分享：应变时效对大口径X80管线钢拉伸性能的影响

０ 引 言

钢的应变时效是指经冷塑性变形后在室温下长期放置或经１００~３００℃短时保温后,钢的强度和硬度增加、塑性降低、屈强比明显升高的现象[１].产生应变时效的主要原因是塑性变形引起位错增殖,使钢产生加工硬化,同时引起晶格畸变,使碳、氮、硼等间隙固溶原子的固溶能力下降,在随后的室温长期放置或１００~３００℃保温过程中,加工硬化还未发生回复,而间隙固溶原子向位错偏聚形成 Cottrell气团钉扎位错,导致钢的力学性能发生变化[２].应变时效现象主要发生在低碳钢中,钢中的氮、氧、铜等元素能显著提高其应变时效倾向,而镍元素会降低应变时效倾向[３].

采用直缝埋弧焊(LSAW)工艺制管时,其成型、扩径以及静水压过程都会使管线钢产生应变,制管后又要在２００~２５０℃下进行防腐涂层处理[４],因此管线钢将不可避免地产生应变时效.近年来,大口径、大壁厚、大输送压力的输送条件对高钢级管线钢的性能提出了更高的要求.然而随着管线钢强度的提高,应变时效对其拉伸性能的影响越发明显[５],但

目前有关应变时效对拉伸性能影响程度的量化或半量化的研究报道并不多.为掌握高钢级管线钢发生应变时效后的拉伸性能变化情况,作 者 以 大 口 径 X８０ 管 线 钢 为 研 究 对象,对其进行应变为０．５％~３．０％拉伸加载,卸载后分别进行室温放置１２０h和２００~２５０℃保温３０min的时效处理,再进行拉伸试验,研究了拉伸预应变和时效温度对拉伸性能的影响;采用 LSAW 工艺将X８０管线钢制成钢管,研究了制管扩径率对该钢拉伸性能的影响,并确定了适宜的制管扩径率.

１ 试样制备与试验方法

试验材料为?１４２２mm 大口径管线用 X８０管线钢板,厚度分别为１６．３,２５．７,３０．８ mm,由湖南

华菱湘潭钢铁有限公司提供,其化学成分(质量分数)为 ≤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;该管线钢采用热机械轧制(TMCP),显微组织主要由铁素体、贝氏体和马氏体Ｇ奥氏体(M/A)岛组成.

按照 ASTM A３７０标准,在不同厚度试验钢板上分别截取矩形和圆棒形拉伸试样.矩形试样为全厚度试样,宽度为３８mm,标距为５０mm;圆棒形试样的取样位置在钢板１/２厚度处,厚度为２５．７,３０．８,１６．３mm 钢板上截取的试样直径分别为１２．７,１２．７,６．４mm,标距均为５０ mm.在 WAWＧ２０００D 型微机控制电液伺服万能试验机和 WDWＧ３００KN 型微机控制电子万能试验机上分别将矩形和圆棒形试样以应变速率为０．０００５s－１拉伸至预应变为０．５％~１．２％,立即卸载,在室温时效１２０h左右,再在上述两种设备上进行拉伸试验,拉伸加载过程为:屈服前进行等速应力加载,拉伸速度为３mm??min－１;屈服后采用等速应变加载,应变速率为０．００２s－１,当屈服后位移增至１mm 时进行快速拉伸,最大拉伸速度

为３０mm??min－１.在相同条件下对未进行拉伸预应变的试样进行拉伸试验.在厚度为１６．３ mm 的钢板上横向截取矩形拉伸试样,尺寸同上,在 WAWＧ２０００D型微机控制电液伺服万能试验机上拉伸至预应变为０．５％~３．５％,应

