０ 引 言

鋼的應(yīng)變時(shí)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(shí)保溫后,鋼的強(qiáng)度和硬度增加、塑性降低、屈強(qiáng)比明顯升高的現(xiàn)象[１].產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)效的主要原因是塑性變形引起位錯(cuò)增殖,使鋼產(chǎn)生加工硬化,同時(shí)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(fù),而間隙固溶原子向位錯(cuò)偏聚形成 Cottrell氣團(tuán)釘扎位錯(cuò),導(dǎo)致鋼的力學(xué)性能發(fā)生變化[２].應(yīng)變時(shí)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(yīng)變時(shí)效傾向,而鎳元素會(huì)降低應(yīng)變時(shí)效傾向[３].

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

目前有關(guān)應(yīng)變時(shí)效對(duì)拉伸性能影響程度的量化或半量化的研究報(bào)道并不多.為掌握高鋼級(jí)管線鋼發(fā)生應(yīng)變時(shí)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(duì)象,對(duì)其進(jìn)行應(yīng)變?yōu)椋埃担３．０％拉伸加載,卸載后分別進(jìn)行室溫放置１２０h和２００~２５０℃保溫３０min的時(shí)效處理,再進(jìn)行拉伸試驗(yàn),研究了拉伸預(yù)應(yīng)變和時(shí)效溫度對(duì)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(kuò)徑率對(duì)該鋼拉伸性能的影響,并確定了適宜的制管擴(kuò)徑率.

１ 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)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(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?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(jī)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(biāo)準(zhǔn),在不同厚度試驗(yàn)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(biāo)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(biāo)距均為５０ mm.在 WAWＧ２０００D 型微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)和 WDWＧ３００KN 型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上分別將矩形和圓棒形試樣以應(yīng)變速率為０．０００５s－１拉伸至預(yù)應(yīng)變?yōu)椋埃担１．２％,立即卸載,在室溫時(shí)效１２０h左右,再在上述兩種設(shè)備上進(jìn)行拉伸試驗(yàn),拉伸加載過程為:屈服前進(jìn)行等速應(yīng)力加載,拉伸速度為３mm??min－１;屈服后采用等速應(yīng)變加載,應(yīng)變速率為０．００２s－１,當(dāng)屈服后位移增至１mm 時(shí)進(jìn)行快速拉伸,最大拉伸速度

為３０mm??min－１.在相同條件下對(duì)未進(jìn)行拉伸預(yù)應(yīng)變的試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn).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(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)上拉伸至預(yù)應(yīng)變?yōu)椋埃担３．５％,應(yīng)

變速率為０．０００５s－１,立即卸載,分別在室溫,２００,２３０,２５０ ℃進(jìn)行時(shí)效處理,室溫時(shí)效時(shí)間為１２０h,

加熱時(shí)效時(shí)間為３０min,再在試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn),拉伸加載過程同上.在某鋼管廠對(duì)不同厚度的 X８０管線鋼進(jìn)行工

業(yè)化 LSAW 制管,主要工藝流程為板探→銑邊→預(yù)彎邊→成型→預(yù)焊→內(nèi)焊→外焊→超聲波探傷/X射線探傷→擴(kuò)徑→靜水壓試驗(yàn)→倒棱→再次超聲波探傷/X射線探傷→管端磁粉檢驗(yàn)→防腐和涂層,擴(kuò)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(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn),拉伸加載過程同上.試驗(yàn)鋼經(jīng)拉伸預(yù)應(yīng)變和時(shí)效處理后,將發(fā)生應(yīng)變時(shí)效,因此后文將此過程簡(jiǎn)稱為應(yīng)變時(shí)效.

２ 試驗(yàn)結(jié)果與討論

２．１ 拉伸預(yù)應(yīng)變和時(shí)效溫度對(duì)拉伸性能的影響

由圖１可見:未應(yīng)變時(shí)效試樣的拉伸曲線呈連續(xù)屈服的拱頂形;室溫應(yīng)變時(shí)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(duì)比可見,室溫應(yīng)變時(shí)效后試樣的屈服強(qiáng)度明顯增大,抗拉強(qiáng)度變化較小,屈強(qiáng)比增大.

