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(yè)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(jīng)濟快速發(fā)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(qū)快速發(fā)展，并導致所鋪設的運輸管道會經(jīng)過更復雜的地質(zhì)環(huán)境。為了保證管道運輸?shù)陌踩尚行孕枨螅咪摷壒芫€鋼研究成為熱點[1-3]。管線鋼在實際運輸應用中經(jīng)常受到外力作用產(chǎn)生屈曲、拉壓、斷裂等大變形失效，同時管線也經(jīng)常產(chǎn)生預應變現(xiàn)象。當管線鋼受到預應變時，材料的組織結(jié)構(gòu)變化，從而引起力學性能的

改變，影響了管線鋼管的安全穩(wěn)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(nèi)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(nèi)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(jù)材料的顯微組織結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(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的電子顯微鏡上進行電鏡分析。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 未經(jīng)預應變拉伸的母材組織

圖2是試驗鋼X80未經(jīng)預應變的母材顯微組織照片。如圖2所示，未經(jīng)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(nèi)部高的位錯密度會產(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韌性。

圖2 X80試驗鋼的母材顯微組織

經(jīng)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(jié)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(jié)構(gòu)與母材沒有明顯區(qū)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(nèi)的位錯結(jié)構(gòu)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(nèi)部位錯組織結(jié)構(gòu)變化的結(jié)果。隨著預應變量的增加，材料內(nèi)部的切應力作用增加從而促使位錯亞結(jié)構(gòu)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(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鋼顯微亞結(jié)構(gòu)照片。如圖4所示，隨著預應變量地增加，材料內(nèi)部應力集中促使顯微亞結(jié)構(gòu)位錯密度升高，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(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(shù)據(jù)。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(shù)n下降。

表2 X80試驗鋼經(jīng)不同應變處理后的拉伸數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)表明，與母材相比，試驗鋼經(jīng)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(shù)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?nèi)酢?/p>

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(shù)據(jù)所示。X80試驗鋼在未經(jīng)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(jié)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(jié)合表3數(shù)據(jù)，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(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致。

圖6 X80管線鋼在不同應變量下的斷口形貌

3 結(jié) 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(shù)等大變形指標降低，影響了管線運輸?shù)拇笞冃喂こ虘谩?/p>

(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(jié)生成的胞狀亞結(jié)構(gòu)數(shù)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。