摘 要:４１０ MPa級(jí)鋼制無(wú)縫壓力管在高溫拉伸測(cè)試中出現(xiàn)了結(jié)果異常現(xiàn)象,具體表現(xiàn)為隨著 試驗(yàn)溫度的升高,材料的屈服強(qiáng)度先升高后下降,與此同時(shí),材料的抗拉強(qiáng)度隨試驗(yàn)溫度的變化也 表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律,且兩者分別在１５０,２００ ℃時(shí)達(dá)到最大.通過(guò)多種檢驗(yàn)手段對(duì)無(wú)縫壓力管 的微觀組織變化進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)所述試驗(yàn)現(xiàn)象是試驗(yàn)溫度與晶粒尺寸綜合作用的結(jié)果. 

關(guān)鍵詞:４１０MPa級(jí)鋼;無(wú)縫壓力管;晶粒尺寸;試驗(yàn)溫度;高溫拉伸性能 

中圖分類(lèi)號(hào):TG１４２．１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１９)１２Ｇ０８４１Ｇ０４

制 造 鍋 爐、壓 力 容 器 與 壓 力 管 道 等 所 用 的 ４１０MPa級(jí)鋼常需在高溫條件下工作,因此對(duì)其進(jìn) 行高溫力學(xué)性能測(cè)試是必不可少的.４１０ MPa級(jí) 鋼屬于經(jīng)鎮(zhèn)靜脫氧處理的碳錳鋼,與其他碳錳鋼類(lèi) 似,通常情況下,在室溫至５００ ℃的溫度范圍內(nèi),除 了藍(lán)脆區(qū),隨著試驗(yàn)溫度的升高,其原子擴(kuò)散能力增 大,空位數(shù)量增多,晶界滑移系改變或增加,材料易 于發(fā)生塑性變形,表現(xiàn)為強(qiáng)度降低、塑性升高[１Ｇ２].

然而,筆者某次在對(duì)４１０ MPa級(jí)鋼制無(wú)縫壓力 管的高溫拉伸性能進(jìn)行測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn),隨著試驗(yàn)溫度 的升高,該鋼管的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度均出現(xiàn)了先 升高后降低的異常現(xiàn)象.經(jīng)過(guò)核實(shí),試驗(yàn)取樣與加 工、試樣尺寸測(cè)量、試驗(yàn)溫度設(shè)定、試驗(yàn)過(guò)程等都不 存在問(wèn)題.針對(duì)該現(xiàn)象,筆者利用多種檢驗(yàn)手段對(duì) 無(wú)縫壓力管的顯微組織進(jìn)行了觀察,對(duì)此異常規(guī)律 產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析探究.

１ 試驗(yàn)方法 

試驗(yàn)用材料為４１０ MPa級(jí)鋼制無(wú)縫壓力管,規(guī) 格為?４８mm×７mm,將一根整管鋸斷成若干段,沿 管子縱向剖成兩半,按照 GB/T２２８．２－２０１５«金屬材 料 拉抻試驗(yàn) 第２部分:高溫試驗(yàn)方法»加工成弧形試 樣,試樣形狀見(jiàn)圖１.試驗(yàn)設(shè)置５０,１００,１５０,２００,２５０, ３００,３５０,４００,４５０℃共９個(gè)溫度,各隨機(jī)挑選一個(gè)試 樣進(jìn)行試驗(yàn).試驗(yàn)具體操作步驟為:先將試樣與工裝相連放入高溫爐中進(jìn)行升溫,達(dá)到設(shè)定的試驗(yàn)溫度并 保溫１５min后開(kāi)始進(jìn)行拉伸試驗(yàn).在達(dá)到屈服點(diǎn)之 前,拉伸速率設(shè)定為０．５mm??min－１,試樣屈服之后, 試驗(yàn) 速 率 設(shè) 定 為２mm??min－１,整 個(gè) 試 驗(yàn) 過(guò) 程 在 INSTRON５５８７型試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行. 

試樣斷口觀測(cè)采用JSMＧ３５C 型掃描電子顯微 鏡;金相檢驗(yàn)采用 OLYMPUS光學(xué)顯微鏡,取樣部 位為試樣 夾 持 端 未 變 形 區(qū) 域;微 觀 組 織 分 析 采 用 CM２００型透射電子顯微鏡,取樣位置緊靠斷口的縮 頸部位.

２ 試驗(yàn)結(jié)果 

２．１ 拉伸試驗(yàn)結(jié)果 

不同試驗(yàn)溫度條件下４１０ MPa級(jí)鋼制無(wú)縫壓 力管的高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖２.可以看出其屈服 強(qiáng)度隨著試驗(yàn)溫度的升高表現(xiàn)出先略微增加后逐漸下降的趨勢(shì),在１５０℃時(shí)達(dá)到最大值;抗拉強(qiáng)度隨試 驗(yàn)溫度的變化規(guī)律與屈服強(qiáng)度的相似,在２００ ℃時(shí) 達(dá)到最大值,且在２００ ℃之前,隨試驗(yàn)溫度的升高, 抗拉強(qiáng)度顯著增大;而材料的斷后伸長(zhǎng)率則隨著試 驗(yàn)溫度的升高而持續(xù)增加,僅在２００ ℃時(shí)出現(xiàn)了陡 降,分析認(rèn)為此處對(duì)應(yīng)材料的藍(lán)脆區(qū).

