分享：４１０MPa级钢制无缝压力管高温拉伸 测试结果异常原因分析

摘 要:４１０ MPa级钢制无缝压力管在高温拉伸测试中出现了结果异常现象,具体表现为随着 试验温度的升高,材料的屈服强度先升高后下降,与此同时,材料的抗拉强度随试验温度的变化也 表现出相似的变化规律,且两者分别在１５０,２００ ℃时达到最大.通过多种检验手段对无缝压力管 的微观组织变化进行了研究,发现所述试验现象是试验温度与晶粒尺寸综合作用的结果. 

关键词:４１０MPa级钢;无缝压力管;晶粒尺寸;试验温度;高温拉伸性能 

中图分类号:TG１４２．１ 文献标志码:A 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１２Ｇ０８４１Ｇ０４

制 造 锅 炉、压 力 容 器 与 压 力 管 道 等 所 用 的 ４１０MPa级钢常需在高温条件下工作,因此对其进 行高温力学性能测试是必不可少的.４１０ MPa级 钢属于经镇静脱氧处理的碳锰钢,与其他碳锰钢类 似,通常情况下,在室温至５００ ℃的温度范围内,除 了蓝脆区,随着试验温度的升高,其原子扩散能力增 大,空位数量增多,晶界滑移系改变或增加,材料易 于发生塑性变形,表现为强度降低、塑性升高[１Ｇ２].

然而,笔者某次在对４１０ MPa级钢制无缝压力 管的高温拉伸性能进行测试时发现,随着试验温度 的升高,该钢管的屈服强度与抗拉强度均出现了先 升高后降低的异常现象.经过核实,试验取样与加 工、试样尺寸测量、试验温度设定、试验过程等都不 存在问题.针对该现象,笔者利用多种检验手段对 无缝压力管的显微组织进行了观察,对此异常规律 产生的原因进行了分析探究.

１ 试验方法 

试验用材料为４１０ MPa级钢制无缝压力管,规 格为?４８mm×７mm,将一根整管锯断成若干段,沿 管子纵向剖成两半,按照 GB/T２２８．２－２０１５«金属材 料 拉抻试验 第２部分:高温试验方法»加工成弧形试 样,试样形状见图１.试验设置５０,１００,１５０,２００,２５０, ３００,３５０,４００,４５０℃共９个温度,各随机挑选一个试 样进行试验.试验具体操作步骤为:先将试样与工装相连放入高温炉中进行升温,达到设定的试验温度并 保温１５min后开始进行拉伸试验.在达到屈服点之 前,拉伸速率设定为０．５mm??min－１,试样屈服之后, 试验 速 率 设 定 为２mm??min－１,整 个 试 验 过 程 在 INSTRON５５８７型试验机上进行. 

试样断口观测采用JSMＧ３５C 型扫描电子显微 镜;金相检验采用 OLYMPUS光学显微镜,取样部 位为试样 夹 持 端 未 变 形 区 域;微 观 组 织 分 析 采 用 CM２００型透射电子显微镜,取样位置紧靠断口的缩 颈部位.

２ 试验结果 

２．１ 拉伸试验结果 

不同试验温度条件下４１０ MPa级钢制无缝压 力管的高温拉伸试验结果见图２.可以看出其屈服 强度随着试验温度的升高表现出先略微增加后逐渐下降的趋势,在１５０℃时达到最大值;抗拉强度随试 验温度的变化规律与屈服强度的相似,在２００ ℃时 达到最大值,且在２００ ℃之前,随试验温度的升高, 抗拉强度显著增大;而材料的断后伸长率则随着试 验温度的升高而持续增加,仅在２００ ℃时出现了陡 降,分析认为此处对应材料的蓝脆区.

２．２ 断口形貌 

图３为试样的拉伸断口形貌,可以看出在５０, １５０,２５０,３５０ ℃时,断口具有较多小且深的韧窝,表 现出明显的塑性特征,而２００ ℃试样的大韧窝所占 比例较大,且部分韧窝扁平,相比较于前者,塑性特 征有 所 下 降. 对 于 ４５０ ℃ 试 样,其 断 口 虽 然 与 ２００ ℃试样的特征相似,但从图２可以看出,在此温 度下,材料的塑性很好,没有出现脆化现象.

２．３ 显微组织 

对不同试验温度条件下的试样进行金相检验, 如图４所示,试样的显微组织为铁素体＋珠光体. 试样的晶粒度级别评定结果见图５,可以看出不同 温度条件下所用拉伸试样的晶粒度有较大差别,说 明４１０ MPa级钢制无缝压力管的微观组织本身就 存在着不均匀性,这可能是钢管在拉拔的过程中变 形不均匀所致.

图６为透射电镜下试样的显微组织形貌,可以 看出,试样的显微组织为铁素体＋层片状的珠光体, 珠光体层片间距无明显差异.

３ 分析与讨论 

理论上,从５０~１５０℃,材料强度值随温度升高 应该呈现下降的趋势,但上述试验结果恰好相反,结 合图５中试样晶粒度的差异,笔者认为这是试验温 度与晶粒尺寸综合作用的结果.一方面,随着温度 的升高,原子扩散能力增大,晶体中空位数量增多, 晶界滑移系增加,材料的强度降低,塑性提高;另一 方面,从５０~１５０℃,高温拉伸试验所选用试样的晶 粒尺寸依次减小(对应晶粒度级别增加),晶粒呈现 细化的趋势.随着晶粒尺寸的减小,晶界增多,晶界 前塞积的位错数减少,应力集中现象降低;同时,晶 界增多使得裂纹扩展所遇阻力增大,并且晶界总面 积增加,晶界上杂质所占比例大大降低,减少了产生 脆性断裂的几率,从而达到增强、增韧的效果.

综上所述,由于晶粒细化对材料的增强作用大 于温度升高的软化作用,在５０~１５０ ℃,随温度升 高,材料的屈服强度与抗拉强度出现了升高的异常 现象;而温度升高与晶粒细化都能够提高材料的塑 性,所以在此温度范围内断后伸长率呈现持续增加 的趋势. 

当试验温度升高到２００ ℃以上后,晶粒尺寸对 材料性能的作用效果减弱,试验温度的影响开始占 据主导作用,随着试验温度的升高,４１０ MPa级钢 制无缝压力管的强度下降,塑性增加.

碳钢在１５０~３５０ ℃的温度区间会出现强度上 升、塑性下降、脆性增加的行为[３Ｇ６],被称为蓝脆现 象.从图２中断后伸长率所呈现的陡降现象可以判 定,４１０MPa级钢制无缝压力管的蓝脆区在２００ ℃ 左右.通常情况下,蓝脆主要影响到材料的抗拉强 度和断后伸长率,对材料的屈服强度影响不大,所以 在２００℃时,材料的抗拉强度达到了最大,而对应的 屈服强度则开始下降.

４ 结论

(１)在同一根钢管上取一批试样,试样的晶粒 尺寸也可能存在显著差异,最终对材料的力学性能 测试结果产生一定的影响.

(２)试验温度低于１５０ ℃时,随试验温度升高, ４１０MPa级钢制无缝压力管的强度值出现了异常 的增高现象,这是由晶粒细化的强化作用高于温度 的软化作用所致. 

(３)４１０MPa级钢制无缝压力管出现蓝脆现象 的温度为２００ ℃左右. 

(４)不论是产品检验还是材料研发,通过检测 单个试样所得的结果来代表材料的整体性能可能存 在风险. 

参考文献: 

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<文章来源>材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 55卷 > 12期 (pp:841-844)>