吉玲康，陳宏遠(yuǎn)，張繼明

(石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077)

0 引 言

近年來(lái)，隨著大口徑高壓輸送管線的加速建設(shè)，高鋼級(jí)管線鋼管得到了廣泛的應(yīng)用，而鋼管的力學(xué)性能，也隨著鋼級(jí)的升高而呈現(xiàn)了強(qiáng)度升高，塑性、韌性下降的趨勢(shì)。管線長(zhǎng)期的服役過(guò)程，是一個(gè)自然時(shí)效的過(guò)程；軋制態(tài)的管線鋼材料是處于不平衡態(tài)的，因此在長(zhǎng)期的自然條件下服役時(shí)，非平衡態(tài)的組織狀態(tài)傾向于析出碳、氮等間隙固溶物質(zhì)，從而對(duì)其力學(xué)性能產(chǎn)生明顯的時(shí)效強(qiáng)化作用[1-2]。

為了保證管線在服役過(guò)程中的耐腐蝕能力和性能穩(wěn)定性，需要在管道鋪設(shè)前進(jìn)行防腐層的熱涂敷。為了保證涂層質(zhì)量，傳統(tǒng)上一般將鋼管加熱到230 ℃左右進(jìn)行涂敷，這樣就會(huì)使管線鋼管由于應(yīng)變時(shí)效作用產(chǎn)生更進(jìn)一步的硬化，表現(xiàn)為屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度升高，然而其韌性也會(huì)受到一定的影響[3-4]。另外，管線在鋪設(shè)前采用的系列焊接工藝對(duì)管線鋼管也產(chǎn)生熱時(shí)效的作用，不同強(qiáng)度級(jí)別的管線鋼，其性能受到熱時(shí)效的影響程度也不一樣。制管焊接過(guò)程對(duì)管線鋼管產(chǎn)生熱時(shí)效的影響取決于焊接行為[5-6]。

大應(yīng)變管線鋼和普通管線鋼的組織狀態(tài)不同，對(duì)時(shí)效行為敏感性對(duì)其使用性能有著重要的影響。因此，采用模擬熱時(shí)效和應(yīng)變時(shí)效方法，研究了大應(yīng)變管線鋼以及普通管線鋼時(shí)效后的力學(xué)性能，并從微觀組織方面對(duì)其變形和斷裂機(jī)理進(jìn)行了分析，為高鋼級(jí)管線鋼管鋪設(shè)和服役提供參考。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料選取Φ1 219 mm×26.4 mm X80大應(yīng)變直縫焊管(LSAW)和Φ1 219 mm×18.4 mm X80普通螺旋焊管(SSAW)的管體材料，其化學(xué)成分見(jiàn)表1，金相組織如圖1所示。從圖1可見(jiàn)，直縫焊管管體材料為F+B雙相組織，螺旋焊管為針狀鐵素體組織。

表1 試驗(yàn)用管線鋼管材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

圖1 試驗(yàn)用X80管線鋼管材料金相組織

采用油浴對(duì)試驗(yàn)鋼管進(jìn)行熱時(shí)效處理，研究管線鋼管熱時(shí)效后拉伸性能和沖擊性能變化，并與未進(jìn)行熱時(shí)效處理的試驗(yàn)鋼管進(jìn)行了對(duì)比。另外在熱時(shí)效前進(jìn)行了不同拉伸預(yù)應(yīng)變，研究大應(yīng)變管線鋼的應(yīng)變時(shí)效行為，同時(shí)對(duì)微觀組織的變化也進(jìn)行研究。