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

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

錯(cuò)主要起到提高屈服強(qiáng)度的作用,對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響較小.因此,可以認(rèn)為室溫應(yīng)變時(shí)效后試樣的抗拉強(qiáng)度增量是由室溫時(shí)效引起的,并且與由室溫時(shí)效引起的屈服強(qiáng)度增量相近,即室溫應(yīng)變時(shí)效時(shí),

DRs１≈DRs－DRm .

由圖２可知:應(yīng)變時(shí)效后試樣的屈服強(qiáng)度增量、抗拉強(qiáng)度增量和屈強(qiáng)比增量均隨預(yù)應(yīng)變的增加而增大;２００~２５０ ℃應(yīng)變時(shí)效對(duì)拉伸性能的影響比室溫應(yīng)變時(shí)效的大,尤其是在預(yù)應(yīng)變?yōu)椋埃福ヒ陨蠒r(shí)更加明顯,這是因?yàn)樵诩訜釛l件下,間隙固溶原子的擴(kuò)散和偏聚能力更強(qiáng),導(dǎo)致其應(yīng)變時(shí)效程度更大;但是當(dāng)時(shí)效溫度由２００℃升至２５０℃時(shí),屈服強(qiáng)度增量、抗拉強(qiáng)度增量和屈強(qiáng)比增量并未表現(xiàn)出明顯增大的變化趨勢(shì),甚至當(dāng)拉伸預(yù)應(yīng)變較大時(shí)反而出現(xiàn)了減小的變化趨勢(shì).

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

時(shí) 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(shí)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(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)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(huì)降低抗拉強(qiáng)度,同時(shí)在２００~２５０ ℃時(shí)效時(shí)εＧFexC碳化物會(huì)發(fā)生聚集長大或向更穩(wěn)定的碳化物轉(zhuǎn)變,會(huì)使屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度降低[８].因此,在低溫去

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

２．２ 制管擴(kuò)徑率對(duì)拉伸性能的影響

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

增量和 屈 強(qiáng) 比 增 量 較 大,制 管 擴(kuò) 徑 率 為 ０．５％ ~０．６％時(shí)的屈服強(qiáng)度增量和屈強(qiáng)比增量與拉伸預(yù)應(yīng)變?yōu)椋保埃r(shí)的相近.因此,在鋼廠采用拉伸預(yù)應(yīng)變的方式探索高鋼級(jí)管線鋼制管擴(kuò)徑率時(shí),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(yīng)變時(shí)效的措施,如降低鋼中氮含量、降低屈強(qiáng)比和提高抗拉強(qiáng)度、控制鋼中各相比例、優(yōu)化鋼管涂層

溫度和時(shí)間等[１０Ｇ１３],但是制管擴(kuò)徑工藝對(duì)高鋼級(jí)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(yīng)變的后續(xù)處理工藝,是改善高鋼級(jí)管線鋼應(yīng)變時(shí)效的一個(gè)研究方向.

３ 結(jié) 論

(１)進(jìn)行拉伸預(yù)應(yīng)變 ＋ 時(shí)效處理或制管擴(kuò)徑后,試驗(yàn)鋼出現(xiàn)應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象,其屈服強(qiáng)度增大,抗

拉強(qiáng)度變化較小,屈強(qiáng)比增大.

(２)室溫應(yīng)變時(shí)效后,拉伸預(yù)應(yīng)變是影響試驗(yàn)鋼屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比提高的主要因素,室溫時(shí)效的影響較小;試樣的形狀和尺寸對(duì)屈服強(qiáng)度增量和屈強(qiáng)比增量的影響很小.

(３)與室溫應(yīng)變時(shí)效相比,２００~２５０ ℃應(yīng)變時(shí)效對(duì)試驗(yàn)鋼拉伸性能的影響更大,但在２００~２５０℃

間時(shí)效溫度的改變對(duì)拉伸性能影響不大,在２００~２５０ ℃應(yīng)變時(shí)效后,試驗(yàn)鋼屈服強(qiáng)度增量和抗拉強(qiáng)度增量的差值比室溫應(yīng)變時(shí)效后的大.

(４)當(dāng)拉伸預(yù)應(yīng)變與制管擴(kuò)徑率相同時(shí),制管擴(kuò)徑率對(duì)試驗(yàn)鋼屈服強(qiáng)度增量和屈強(qiáng)比增量的影響更加顯著,根據(jù)屈強(qiáng)比增量的大小,適宜的制管擴(kuò)徑率在０．５％~０．６％.