高钢级管线钢形变硬化行为及其影响因素分析.pdf

2 0 1 7 年5 月 第3 2 卷第3 期 西安石油大学学报( 自然科学版) J o u r n a lo fX i7 a nS h i y o uU n i v e r s i t y ( N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n ) M a v2 0 1 7 V 0 1 3 2N o 3 D O I ：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 6 7 3 0 6 4 X 2 0 1 7 0 3 0 1 6 文章编号：1 6 7 3 0 6 4 X ( 2 0 1 7 ) 0 3 0 0 9 9 0 6 _ _ _ I - 自 同 中图分类号：T E 9 7 3 ；T G l1 5 文献标识码：A 钢级管线钢形变硬化行为及其影响因素分析 吉玲康1 , 2 ，封辉1 ，一，张继明1 一，徐彤3 ，王海涛1 2 ( 1 中国石油集团石油管工程技术研究院，陕西西安7 1 0 0 7 7 ； 2 石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室，陕西西安7 1 0 0 7 7 ； 3 西安交通大学材料科学与工程学院，陕西西安7 1 0 0 4 9 ) 摘要：选取具有单相和双相组织特征的X 8 0 、X 9 0 直缝管，结合微观因素分析了高钢级管线钢及钢管不同方 向的形变硬化行为特征。研究发现贝氏体+ 铁素体组织的双相钢比单相贝氏体组织的管线钢具有更好的塑 性变形能力；此外，与单相组织管线钢管圆屋顶型应力应变曲线不同，双相组织管线钢管的横向应力应变曲 线出现了明显的屈服平台，导致二者形变硬化指数变化规律存在差异。双相组织中含有一定比例低位错密 度铁素体及制造过程环向应变引起的应变时效是产生该现象的主要原因。 关键词：高钢级管线钢；形变硬化；应变时效；位错密度 S t r a i n h a r d e n i n gB e h a v i o ro fH i g hG r a d eL i n e p i p eS t e e l a n dI t sI n f l u e n c eF a c t o r s J IL i n g k a n 9 1 一，F E N GH u i l ，一，Z H A N GJ i m i n 9 1 ，- ，X UT o n 9 3 ，W A N GH a i t a 0 1 2 ( 1 T u b u l a r G o o d sR e s e a r c hI n s t i t u t e ，C N P C ，X i a n7 1 0 0 7 7 ，S h a a n x i ，C h i n a ； 2 S t a t eK e yL a b o r a t o r yf o rP e r f o r m a n c ea n dS t r u c t u r a lS a f e t yo fO i lI n d u s t r yE q u i p m e n tM a t e r i a l s ，X i a n7 1 0 0 7 7 ，S h a a n x i ，C h i n a ； 3 S c h o o lo fM a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，X i a nJ i a o t o n gU n i v e r s i t y ，X i7 a n7 1 0 0 4 9 ，S h a a n x i 。C h i n a ) A b s t r a c t ：T h es t r a i nh a r d e n i n gb e h a v i o ro fX 8 0a n dX 9 0l o n g i t u d i n a ls u b m e r g e da r ew e l d i n gl i n e p i p ew i t hs i n g l eo rd u a lp h a s em i c r o s t r u c t u r ei nd i f f e r e n td i r e c t i o n sw e r ea n a l y z e d I ti sf o u n dt h a tt h ep i p e l i n es t e e lw i t hb a i n i t ea n df e r r i t ed u a l p h a s em i c m s t r u c t u r ep o s s e s s e sb e t t e rp l a s t i cd e f o r m a t i o na b i l i t yt h a nt h ep i p e l i n es t e e lw i t hb a i n i t es i n g l e - p h a s em i c r o s t r u c t u r e ；t h es t r e s s s t r a i nc urves h a p eo f t h ef o r m e ri nt h et r a n s v e r s ed i r e