按照API Spec 5L標(biāo)準(zhǔn)要求，將在一定加熱條件下進(jìn)行熱處理后的試樣加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，拉伸試樣采用條形和圓棒2種，其中縱向采用全壁厚條形試樣(標(biāo)距內(nèi)寬度為38.1 mm)，橫向采用圓棒試樣(標(biāo)距內(nèi)直徑為12.7 mm),標(biāo)距長(zhǎng)為50 mm。沖擊試樣則從鋼管上截取為管體縱向板狀試樣，并進(jìn)行一定應(yīng)變的預(yù)拉伸(如果需要的話)，然后進(jìn)行時(shí)效處理，最后切割制備成10 mm×10 mm×55 mm的管體橫向V型缺口夏比沖擊試樣(試樣方向和預(yù)拉伸方向垂直)。拉伸試驗(yàn)在MTS810和MTS810-15型液壓伺服萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸應(yīng)變速率4×10-3mm/s。沖擊試驗(yàn)在V型缺口沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)溫度為室溫。

利用SEM進(jìn)行不同時(shí)效工藝試樣沖擊斷口形貌觀察，從沖擊試樣上遠(yuǎn)離斷口區(qū)域切下組織分析樣品，研磨腐蝕后在SEM上進(jìn)行金相組織分析，并制備薄膜和萃取復(fù)型樣品，在TEM上對(duì)不同時(shí)效工藝的大變形X80管線鋼顯微組織精細(xì)結(jié)構(gòu)和析出相進(jìn)行分析，研究時(shí)效工藝過(guò)程中組織的變化對(duì)沖擊斷裂的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 時(shí)效對(duì)強(qiáng)度和塑性的影響

2.1.1 不同時(shí)效工藝的應(yīng)力應(yīng)變曲線

1)直縫焊管(LSAW)應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖2～圖4分別為L(zhǎng)SAW直縫焊管樣品橫向拉伸試樣在5 min、1 h和3 h時(shí)效時(shí)間條件下的應(yīng)力應(yīng)變曲線。從圖2可以看出，當(dāng)時(shí)效時(shí)間為5 min時(shí)，180 ℃時(shí)效溫度下的應(yīng)力應(yīng)變曲線和室溫下的原始應(yīng)力應(yīng)變曲線變化趨勢(shì)一樣，而200 ℃和250 ℃應(yīng)力應(yīng)變曲線在屈服階段出現(xiàn)一個(gè)明顯的屈服平臺(tái)。隨著時(shí)效溫度升高，屈服平臺(tái)升高，屈服平臺(tái)長(zhǎng)度延長(zhǎng)。另外，在1 h和3 h時(shí)效時(shí)間、200 ℃以上時(shí)效溫度的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線上均出現(xiàn)了明顯的屈服平臺(tái)，如圖3和圖4所示。

圖5～圖7為不同時(shí)效條件下的直縫焊管LSAW縱向拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線。從應(yīng)力應(yīng)變曲線可以看出，在5 min時(shí)長(zhǎng)的時(shí)效時(shí)間下，各個(gè)溫度下的縱向試樣拉伸曲線變化不明顯，如圖5所示。而當(dāng)時(shí)效時(shí)間增加到1 h時(shí)，自220 ℃開(kāi)始出現(xiàn)明顯的屈服平臺(tái)，如圖6所示。當(dāng)施加2%預(yù)應(yīng)變后，即使沒(méi)有進(jìn)行時(shí)效處理，應(yīng)力應(yīng)變曲線也會(huì)變得平直，出現(xiàn)屈服平臺(tái)，強(qiáng)化趨勢(shì)不連續(xù)，當(dāng)再經(jīng)時(shí)效處理后，各個(gè)溫度下曲線變得非常平直，出現(xiàn)較長(zhǎng)的屈服平臺(tái)，如圖7所示。

圖2 5 min時(shí)效對(duì)LSAW鋼管橫向拉伸曲線的影響

圖3 1 h時(shí)效對(duì)LSAW鋼管橫向拉伸曲線的影響

圖4 3 h時(shí)效對(duì)LSAW鋼管橫向拉伸曲線的影響

圖5 5 min時(shí)效后LSAW鋼管縱向拉應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖6 1 h時(shí)效對(duì)LSAW鋼管縱向拉伸曲線的影響

