０ 引 言

鋼的應變時效是指經(jīng)冷塑性變形后在室溫下長期放置或經(jīng)１００~３００℃短時保溫后,鋼的強度和硬度增加、塑性降低、屈強比明顯升高的現(xiàn)象[１].產(chǎn)生應變時效的主要原因是塑性變形引起位錯增殖,使鋼產(chǎn)生加工硬化,同時引起晶格畸變,使碳、氮、硼等間隙固溶原子的固溶能力下降,在隨后的室溫長期放置或１００~３００℃保溫過程中,加工硬化還未發(fā)生回復,而間隙固溶原子向位錯偏聚形成 Cottrell氣團釘扎位錯,導致鋼的力學性能發(fā)生變化[２].應變時效現(xiàn)象主要發(fā)生在低碳鋼中,鋼中的氮、氧、銅等元素能顯著提高其應變時效傾向,而鎳元素會降低應變時效傾向[３].

采用直縫埋弧焊(LSAW)工藝制管時,其成型、擴徑以及靜水壓過程都會使管線鋼產(chǎn)生應變,制管后又要在２００~２５０℃下進行防腐涂層處理[４],因此管線鋼將不可避免地產(chǎn)生應變時效.近年來,大口徑、大壁厚、大輸送壓力的輸送條件對高鋼級管線鋼的性能提出了更高的要求.然而隨著管線鋼強度的提高,應變時效對其拉伸性能的影響越發(fā)明顯[５],但

目前有關(guān)應變時效對拉伸性能影響程度的量化或半量化的研究報道并不多.為掌握高鋼級管線鋼發(fā)生應變時效后的拉伸性能變化情況,作 者 以 大 口 徑 X８０ 管 線 鋼 為 研 究 對象,對其進行應變?yōu)椋埃担３．０％拉伸加載,卸載后分別進行室溫放置１２０h和２００~２５０℃保溫３０min的時效處理,再進行拉伸試驗,研究了拉伸預應變和時效溫度對拉伸性能的影響;采用 LSAW 工藝將X８０管線鋼制成鋼管,研究了制管擴徑率對該鋼拉伸性能的影響,并確定了適宜的制管擴徑率.

１ 試樣制備與試驗方法

試驗材料為?１４２２mm 大口徑管線用 X８０管線鋼板,厚度分別為１６．３,２５．７,３０．８ mm,由湖南

華菱湘潭鋼鐵有限公司提供,其化學成分(質(zhì)量分數(shù))為 ≤０．０８％C,≤０．３％Si,１．６％ ~２．０％ Mn,≤０．０１２％P,≤０．００２％S,０．２５％ ~０．４５％ (Cr＋Mo),０．２５％~０．４５％(Cu＋Ni),０．０６％~０．０８％(Nb＋V＋Ti),≤０．０５％Al,≤０．０００５％B,０．００２９％ ~０．００３４％N,０．０００９％~０．００１２％O,余 Fe;該管線鋼采用熱機械軋制(TMCP),顯微組織主要由鐵素體、貝氏體和馬氏體Ｇ奧氏體(M/A)島組成.

按照 ASTM A３７０標準,在不同厚度試驗鋼板上分別截取矩形和圓棒形拉伸試樣.矩形試樣為全厚度試樣,寬度為３８mm,標距為５０mm;圓棒形試樣的取樣位置在鋼板１/２厚度處,厚度為２５．７,３０．８,１６．３mm 鋼板上截取的試樣直徑分別為１２．７,１２．７,６．４mm,標距均為５０ mm.在 WAWＧ２０００D 型微機控制電液伺服萬能試驗機和 WDWＧ３００KN 型微機控制電子萬能試驗機上分別將矩形和圓棒形試樣以應變速率為０．０００５s－１拉伸至預應變?yōu)椋埃担１．２％,立即卸載,在室溫時效１２０h左右,再在上述兩種設(shè)備上進行拉伸試驗,拉伸加載過程為:屈服前進行等速應力加載,拉伸速度為３mm??min－１;屈服后采用等速應變加載,應變速率為０．００２s－１,當屈服后位移增至１mm 時進行快速拉伸,最大拉伸速度

為３０mm??min－１.在相同條件下對未進行拉伸預應變的試樣進行拉伸試驗.在厚度為１６．３ mm 的鋼板上橫向截取矩形拉伸試樣,尺寸同上,在 WAWＧ２０００D型微機控制電液伺服萬能試驗機上拉伸至預應變?yōu)椋埃担３．５％,應