变速率为０．０００５s－１,立即卸载,分别在室温,２００,２３０,２５０ ℃进行时效处理,室温时效时间为１２０h,

加热时效时间为３０min,再在试验机上进行拉伸试验,拉伸加载过程同上.在某钢管厂对不同厚度的 X８０管线钢进行工

业化 LSAW 制管,主要工艺流程为板探→铣边→预弯边→成型→预焊→内焊→外焊→超声波探伤/X射线探伤→扩径→静水压试验→倒棱→再次超声波探伤/X射线探伤→管端磁粉检验→防腐和涂层,扩径率分别为０．５％~０．６％和０．７％~０．８％.在钢管上横向截 取 圆 棒 形 拉 伸 试 样,尺 寸 同 上,在 EDLＧ３００KN 型液压万能试验机上进行拉伸试验,拉伸加载过程同上.试验钢经拉伸预应变和时效处理后,将发生应变时效,因此后文将此过程简称为应变时效.

２ 试验结果与讨论

２．１ 拉伸预应变和时效温度对拉伸性能的影响

由图１可见:未应变时效试样的拉伸曲线呈连续屈服的拱顶形;室温应变时效后试样的拉伸曲线出现一加工硬化变缓的屈服段,但整体上仍为拱顶形;对比可见,室温应变时效后试样的屈服强度明显增大,抗拉强度变化较小,屈强比增大.

图１中:Rs 为未应变时效试样的屈服强度(若为矩形试样,Rs 取规定总延伸强度Rt０．５;若为圆棒形试样,Rs 取规定塑性延伸强度 Rp０．２);R∗s 为应变时效后试样的屈服强度.将应变时效后试样的拉伸曲线按预应变的大小向右平移,得到平移后屈服点对应的应变,在未应变时效试样的拉伸曲线上取该应变值,将其对应的应力记为Rd.根据文献[６],可以近似将应变时效前后的屈服强度增量DRs 分为由拉伸预应变引起的屈服强度增量DRs１和由时效引起的屈服强度增量DRs２,计算公式为

由表１可以看出:随拉伸预应变的增大,试样的屈服强度增量DRs 和屈强比增量Dδ 均增大,屈服强度增量中由拉伸预应变引起的占比较大,为６０％~９０％,而由室温时效引起的占比较小,且由室温时效引起的屈服强度增量与抗拉强度增量DRm 相近;当拉伸预应变相近时,不同厚度和不同形状试样的屈服强度增量和屈强比增量相近.由此可见,拉伸预应变是室温应变时效后试样屈服强度和屈强比提高的主要因素,试样形状和尺寸对拉伸性能的影响很小.由钢的强化机理[７]可知:在室温时效过程中形成的 Cottrell气团对位错的钉扎作用对屈服强度和抗拉强度的贡献基本相当,而拉伸预应变导致的位

错主要起到提高屈服强度的作用,对抗拉强度的影响较小.因此,可以认为室温应变时效后试样的抗拉强度增量是由室温时效引起的,并且与由室温时效引起的屈服强度增量相近,即室温应变时效时,

DRs１≈DRs－DRm .

由图２可知:应变时效后试样的屈服强度增量、抗拉强度增量和屈强比增量均随预应变的增加而增大;２００~２５０ ℃应变时效对拉伸性能的影响比室温应变时效的大,尤其是在预应变为０．８％以上时更加明显,这是因为在加热条件下,间隙固溶原子的扩散和偏聚能力更强,导致其应变时效程度更大;但是当时效温度由２００℃升至２５０℃时,屈服强度增量、抗拉强度增量和屈强比增量并未表现出明显增大的变化趋势,甚至当拉伸预应变较大时反而出现了减小的变化趋势.

不管是室温应变时效还是加热应变时效,DRs１随拉伸预应变的变化规律应一致;但是由图３可知,室温应变时效和加热应变时效对DRs－DRm 的影响存在差异.将加热应变时效与室温应变时效之间DRs－DRm 的差值设为DRs３,则可知DRs３ 随预应变量的增加呈先增后减的变化趋势.一方面,αＧFe的再结晶温度在４５０ ℃左右,当拉伸预应变后的试样在２００~２５０ ℃保温时,αＧFe开始出现回复作用,这时主要涉及点缺陷运动,点缺陷密度减少,而由拉伸预应变产生的位错仍未发生回复,因此从应变角度上看,２００~２５０ ℃时效对力学性能的影响很小;但是２００~２５０ ℃时效使冷变形产生的第一类内应力松弛,起到了去应力退火的作用,导致抗拉强度的降低[８].另一方面,在加热过程中,当温度升至８０ ℃