圖7 2%應(yīng)變+1 h時(shí)效后LSAW鋼管縱向拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線

2)螺旋焊管(SSAW)應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖8～圖10為SSAW鋼管在不同預(yù)應(yīng)變和不同時(shí)效溫度條件下，經(jīng)5 min時(shí)效后的橫向應(yīng)力應(yīng)變曲線，可以看出，當(dāng)沒(méi)有預(yù)應(yīng)變時(shí)，各溫度時(shí)效后的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線會(huì)有不同程度的升高，但是升高程度較為輕微，并且其曲線形狀與原始態(tài)基本一致，如圖8所示。當(dāng)施加1%和2%預(yù)應(yīng)變后，各溫度下的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線升高非常明顯，并且應(yīng)力應(yīng)變曲線出現(xiàn)屈服尖峰，峰值后出現(xiàn)較長(zhǎng)的連續(xù)下降屈服平臺(tái)，而且，隨著時(shí)效時(shí)間以及應(yīng)變量的增加，應(yīng)力應(yīng)變曲線的總應(yīng)變下降明顯，如圖9和圖10所示。

圖8 時(shí)效對(duì)SSAW鋼管橫向拉伸曲線的影響(無(wú)預(yù)應(yīng)變)

圖9 時(shí)效對(duì)SSAW鋼管橫向拉伸曲線的影響(1%預(yù)應(yīng)變)

圖10 時(shí)效對(duì)SSAW鋼管橫向拉伸曲線的影響(2%預(yù)應(yīng)變)

圖11～圖13為不同預(yù)應(yīng)變條件下，不同時(shí)效溫度的螺旋焊管的縱向拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線。從圖11～圖13可見(jiàn)，螺旋焊管的縱向應(yīng)力應(yīng)變曲線和其橫向的形狀及變化規(guī)律類(lèi)似。當(dāng)沒(méi)有預(yù)應(yīng)變時(shí)，不同時(shí)效溫度下的應(yīng)力應(yīng)變曲線為典型的圓屋頂式曲線，時(shí)效后的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線會(huì)有不同程度的升高，但是升高幅度較小。而當(dāng)施加1%和2%預(yù)應(yīng)變后，屈服強(qiáng)度升高顯著，同時(shí)應(yīng)力應(yīng)變形狀發(fā)生明顯的變化，出現(xiàn)明顯的屈服尖峰，峰值后出現(xiàn)較長(zhǎng)的屈服平臺(tái)。

圖11 時(shí)效對(duì)SSAW鋼管縱向拉伸曲線的影響(無(wú)預(yù)應(yīng)變)

圖12 時(shí)效對(duì)SSAW鋼管縱向拉伸曲線的影響(1%預(yù)應(yīng)變)

圖13 時(shí)效對(duì)SSAW鋼管縱向拉伸曲線的影響(2%預(yù)應(yīng)變)

2.1.2 時(shí)效對(duì)屈服強(qiáng)度的影響

圖14為L(zhǎng)SAW管橫向拉伸屈服強(qiáng)度隨時(shí)效溫度和時(shí)間的變化曲線。從圖14可以看出，與原始態(tài)相比，時(shí)效后屈服強(qiáng)度升高，在相同保溫時(shí)間內(nèi)，屈服強(qiáng)度隨時(shí)效溫度增加而升高。而當(dāng)時(shí)效溫度相同時(shí)，隨保溫時(shí)間的升高，屈服強(qiáng)度增加。特別是在保溫5 min中的時(shí)間內(nèi)，當(dāng)溫度升高到250 ℃后，屈服強(qiáng)度明顯升高。