變速率為０．０００５s－１,立即卸載,分別在室溫,２００,２３０,２５０ ℃進行時效處理,室溫時效時間為１２０h,

加熱時效時間為３０min,再在試驗機上進行拉伸試驗,拉伸加載過程同上.在某鋼管廠對不同厚度的 X８０管線鋼進行工

業(yè)化 LSAW 制管,主要工藝流程為板探→銑邊→預彎邊→成型→預焊→內(nèi)焊→外焊→超聲波探傷/X射線探傷→擴徑→靜水壓試驗→倒棱→再次超聲波探傷/X射線探傷→管端磁粉檢驗→防腐和涂層,擴徑率分別為０．５％~０．６％和０．７％~０．８％.在鋼管上橫向截 取 圓 棒 形 拉 伸 試 樣,尺 寸 同 上,在 EDLＧ３００KN 型液壓萬能試驗機上進行拉伸試驗,拉伸加載過程同上.試驗鋼經(jīng)拉伸預應變和時效處理后,將發(fā)生應變時效,因此后文將此過程簡稱為應變時效.

２ 試驗結(jié)果與討論

２．１ 拉伸預應變和時效溫度對拉伸性能的影響

由圖１可見:未應變時效試樣的拉伸曲線呈連續(xù)屈服的拱頂形;室溫應變時效后試樣的拉伸曲線出現(xiàn)一加工硬化變緩的屈服段,但整體上仍為拱頂形;對比可見,室溫應變時效后試樣的屈服強度明顯增大,抗拉強度變化較小,屈強比增大.

圖１中:Rs 為未應變時效試樣的屈服強度(若為矩形試樣,Rs 取規(guī)定總延伸強度Rt０．５;若為圓棒形試樣,Rs 取規(guī)定塑性延伸強度 Rp０．２);R∗s 為應變時效后試樣的屈服強度.將應變時效后試樣的拉伸曲線按預應變的大小向右平移,得到平移后屈服點對應的應變,在未應變時效試樣的拉伸曲線上取該應變值,將其對應的應力記為Rd.根據(jù)文獻[６],可以近似將應變時效前后的屈服強度增量DRs 分為由拉伸預應變引起的屈服強度增量DRs１和由時效引起的屈服強度增量DRs２,計算公式為

由表１可以看出:隨拉伸預應變的增大,試樣的屈服強度增量DRs 和屈強比增量Dδ 均增大,屈服強度增量中由拉伸預應變引起的占比較大,為６０％~９０％,而由室溫時效引起的占比較小,且由室溫時效引起的屈服強度增量與抗拉強度增量DRm 相近;當拉伸預應變相近時,不同厚度和不同形狀試樣的屈服強度增量和屈強比增量相近.由此可見,拉伸預應變是室溫應變時效后試樣屈服強度和屈強比提高的主要因素,試樣形狀和尺寸對拉伸性能的影響很小.由鋼的強化機理[７]可知:在室溫時效過程中形成的 Cottrell氣團對位錯的釘扎作用對屈服強度和抗拉強度的貢獻基本相當,而拉伸預應變導致的位

錯主要起到提高屈服強度的作用,對抗拉強度的影響較小.因此,可以認為室溫應變時效后試樣的抗拉強度增量是由室溫時效引起的,并且與由室溫時效引起的屈服強度增量相近,即室溫應變時效時,

DRs１≈DRs－DRm .

由圖２可知:應變時效后試樣的屈服強度增量、抗拉強度增量和屈強比增量均隨預應變的增加而增大;２００~２５０ ℃應變時效對拉伸性能的影響比室溫應變時效的大,尤其是在預應變?yōu)椋埃福ヒ陨蠒r更加明顯,這是因為在加熱條件下,間隙固溶原子的擴散和偏聚能力更強,導致其應變時效程度更大;但是當時效溫度由２００℃升至２５０℃時,屈服強度增量、抗拉強度增量和屈強比增量并未表現(xiàn)出明顯增大的變化趨勢,甚至當拉伸預應變較大時反而出現(xiàn)了減小的變化趨勢.

