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(湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司技術(shù)質(zhì)量部，湘潭 411101)

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)?.5%～3.0%拉伸加載，卸載后分別進行室溫放置120 h和200～250 ℃保溫30 min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φ1 422 mm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，≤0.000 5%B，0.002 9%～0.003 4%N，0.000 9%～0.001 2%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-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38 mm，標(biāo)距為50 mm；圓棒形試樣的取樣位置在鋼板1/2厚度處，厚度為25.7，30.8，16.3 mm鋼板上截取的試樣直徑分別為12.7，12.7，6.4 mm，標(biāo)距均為50 mm。在WAW-2000D型微機控制電液伺服萬能試驗機和WDW-300KN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0.000 5 s-1拉伸至預(yù)應(yīng)變?yōu)?.5%～1.2%，立即卸載，在室溫時效120 h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3 mm·min-1；屈服后采用等速應(yīng)變加載，應(yīng)變速率為0.002 s-1，當(dāng)屈服后位移增至1 mm時進行快速拉伸，最大拉伸速度為30 mm·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WAW-2000D型微機控制電液伺服萬能試驗機上拉伸至預(yù)應(yīng)變?yōu)?.5%～3.5%，應(yīng)變速率為0.000 5 s-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120 h，加熱時效時間為30 min，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EDL-300KN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 室溫應(yīng)變時效前后25.7 mm厚矩形試樣的真實應(yīng)力-應(yīng)變 曲線(預(yù)應(yīng)變?yōu)?.9%)Fig.1 True stress-strain curves of 25.7 mm thick square specimen before and after strain aging at room temperature (at pre- strain of 0.9%)

(1)

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表1不同拉伸預(yù)應(yīng)變下不同試樣室溫應(yīng)變時效前后拉伸性能的變化

Tab.1Tensilepropertychangesbeforeandafterstrainagingatroomtemperatureofdifferentspecimenswithdifferenttensilepre-strains

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)?.8%以上時更加明顯，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。

圖2 不同溫度應(yīng)變時效后試樣的拉伸性能變化隨拉伸預(yù)應(yīng)變的變化曲線Fig.2 Change curves of tensile property variation vs tensile pre-stain of specimens after strain aging at different temperatures:

圖3 不同溫度應(yīng)變時效后試樣的Rs-Rm隨拉伸預(yù)應(yīng)變的 變化曲線Fig.3 Change curves of Rs-Rm vs tensile pre-strain of samples after strain aging at different temperatures

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58 MPa，平均抗拉強度增量為13 MPa，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16 MPa，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(yán)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)?.0%時的相近。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[10-13]，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。

圖4 拉伸預(yù)應(yīng)變與制管擴徑率對試驗鋼拉伸性能的影響Fig.4 Effects of tensile pre-strain and pipe-making expanding ratio on tensile properties of tested steel

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?。辉嚇拥男螤詈统叽鐚η姸仍隽亢颓鼜姳仍隽康挠绊懞苄?。

(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%。

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