圖14 時(shí)效對(duì)LSAW鋼管橫向屈服強(qiáng)度的影響

圖15為不同時(shí)效溫度和時(shí)效時(shí)間對(duì)LSAW鋼管縱向屈服性能影響的曲線，從圖15可以看出，與原始狀態(tài)相比，時(shí)效后鋼管屈服強(qiáng)度升高。時(shí)效保溫時(shí)間相同，時(shí)效后屈服強(qiáng)度隨時(shí)效溫度升高而升高，但如果施加2%預(yù)變形，時(shí)效后屈服強(qiáng)度較原始態(tài)最高升高約180 MPa，相較于原始態(tài)時(shí)效，其屈服強(qiáng)度增加更為顯著。

圖15 預(yù)變形時(shí)效后LSAW鋼管縱向屈服強(qiáng)度變化

圖16為SSAW鋼管經(jīng)過(guò)不同拉伸預(yù)變形保溫5 min后的橫向屈服強(qiáng)度變化曲線。從圖16可見(jiàn)，當(dāng)沒(méi)有預(yù)應(yīng)變時(shí)，其在250 ℃時(shí)效溫度下的屈服強(qiáng)度為633 MPa，比原始態(tài)的576 MPa升高57 MPa；而當(dāng)預(yù)應(yīng)變?yōu)?%時(shí)，其在220 ℃左右時(shí)效溫度下的屈服強(qiáng)度為691 MPa，升高115 MPa；當(dāng)施加2%的預(yù)應(yīng)變后，其在250 ℃時(shí)效溫度下的屈服強(qiáng)度達(dá)到720 MPa。因而，3種應(yīng)變水平的試樣，時(shí)效處理后屈服強(qiáng)度均隨時(shí)效溫度增加均呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)；而且預(yù)應(yīng)變量越大，屈服強(qiáng)度變化越明顯，可見(jiàn)預(yù)應(yīng)變對(duì)屈服強(qiáng)度的增長(zhǎng)起到很大的作用。

圖16 時(shí)效對(duì)SSAW鋼管橫向屈服強(qiáng)度的影響

圖17為SSAW鋼管縱向試樣在不同預(yù)應(yīng)變條件下，經(jīng)不同時(shí)效工藝處理后的縱向屈服強(qiáng)度變化情況。從圖17可見(jiàn)，隨預(yù)應(yīng)變量的增加，屈服強(qiáng)度成上升趨勢(shì)。而在沒(méi)有預(yù)應(yīng)變的情況下，在180 ℃～250 ℃時(shí)效溫度范圍內(nèi)，屈服強(qiáng)度先升高后降低，總體趨勢(shì)較沒(méi)時(shí)效時(shí)有顯著地升高。而在預(yù)應(yīng)變?yōu)?%的情況下，時(shí)效后屈服強(qiáng)度也表現(xiàn)為先上升而后降低的趨勢(shì)，在220 ℃達(dá)到峰值。當(dāng)預(yù)應(yīng)變?cè)黾拥?%時(shí)，時(shí)效后屈服強(qiáng)度升高幅度最大；在180 ℃～250 ℃時(shí)效溫度范圍內(nèi)屈服強(qiáng)度隨溫度升高幅度較小，但較變形后的原始態(tài)相比，其屈服強(qiáng)度升高近100 MPa，說(shuō)明預(yù)應(yīng)變?nèi)匀皇怯绊憰r(shí)效性能的主要因素。

圖17 時(shí)效對(duì)SSAW鋼管縱向屈服強(qiáng)度的影響圖

2.1.3 時(shí)效對(duì)屈強(qiáng)比的影響

從以上應(yīng)力應(yīng)變曲線來(lái)看，時(shí)效后屈服強(qiáng)度的變化要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度的變化，因此時(shí)效對(duì)鋼管的屈強(qiáng)比也有明顯的影響。表2獲得的LSAW鋼管橫向拉伸圓棒試樣在5 min時(shí)效時(shí)間和不同時(shí)效溫度下的屈強(qiáng)比數(shù)據(jù)，由表中的多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在220 ℃及以下時(shí)效溫度的5 min時(shí)效時(shí)間內(nèi)，可以使橫向圓棒試樣的屈強(qiáng)比提升高達(dá)3%～4%；同時(shí)也可以看出，即使具有相對(duì)較低屈強(qiáng)比的管線鋼管，時(shí)效后屈強(qiáng)比性能一般均能滿足技術(shù)條件的要求。