不管是室溫應變時效還是加熱應變時效,DRs１隨拉伸預應變的變化規(guī)律應一致;但是由圖３可知,室溫應變時效和加熱應變時效對DRs－DRm 的影響存在差異.將加熱應變時效與室溫應變時效之間DRs－DRm 的差值設(shè)為DRs３,則可知DRs３ 隨預應變量的增加呈先增后減的變化趨勢.一方面,αＧFe的再結(jié)晶溫度在４５０ ℃左右,當拉伸預應變后的試樣在２００~２５０ ℃保溫時,αＧFe開始出現(xiàn)回復作用,這時主要涉及點缺陷運動,點缺陷密度減少,而由拉伸預應變產(chǎn)生的位錯仍未發(fā)生回復,因此從應變角度上看,２００~２５０ ℃時效對力學性能的影響很小;但是２００~２５０ ℃時效使冷變形產(chǎn)生的第一類內(nèi)應力松弛,起到了去應力退火的作用,導致抗拉強度的降低[８].另一方面,在加熱過程中,當溫度升至８０ ℃

時 M/A 島組織中的馬氏體開始發(fā)生分解,從過飽和α固溶體中彌散析出εＧFexC碳化物,溫度升高到

１５０ ℃左右時殘余奧氏體開始轉(zhuǎn)變?yōu)棣料嗪挺牛荈exC碳化物的混合物.εＧFexC 碳化物的生成雖然使試驗鋼的屈服強度和抗拉強度增加,但是馬氏體中碳的過飽和度的減小以及殘余奧氏體向α相的轉(zhuǎn)變會降低抗拉強度,同時在２００~２５０ ℃時效時εＧFexC碳化物會發(fā)生聚集長大或向更穩(wěn)定的碳化物轉(zhuǎn)變,會使屈服強度和抗拉強度降低[８].因此,在低溫去

應力和回火的雙重作用下,加熱應變時效后試樣的屈服強度比抗拉強度增加得比室溫應變時效后的更為顯著,屈強比隨之增大.也正是由于加熱對變形和組織的影響,以及時效的作用,在２００~２５０ ℃之間時效溫度的改變對拉伸性能的影響不大.

２．２ 制管擴徑率對拉伸性能的影響

為保證鋼管的管徑、圓度、直度等精度,同時降低鋼管局部不均勻變形程度和殘余應力,制管擴徑率應在０．５％~１．５％[９].試驗測得:當制管擴徑率為０．５％~０．６％時,試驗鋼制管前后的平均屈服強度增量為５８MPa,平均抗拉強度增量為１３MPa,平均屈強 比 增 量 為 ０．０７;當 制 管 擴 徑 率 為 ０．７％ ~０．８％時,平均屈服強度增量為９４ MPa,平均抗拉強度增量為１６MPa,平均屈強比增量為０．１３.由此可見,制管擴徑對試驗鋼拉伸性能的影響非常明顯.由屈強比增量的大小,并考慮到擴徑后的涂層工序會使試驗鋼的應變時效變得更為嚴重,因此其制管擴徑率宜設(shè)定在０．５％~０．６％.由圖４可知,當拉伸預應變與制管擴徑率相同時,抗拉強度增量的變化不大,但制管后的屈服強度

增量和 屈 強 比 增 量 較 大,制 管 擴 徑 率 為 ０．５％ ~０．６％時的屈服強度增量和屈強比增量與拉伸預應變?yōu)椋保埃r的相近.因此,在鋼廠采用拉伸預應變的方式探索高鋼級管線鋼制管擴徑率時,要充分考慮二者的差別.此外,盡管提出了諸多改善管線鋼應變時效的措施,如降低鋼中氮含量、降低屈強比和提高抗拉強度、控制鋼中各相比例、優(yōu)化鋼管涂層

溫度和時間等[１０Ｇ１３],但是制管擴徑工藝對高鋼級管線鋼拉伸性能的影響還是很大.為此,開發(fā)消除或降低制管后加工硬化和殘余應變的后續(xù)處理工藝,是改善高鋼級管線鋼應變時效的一個研究方向.

３ 結(jié) 論

(１)進行拉伸預應變 ＋ 時效處理或制管擴徑后,試驗鋼出現(xiàn)應變時效現(xiàn)象,其屈服強度增大,抗

拉強度變化較小,屈強比增大.

(２)室溫應變時效后,拉伸預應變是影響試驗鋼屈服強度和屈強比提高的主要因素,室溫時效的影響較小;試樣的形狀和尺寸對屈服強度增量和屈強比增量的影響很小.

(３)與室溫應變時效相比,２００~２５０ ℃應變時效對試驗鋼拉伸性能的影響更大,但在２００~２５０℃

間時效溫度的改變對拉伸性能影響不大,在２００~２５０ ℃應變時效后,試驗鋼屈服強度增量和抗拉強度增量的差值比室溫應變時效后的大.

(４)當拉伸預應變與制管擴徑率相同時,制管擴徑率對試驗鋼屈服強度增量和屈強比增量的影響更加顯著,根據(jù)屈強比增量的大小,適宜的制管擴徑率在０．５％~０．６％.