０ 引 言

鋼的應(yīng)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(yīng)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(fù),而間隙固溶原子向位錯偏聚形成 Cottrell氣團釘扎位錯,導(dǎo)致鋼的力學(xué)性能發(fā)生變化[２].應(yīng)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(yīng)變時效傾向,而鎳元素會降低應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yù)應(yīng)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(xué)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(biāo)準(zhǔn),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(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(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(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(yù)應(yīng)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(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(yù)彎邊→成型→預(yù)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(yù)應(yīng)變和時效處理后,將發(fā)生應(yīng)變時效,因此后文將此過程簡稱為應(yīng)變時效.

２ 試驗結(jié)果與討論

２．１ 拉伸預(yù)應(yīng)變和時效溫度對拉伸性能的影響

由圖１可見:未應(yīng)變時效試樣的拉伸曲線呈連續(xù)屈服的拱頂形;室溫應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)變時效后試樣的屈服強度.將應(yīng)變時效后試樣的拉伸曲線按預(yù)應(yīng)變的大小向右平移,得到平移后屈服點對應(yīng)的應(yīng)變,在未應(yīng)變時效試樣的拉伸曲線上取該應(yīng)變值,將其對應(yīng)的應(yīng)力記為Rd.根據(jù)文獻[６],可以近似將應(yīng)變時效前后的屈服強度增量DRs 分為由拉伸預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(dāng)拉伸預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)變是室溫應(yīng)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(dāng),而拉伸預(yù)應(yīng)變導(dǎo)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(yīng)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(yīng)變時效時,

DRs１≈DRs－DRm .

由圖２可知:應(yīng)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(yù)應(yīng)變的增加而增大;２００~２５０ ℃應(yīng)變時效對拉伸性能的影響比室溫應(yīng)變時效的大,尤其是在預(yù)應(yīng)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(dǎo)致其應(yīng)變時效程度更大;但是當(dāng)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(dāng)拉伸預(yù)應(yīng)變較大時反而出現(xiàn)了減小的變化趨勢.

不管是室溫應(yīng)變時效還是加熱應(yīng)變時效,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)變時效和加熱應(yīng)變時效對DRs－DRm 的影響存在差異.將加熱應(yīng)變時效與室溫應(yīng)變時效之間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.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,αＧFe開始出現(xiàn)回復(fù)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(yù)應(yīng)變產(chǎn)生的位錯仍未發(fā)生回復(fù),因此從應(yīng)變角度上看,２００~２５０ ℃時效對力學(xué)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(yīng)力松弛,起到了去應(yīng)力退火的作用,導(dǎo)致抗拉強度的降低[８].另一方面,在加熱過程中,當(dāng)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(yīng)力和回火的雙重作用下,加熱應(yīng)變時效后試樣的屈服強度比抗拉強度增加得比室溫應(yīng)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(yīng)力,制管擴徑率應(yīng)在０．５％~１．５％[９].試驗測得:當(dāng)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(dāng) 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(yīng)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(dāng)拉伸預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)變?yōu)椋保埃r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(yīng)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(yīng)變的后續(xù)處理工藝,是改善高鋼級管線鋼應(yīng)變時效的一個研究方向.

３ 結(jié) 論

(１)進行拉伸預(yù)應(yīng)變 ＋ 時效處理或制管擴徑后,試驗鋼出現(xiàn)應(yīng)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(yīng)變時效后,拉伸預(yù)應(yīng)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(yīng)變時效相比,２００~２５０ ℃應(yīng)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(yīng)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(yīng)變時效后的大.

(４)當(dāng)拉伸預(yù)應(yīng)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％.