表2 時(shí)效對(duì)橫向拉伸屈強(qiáng)比的影響(LSAW)

2.1.4 時(shí)效對(duì)斷后伸長(zhǎng)率、斷面收縮率的影響

圖18為大應(yīng)變管線鋼管的拉伸延伸率與時(shí)效工藝的關(guān)系曲線。從圖18可見(jiàn)，與原始態(tài)相比，時(shí)效后材料的延伸降低，隨時(shí)效保溫時(shí)間增加，延伸率持續(xù)降低。另外，時(shí)效前經(jīng)過(guò)2%預(yù)拉伸變形后，再進(jìn)行時(shí)效處理，材料的拉伸延伸率降低更為顯著。圖19為大應(yīng)變管線鋼管斷面收縮率與時(shí)效工藝的關(guān)系曲線。從圖19可見(jiàn)，時(shí)效后材料的斷面收縮率降低，并且時(shí)效保溫時(shí)間相同，斷面收縮率隨時(shí)效溫度升高而降低。如果進(jìn)行2%預(yù)拉伸后再進(jìn)行時(shí)效處理，材料的斷面收縮率降低更為顯著。

圖18 時(shí)效后LSAW鋼管延伸率的變化關(guān)系曲線

圖19 時(shí)效后LSAW鋼管拉伸斷面收縮率的關(guān)系曲線

塑性是指金屬材料在載荷外力的作用下，產(chǎn)生永久變形(塑性變形)而不被破壞的能力。金屬材料在受到拉伸時(shí)，長(zhǎng)度和橫截面積都要發(fā)生變化，因此，金屬的塑性一般用拉伸試樣的延伸率和斷面的收縮率兩個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量。金屬材料的延伸率和斷面收縮率愈大，表示該材料的塑性愈好，即材料能承受較大的塑性變形而不破壞。時(shí)效后，鋼管的拉伸延伸率和斷面收縮率是降低的，表面時(shí)效導(dǎo)致材料的塑性降低。從數(shù)值來(lái)看，延伸率在38%以上，斷面收縮率大于76%，表明盡管時(shí)效后鋼管的塑性下降，但仍具有良好的塑性。

2.2 時(shí)效對(duì)斷裂性能的影響

2.2.1 時(shí)效對(duì)沖擊韌性的影響

圖20為不同時(shí)效工藝下的直縫焊管LSAW夏比沖擊性能。從圖20可見(jiàn)，與原始狀態(tài)沖擊功相比，不同不同時(shí)效溫度處理后鋼管的夏比沖擊斷裂能均有所下降，但是各時(shí)效溫度下不同時(shí)效時(shí)間的沖擊值差異不明顯。與原始態(tài)相比，當(dāng)經(jīng)過(guò)施加2%預(yù)應(yīng)變后，其沖擊功降低較為明顯，最低值不到180 J，與原始最低值250 J相比，達(dá)到70 J的下降幅度。因此，相比于時(shí)效時(shí)間，時(shí)效溫度和預(yù)應(yīng)變量對(duì)LSAW鋼管沖擊斷裂韌性的影響更為顯著。

圖21為時(shí)效工藝對(duì)SSAW鋼管沖擊斷裂韌性的影響。從圖21可見(jiàn)，與直縫焊管類(lèi)似，不同時(shí)效溫度的夏比沖擊功均有所下降趨勢(shì)，但不同溫度和不同保溫時(shí)長(zhǎng)之間的沖擊功值降低幅度比直縫焊管小，這可能與生產(chǎn)SSAW鋼管使用的板卷的卷曲工藝有關(guān)。當(dāng)在施加2%預(yù)應(yīng)變后，時(shí)效后沖擊功值降低顯著，但對(duì)應(yīng)不同時(shí)效溫度和保溫時(shí)間的沖擊功下降變化差別不大?？傮w來(lái)看，時(shí)效溫度和時(shí)間對(duì)SSAW鋼管沖擊斷裂韌性影響不大，而應(yīng)變量則是SSAW鋼管沖擊韌性的主要影響因素。

