)，試樣整體還沒(méi)有達(dá)到；因此，后移夾持時(shí)測(cè)得的屈服強(qiáng)度偏低。傾斜夾持試樣時(shí)，試樣除受到拉載荷外還受到一個(gè)彎矩作用，使得測(cè)得的變形量領(lǐng)先于試樣整體變形，當(dāng)測(cè)得的變形量達(dá)到規(guī)定應(yīng)變量時(shí)，試樣整體還沒(méi)有達(dá)到；因此，傾斜夾持時(shí)測(cè)得的屈服強(qiáng)度偏低。

為減小不同夾持位置對(duì)屈服強(qiáng)度測(cè)量值帶來(lái)的影響，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)盡量使試樣夾持在夾頭的中間軸線位置，且保持豎直狀態(tài)；另外，采用雙側(cè)變量引伸計(jì)可減小屈服強(qiáng)度測(cè)量的偏離值。

4 屈服強(qiáng)度指標(biāo)選擇的影響

4.1 屈服強(qiáng)度指標(biāo)的影響

常用的屈服強(qiáng)度指標(biāo)有上屈服強(qiáng)度ReH、下屈服強(qiáng)度ReL、規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度Rp0.2、規(guī)定總延伸強(qiáng)度Rt0.5等，這些指標(biāo)都可以作為衡量材料屈服強(qiáng)度的參數(shù)，但不同指標(biāo)的選擇所測(cè)出的屈服強(qiáng)度略有區(qū)別。測(cè)量不同屈服強(qiáng)度指標(biāo)繪制拉伸試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，不同鋼級(jí)無(wú)縫鋼管的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示，不同鋼級(jí)無(wú)縫鋼管的常用屈服強(qiáng)度數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

圖1 不同鋼級(jí)無(wú)縫鋼管的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表3 不同鋼級(jí)無(wú)縫鋼管的常用屈服強(qiáng)度數(shù)據(jù)MPa

由表3看出，屈服強(qiáng)度指標(biāo)的選取不同，屈服強(qiáng)度也不相同，偏差一般不超過(guò)5 MPa，這是因?yàn)楦髑笜?biāo)的測(cè)量方式不同。

（1）上屈服強(qiáng)度ReH是試樣發(fā)生屈服而應(yīng)力首次下降前的最大應(yīng)力。判斷ReH的根據(jù)是：ReH∧ReL。所以，在某些拉伸曲線中（如圖1a和圖1c～e所示），ReH是不存在的，這也是大部分產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)不要求測(cè)量ReH而以Rp0.2代替的原因。

（2）下屈服強(qiáng)度ReL是不計(jì)初始瞬時(shí)效應(yīng)時(shí)的最小應(yīng)力。ReL是一個(gè)穩(wěn)定屈服過(guò)程，再現(xiàn)性較好，一般情況下，選擇ReL作為衡量屈服強(qiáng)度的指標(biāo)。但在連續(xù)屈服現(xiàn)象的曲線中（圖1d～e所示），ReL是不存在的，可選取Rp0.2代替。

（3）規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度Rp0.2是規(guī)定塑性延伸率為0.2%時(shí)的應(yīng)力。這是針對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線中沒(méi)有明顯屈服平臺(tái)（ReH或ReL）而人為規(guī)定的一種計(jì)算方式。而應(yīng)力-應(yīng)變曲線彈性段起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)的選取會(huì)影響Rp0.2（表3中Q125鋼級(jí)），圖1（d）～（e）所示的 Rp0.2彈性段選取分別為 1/4～1/2、1/2～3/4處，測(cè)量值相差4 MPa，這是由于彈性段并非完全呈直線型上升，不同彈性段對(duì)應(yīng)的斜率不同，所以應(yīng)變?yōu)?.2%時(shí)的平行線與應(yīng)力-應(yīng)變曲線交點(diǎn)不同。根據(jù)王有欣［10］的研究，彈性段選取1/4～1/2處，可以獲得較準(zhǔn)確的Rp0.2。

（4）規(guī)定總延伸強(qiáng)度Rt0.5表示規(guī)定總延伸率為0.5%時(shí)的應(yīng)力。根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線（圖2）可推導(dǎo)出公式（1）的關(guān)系：

式中et——規(guī)定總延伸率，%；

E——彈性模量，GPa，鋼取值210 GPa。

圖2 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

以API Spec 5CT—2011《套管和油管規(guī)范》（第9版）中P110鋼級(jí)為例，屈服強(qiáng)度下限Rt為758 MPa，計(jì)算出et為0.560 9%，修約后取0.6%；再如Q125鋼級(jí)，屈服強(qiáng)度下限Rt為862 MPa，計(jì)算出et為0.610 5%，修約后取0.65%。而API Spec 5L—2012《管線鋼管規(guī)范》（第45版）中，鋼級(jí)高于X90時(shí)，通過(guò)公式（1）計(jì)算出的et大于0.5，所以API Spec 5L—2012規(guī)定鋼級(jí)不高于X90時(shí)，Rt0.5適用；鋼級(jí)高于X90時(shí)，Rp0.2適用。

4.2 屈服強(qiáng)度指標(biāo)的選取原則

為了使屈服強(qiáng)度指標(biāo)的選取更接近真實(shí)值，試驗(yàn)時(shí)，若產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)有要求，應(yīng)按照產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行屈服強(qiáng)度指標(biāo)的選取。若產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)無(wú)要求，建議根據(jù)公式（1）計(jì)算et：當(dāng)et∧0.55%時(shí)，一般美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)按Rt0.5選取，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)按ReL或Rp0.2選取；當(dāng)et≥0.55%時(shí)，建議首先參照相同品種的同種強(qiáng)度級(jí)別的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，若無(wú)可參照產(chǎn)品，則按照公式（1）計(jì)算結(jié)果修約后的取值進(jìn)行選取。

5 結(jié) 論

（1）試驗(yàn)速率的增加對(duì)屈服強(qiáng)度有一定的提高作用。建議將應(yīng)力速率控制在10～25 MPa/s。

（2）試樣夾持位置對(duì)屈服強(qiáng)度測(cè)量值影響很大。建議試驗(yàn)中盡量保證試樣夾持在中間位置，且保持豎直狀態(tài)；另外，采用雙側(cè)變量引伸計(jì)可減小屈服強(qiáng)度測(cè)量時(shí)的偏離值。

（3）屈服強(qiáng)度指標(biāo)的選取對(duì)屈服強(qiáng)度測(cè)量值的影響偏差一般不超過(guò)5 MPa。建議首先應(yīng)按照產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行屈服強(qiáng)度指標(biāo)的選取，但若產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)無(wú)要求，用公式（1）計(jì)算et，再根據(jù)et進(jìn)行選?。篹t∧0.55%時(shí)，一般美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)按Rt0.5選取，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)按ReL或Rp0.2選取；et≥0.55%時(shí)，首先參照相同品種的同種強(qiáng)度級(jí)別的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，若無(wú)可參照產(chǎn)品，則按照公式（1）計(jì)算結(jié)果修約后的取值進(jìn)行選取。