２．２ 斷口形貌 

圖３為試樣的拉伸斷口形貌,可以看出在５０, １５０,２５０,３５０ ℃時(shí),斷口具有較多小且深的韌窩,表 現(xiàn)出明顯的塑性特征,而２００ ℃試樣的大韌窩所占 比例較大,且部分韌窩扁平,相比較于前者,塑性特 征有 所 下 降. 對(duì) 于 ４５０ ℃ 試 樣,其 斷 口 雖 然 與 ２００ ℃試樣的特征相似,但從圖２可以看出,在此溫 度下,材料的塑性很好,沒(méi)有出現(xiàn)脆化現(xiàn)象.

２．３ 顯微組織 

對(duì)不同試驗(yàn)溫度條件下的試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn), 如圖４所示,試樣的顯微組織為鐵素體＋珠光體. 試樣的晶粒度級(jí)別評(píng)定結(jié)果見(jiàn)圖５,可以看出不同 溫度條件下所用拉伸試樣的晶粒度有較大差別,說(shuō) 明４１０ MPa級(jí)鋼制無(wú)縫壓力管的微觀組織本身就 存在著不均勻性,這可能是鋼管在拉拔的過(guò)程中變 形不均勻所致.

圖６為透射電鏡下試樣的顯微組織形貌,可以 看出,試樣的顯微組織為鐵素體＋層片狀的珠光體, 珠光體層片間距無(wú)明顯差異.

３ 分析與討論 

理論上,從５０~１５０℃,材料強(qiáng)度值隨溫度升高 應(yīng)該呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),但上述試驗(yàn)結(jié)果恰好相反,結(jié) 合圖５中試樣晶粒度的差異,筆者認(rèn)為這是試驗(yàn)溫 度與晶粒尺寸綜合作用的結(jié)果.一方面,隨著溫度 的升高,原子擴(kuò)散能力增大,晶體中空位數(shù)量增多, 晶界滑移系增加,材料的強(qiáng)度降低,塑性提高;另一 方面,從５０~１５０℃,高溫拉伸試驗(yàn)所選用試樣的晶 粒尺寸依次減小(對(duì)應(yīng)晶粒度級(jí)別增加),晶粒呈現(xiàn) 細(xì)化的趨勢(shì).隨著晶粒尺寸的減小,晶界增多,晶界 前塞積的位錯(cuò)數(shù)減少,應(yīng)力集中現(xiàn)象降低;同時(shí),晶 界增多使得裂紋擴(kuò)展所遇阻力增大,并且晶界總面 積增加,晶界上雜質(zhì)所占比例大大降低,減少了產(chǎn)生 脆性斷裂的幾率,從而達(dá)到增強(qiáng)、增韌的效果.

綜上所述,由于晶粒細(xì)化對(duì)材料的增強(qiáng)作用大 于溫度升高的軟化作用,在５０~１５０ ℃,隨溫度升 高,材料的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)了升高的異常 現(xiàn)象;而溫度升高與晶粒細(xì)化都能夠提高材料的塑 性,所以在此溫度范圍內(nèi)斷后伸長(zhǎng)率呈現(xiàn)持續(xù)增加 的趨勢(shì). 

當(dāng)試驗(yàn)溫度升高到２００ ℃以上后,晶粒尺寸對(duì) 材料性能的作用效果減弱,試驗(yàn)溫度的影響開(kāi)始占 據(jù)主導(dǎo)作用,隨著試驗(yàn)溫度的升高,４１０ MPa級(jí)鋼 制無(wú)縫壓力管的強(qiáng)度下降,塑性增加.

碳鋼在１５０~３５０ ℃的溫度區(qū)間會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度上 升、塑性下降、脆性增加的行為[３Ｇ６],被稱(chēng)為藍(lán)脆現(xiàn) 象.從圖２中斷后伸長(zhǎng)率所呈現(xiàn)的陡降現(xiàn)象可以判 定,４１０MPa級(jí)鋼制無(wú)縫壓力管的藍(lán)脆區(qū)在２００ ℃ 左右.通常情況下,藍(lán)脆主要影響到材料的抗拉強(qiáng) 度和斷后伸長(zhǎng)率,對(duì)材料的屈服強(qiáng)度影響不大,所以 在２００℃時(shí),材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了最大,而對(duì)應(yīng)的 屈服強(qiáng)度則開(kāi)始下降.

４ 結(jié)論

(１)在同一根鋼管上取一批試樣,試樣的晶粒 尺寸也可能存在顯著差異,最終對(duì)材料的力學(xué)性能 測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生一定的影響.

(２)試驗(yàn)溫度低于１５０ ℃時(shí),隨試驗(yàn)溫度升高, ４１０MPa級(jí)鋼制無(wú)縫壓力管的強(qiáng)度值出現(xiàn)了異常 的增高現(xiàn)象,這是由晶粒細(xì)化的強(qiáng)化作用高于溫度 的軟化作用所致. 

(３)４１０MPa級(jí)鋼制無(wú)縫壓力管出現(xiàn)藍(lán)脆現(xiàn)象 的溫度為２００ ℃左右. 

(４)不論是產(chǎn)品檢驗(yàn)還是材料研發(fā),通過(guò)檢測(cè) 單個(gè)試樣所得的結(jié)果來(lái)代表材料的整體性能可能存 在風(fēng)險(xiǎn). 

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<文章來(lái)源>材料與測(cè)試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè) > 55卷 > 12期 (pp:841-844)>