圖21 時(shí)效對(duì)SSAW鋼管橫向沖擊能的影響

2.2.2 不同時(shí)效工藝的沖擊斷口特征

圖22為不同時(shí)效工藝的LSAW大變形鋼管夏比沖擊斷裂斷口形貌，從圖22可見(jiàn)，所有斷口均為韌性斷裂，斷口由大量的韌窩和撕裂脊組成。未時(shí)效原始態(tài)斷口韌窩尺寸較大，平均韌窩寬度尺寸約50 μm。而經(jīng)過(guò)時(shí)效熱處理工藝后，在較大的韌窩之間出現(xiàn)了大量分布的小韌窩團(tuán)，大韌窩尺寸隨時(shí)效溫度升高和時(shí)間延長(zhǎng)基本沒(méi)有明顯變化，而分布在大韌窩之間的小韌窩隨著時(shí)效溫度升高或時(shí)間延長(zhǎng)有明顯的長(zhǎng)大現(xiàn)象。韌性沖擊斷口的韌窩是由鋼中夾雜物或析出相在加載應(yīng)力的作用下，夾雜物或析出相粒子因基體的塑性變形與基體脫離，萌生顯微裂紋，隨著加載應(yīng)力的增加，基體累計(jì)塑性變形量增加，這些微裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)大，當(dāng)大量的微裂紋長(zhǎng)大相互貫通后，形成宏觀大尺寸裂紋，最終導(dǎo)致材料的失穩(wěn)斷裂。韌窩的大小受形成韌窩的粒子尺寸的影響，較大尺寸的粒子與基體脫離后形成較大的韌窩，而小韌窩則由小尺寸的粒子所形成。隨著時(shí)效溫度的增加，大韌窩之間的小韌窩尺寸逐漸增大，表明形成這些小韌窩的粒子隨時(shí)效溫度的增加而長(zhǎng)大，特別是當(dāng)時(shí)效溫度升高到290 ℃時(shí)，其韌窩尺寸已經(jīng)長(zhǎng)大為較大的尺寸。

圖22 X80管線鋼管不同時(shí)效工藝夏比沖擊試樣斷口SEM形貌

2.3 不同時(shí)效工藝管線鋼顯微組織分析

圖23為L(zhǎng)SAW大變形管線鋼管保溫一小時(shí)的不同時(shí)效溫度金相組織的SEM照片。從圖23可見(jiàn)，低倍下其顯微組織形貌基本相同，均為典型粒狀貝氏體和鐵素體雙相組織，MA島的尺寸和分布也沒(méi)有明顯的變化，而在20 000高倍下，可以觀察到其析出相發(fā)生了變化，與未時(shí)效原始態(tài)相比較，當(dāng)時(shí)效溫度達(dá)到250 ℃時(shí)，其基體中的細(xì)小顆粒析出相的數(shù)量顯著增加，而當(dāng)時(shí)效溫度增加到290 ℃時(shí)，這些細(xì)小析出相顆粒明顯長(zhǎng)大，并且在數(shù)量上也顯著提高。

圖23 不同時(shí)效工藝X80大變形管線鋼管SEM組織形貌

為了更清楚觀察時(shí)效工藝對(duì)X80管線鋼管組織亞結(jié)構(gòu)和析出相的變化，在TEM下對(duì)不同時(shí)效工藝的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察，如圖24所示。從圖24可見(jiàn)，隨著時(shí)效溫度的升高，基體中的位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)逐漸減少，而析出相數(shù)量明顯增加，并且隨著溫度增加，小析出相尺寸逐漸長(zhǎng)大。