时 M/A 岛组织中的马氏体开始发生分解,从过饱和α固溶体中弥散析出εＧFexC碳化物,温度升高到

１５０ ℃左右时残余奥氏体开始转变为α相和εＧFexC碳化物的混合物.εＧFexC 碳化物的生成虽然使试验钢的屈服强度和抗拉强度增加,但是马氏体中碳的过饱和度的减小以及残余奥氏体向α相的转变会降低抗拉强度,同时在２００~２５０ ℃时效时εＧFexC碳化物会发生聚集长大或向更稳定的碳化物转变,会使屈服强度和抗拉强度降低[８].因此,在低温去

应力和回火的双重作用下,加热应变时效后试样的屈服强度比抗拉强度增加得比室温应变时效后的更为显著,屈强比随之增大.也正是由于加热对变形和组织的影响,以及时效的作用,在２００~２５０ ℃之间时效温度的改变对拉伸性能的影响不大.

２．２ 制管扩径率对拉伸性能的影响

为保证钢管的管径、圆度、直度等精度,同时降低钢管局部不均匀变形程度和残余应力,制管扩径率应在０．５％~１．５％[９].试验测得:当制管扩径率为０．５％~０．６％时,试验钢制管前后的平均屈服强度增量为５８MPa,平均抗拉强度增量为１３MPa,平均屈强 比 增 量 为 ０．０７;当 制 管 扩 径 率 为 ０．７％ ~０．８％时,平均屈服强度增量为９４ MPa,平均抗拉强度增量为１６MPa,平均屈强比增量为０．１３.由此可见,制管扩径对试验钢拉伸性能的影响非常明显.由屈强比增量的大小,并考虑到扩径后的涂层工序会使试验钢的应变时效变得更为严重,因此其制管扩径率宜设定在０．５％~０．６％.由图４可知,当拉伸预应变与制管扩径率相同时,抗拉强度增量的变化不大,但制管后的屈服强度

增量和 屈 强 比 增 量 较 大,制 管 扩 径 率 为 ０．５％ ~０．６％时的屈服强度增量和屈强比增量与拉伸预应变为１０％时的相近.因此,在钢厂采用拉伸预应变的方式探索高钢级管线钢制管扩径率时,要充分考虑二者的差别.此外,尽管提出了诸多改善管线钢应变时效的措施,如降低钢中氮含量、降低屈强比和提高抗拉强度、控制钢中各相比例、优化钢管涂层

温度和时间等[１０Ｇ１３],但是制管扩径工艺对高钢级管线钢拉伸性能的影响还是很大.为此,开发消除或降低制管后加工硬化和残余应变的后续处理工艺,是改善高钢级管线钢应变时效的一个研究方向.

３ 结 论

(１)进行拉伸预应变 ＋ 时效处理或制管扩径后,试验钢出现应变时效现象,其屈服强度增大,抗

拉强度变化较小,屈强比增大.

(２)室温应变时效后,拉伸预应变是影响试验钢屈服强度和屈强比提高的主要因素,室温时效的影响较小;试样的形状和尺寸对屈服强度增量和屈强比增量的影响很小.

(３)与室温应变时效相比,２００~２５０ ℃应变时效对试验钢拉伸性能的影响更大,但在２００~２５０℃

间时效温度的改变对拉伸性能影响不大,在２００~２５０ ℃应变时效后,试验钢屈服强度增量和抗拉强度增量的差值比室温应变时效后的大.

(４)当拉伸预应变与制管扩径率相同时,制管扩径率对试验钢屈服强度增量和屈强比增量的影响更加显著,根据屈强比增量的大小,适宜的制管扩径率在０．５％~０．６％.