上述觀察結(jié)果表明，時(shí)效的熱輸入提高了鋼中位錯(cuò)的熱激活能，使位錯(cuò)滑移能力增強(qiáng)。隨著時(shí)效溫度的增加，可動(dòng)的自由位錯(cuò)發(fā)生滑移，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到晶界或相反的同類(lèi)位錯(cuò)發(fā)生相互反應(yīng)，從而使該位錯(cuò)消失，而有些位錯(cuò)因析出相的釘扎作用而不能移動(dòng)；同時(shí)，位錯(cuò)的熱滑移運(yùn)動(dòng)促進(jìn)鋼中碳、氮原子的擴(kuò)散，使其與鋼中固溶的Nb元素形核，生成Nb(C、N)析出相，隨著時(shí)效溫度增加，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)增加，從而促進(jìn)析出相逐漸長(zhǎng)大。

圖24 X80管線鋼管不同時(shí)效工藝下位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)與析出相粒子形貌

3 時(shí)效對(duì)變形和斷裂的影響機(jī)理

對(duì)上文試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行匯總，結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可見(jiàn)，不論是直縫焊管還是螺旋焊管，也不論是橫向還是縱向，時(shí)效時(shí)間、時(shí)效溫度、預(yù)應(yīng)變量等因素對(duì)焊管應(yīng)力應(yīng)變曲線以及屈服強(qiáng)度、屈強(qiáng)比、斷后延伸率、斷面收縮率、沖擊韌性等力學(xué)性能都有重要的影響，但影響的程度各不相同。

表3 時(shí)效對(duì)鋼管力學(xué)性能影響規(guī)律小結(jié)

工業(yè)上經(jīng)過(guò)軋制或退火的鋼，并非真正的平衡態(tài)。按工業(yè)上的冷卻速度，鋼中的鐵素體在室溫下是過(guò)飽和固溶體，鐵素體中的過(guò)飽和碳原子大多處于各種晶體缺陷的張應(yīng)力區(qū)，如位錯(cuò)、晶界和亞晶界處。鋼中的氮含量一般可達(dá)0.01%左右，按照現(xiàn)在的冶煉控制水平，X80大變形鋼都要經(jīng)過(guò)精煉和真空脫氣處理，經(jīng)過(guò)真空脫氣后氮含量可穩(wěn)定在0.005%以下。氮在α-Fe中的許多行為都與碳相似，如間隙式固溶，在200 ℃、100 ℃時(shí)的溶解度分別為0.005%和0.001%，室溫下平衡態(tài)的溶解度極微小。由于氮原子的直徑小于碳原子，導(dǎo)致其在α-Fe中的極限溶解度較大，590 ℃時(shí)可達(dá)0.1%。而氮在α-Fe中的擴(kuò)散能力也高于碳。所以，鋼中的殘余氮引起的時(shí)效現(xiàn)象比碳更為顯著。有文獻(xiàn)表明[7]，鋼中含有0.000 1%～0.001%的自由氮和碳就足夠引起應(yīng)變時(shí)效。自然時(shí)效和溫度100 ℃以下的人工時(shí)效，主要就是自由氮原子在起作用，當(dāng)時(shí)效溫度達(dá)到100 ℃～300 ℃時(shí)，還有碳原子在起作用。

經(jīng)過(guò)不同工藝時(shí)效后，管線鋼管中的自由位錯(cuò)因發(fā)生了滑移而消失，基體中位錯(cuò)數(shù)量減少。時(shí)效溫度越高，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)消失越多。同時(shí)時(shí)效過(guò)程中的位錯(cuò)滑移促進(jìn)了鋼中碳氮原子的擴(kuò)散，促進(jìn)了新析出相粒子的形核與長(zhǎng)大。時(shí)效后在拉伸過(guò)程中，由于鋼中自由位錯(cuò)數(shù)量減少，析出相釘扎位錯(cuò)在科垂耳氣團(tuán)的作用下阻止了位錯(cuò)的滑移，需要產(chǎn)生新的位錯(cuò)引起材料塑性變形增加，從而導(dǎo)致加載應(yīng)力的增加，加載應(yīng)力的升高反過(guò)來(lái)促進(jìn)新位錯(cuò)的產(chǎn)生和擴(kuò)展，從而導(dǎo)致時(shí)效管線鋼試樣拉伸過(guò)程中出現(xiàn)連續(xù)的屈服平臺(tái)。而在時(shí)效過(guò)程中，位錯(cuò)滑移促進(jìn)了碳氮化物析出相粒子的形核，使基體中產(chǎn)生了大量的細(xì)小的二次析出相粒子，這些粒子分布在軋制析出相的周?chē)?，在變形中與基體脫離，形成顯微裂紋，這些顯微裂紋在形變中相互連接，與大的析出相裂紋貫通后，形成宏觀裂紋，從而縮短了原來(lái)大尺寸粒子相互貫通的擴(kuò)展距離，降低了材料的沖擊韌性，如圖25所示。

圖25 沖擊試驗(yàn)過(guò)程中韌窩形成機(jī)理

無(wú)論是LSAW雙相組織鋼管還是SSAW針狀鐵素體鋼管，時(shí)效后鋼管的屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比呈上升趨勢(shì)，同時(shí)沖擊韌性降低。屈服強(qiáng)度是指材料達(dá)到一定的變形應(yīng)力之后，金屬材料開(kāi)始從彈性狀態(tài)向彈塑性狀態(tài)的過(guò)度，它標(biāo)志著宏觀塑性變形的開(kāi)始。時(shí)效后屈服強(qiáng)度的升高主要是由時(shí)效引起的沉淀強(qiáng)化所導(dǎo)致。屈服強(qiáng)度升高表明材料的抗脆性斷裂強(qiáng)度的降低，材料的脆斷危險(xiǎn)性增加。同時(shí)，時(shí)效后鋼管拉伸延伸率和斷面收縮率的降低，說(shuō)明鋼管經(jīng)過(guò)時(shí)效處理后，其塑性會(huì)降低。

4 結(jié) 論

1)在180 ℃～250 ℃時(shí)效溫度范圍、5 min～3 h時(shí)效保溫時(shí)間、2%以?xún)?nèi)的預(yù)應(yīng)變量時(shí)效對(duì)X80 LSAW和SSAW鋼管的應(yīng)力應(yīng)變曲線形狀有重要影響，其影響程度和管型以及試樣方向有關(guān)，即隨著時(shí)效時(shí)間、溫度以及預(yù)應(yīng)變量的增加，應(yīng)力應(yīng)變曲線逐漸出現(xiàn)屈服平臺(tái)，特別是在一定預(yù)應(yīng)變條件下會(huì)出現(xiàn)尖峰現(xiàn)象。

2)屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比隨時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)和時(shí)效溫度增加而升高，如果在預(yù)應(yīng)變條件下此效應(yīng)更為明顯。

3)鋼管時(shí)效后拉伸延伸率和斷面收縮率降低，表明時(shí)效引起鋼管的塑性下降、變形能力降低。

4)隨時(shí)效溫度、預(yù)應(yīng)變量增加，鋼管沖擊韌性持續(xù)降低，而時(shí)效時(shí)間影響不明顯。其中預(yù)應(yīng)變量是影響螺旋焊管沖擊韌性的主要因素。

5)時(shí)效誘發(fā)了鋼管顯微組織中位錯(cuò)的滑移，促進(jìn)了二次析出相的形核與長(zhǎng)大，材料的位錯(cuò)密度明顯減少，析出相粒子增多。時(shí)效誘導(dǎo)析出是導(dǎo)致鋼管的屈服強(qiáng)度升高、抗脆斷能力降低以及塑性降低的主要因素。