c t i o ni sd i f f e r e n tf r o mt h a to ft h el a t t e r ，a n di th a so b v i o u sy i e l d i n gp l a t f o r m ，w h i c hl e a d st ot h e i rd i f f e r - e n c ei nt h ev a r y i n gl a wo fd e f o r m a t i o nh a r d e n i n ge x p o n e n t T h i si sb e c a u s et h e r ea r eac e r t a i np a r to ff e r r i t ew i t hl o wd i s l o c a t i o nd e n s i t y i nt h ep i p e l i n es t e e lw i t hd u a l - p h a s em i c r o s t r u c t u r ea n dt h ec i r c u m f e r e n t i a ls t r a i np r o d u c e di nm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sc a u s e ss t r a i na g i n g K e yw o r d s ：h i g hg r a d ep i p e l i n es t e e l ；s t r a i nh a r d e n i n g ；s t r a i na g e i n g ；d i s l o c a t i o nd e n s i t y 吉玲康，封辉，张继明，等高铜级管线钢形变硬化行为及其影响因素分析 J 西安石油大学学报( 自然科学版) ，2 0 1 7 ，3 2 ( 3 ) 9 9 1 0 4 J IL i n g k a n g ，F E N GH u i ，Z H A N GJ i m i n g ，e ta 1 鼬a i n h a r d e n i n gb e h a v i o ro fh i g hg r a d el i n e p i p es t e e la n di t si n f l u e n c et a c ：t o r s J J o u r n a lo fX i7 a l lS h i y o uU n i v e r s i t y ( N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n ) ，2 0 1 7 ，3 2 ( 3 ) ：9 9 1 0 4 收稿日期：2 0 1 6 - 0 8 - 0 1 基金项目：中国石油天然气集团公司科技重大专项“第三代大输量天然气管道工程关键技术研究”( 编号：2 0 1 2 E 一2 8 0 1 ) 作者简介：吉玲康( 1 9 6 6 一) ，男，教授级高工，博士，主要从事油气输送管材基础研究及工程应用。 E m a i l ：j i l i n g k a n 9 2 。0 0 0 1 6 3 c o n 万方数据 西安石油大学学报( 自然科学版) 引言 我国天然气资源集中在西部地区，主要为塔里 木天然气、新疆煤制气，而进口天然气主要包括中亚 天然气、俄罗斯西伯利亚天然气，这些天然气资源均 需要通过管道输送。因此高压大输量长距离输送必 将成为我国天然气管道输送的发展趋势。1 9 9 0 年后，为节约建设成本，高钢级管线钢的研究开发在 国内外都得到了快速发展，其中我国高钢级管线钢 的发展更是具有研究开发周期短、应用速度快的特 点。高钢级管线钢( 特别是X 8 0 以上钢级) 除了提 高强度外，为了保证安全可靠运行，还需要注意韧 性、塑性的平衡问题；另一方面，基于应变设计技术 的发展也对管线钢的塑性提出了更高的要求口3 j 。 高钢级管线钢及钢管的力学行为特征，特别是形变 硬化行为，对管材的延性断裂止裂和塑性变形容量 有着重要的影响。大量研究4 刮表明：具有不同金 相组织特征的管线钢，其形变硬化的行为和规律有 着明显的差异；随着材料的形变硬化指数的提高，管 材的屈强比降低，临界屈曲应变明显增加，而且管材 的流变行为和高钢级管线钢管的延性断裂止裂行为 间也有着密切的关系。本文对于不同组织状态高钢 级管线钢及钢管的形变硬化特征及其影响因素进行 了研究，以期促进高钢级管线钢的发展和应用。 试样制备与试验方法 1 1 试样制备 试验选用具有不同组织的单相和双相X 8 0 、 X 9 0 直缝埋弧焊管样品作为研究对象。试验样品规 格和母材化学成分见表1 。每种样品均采用套取加 工方法制备钢管母材的横向、纵向拉伸试样，试样不 经过展平处理。拉伸试样为圆棒试样，标距内直径 1 2 7m m ，标距长5 0m m 。 表1 试验用管线钢管规格及化学成分 T a b 1S i z ea n dc h e m i c a lc o m p o s i t i o no fp i p e l i n es t e e lf o re x p e r i m e n t 注：D 表示贝氏体+ 铁素体双相组织直缝埋弧焊管；N 表示贝氏体单相组织直缝埋弧焊管。 1 2 试验方法 1 2 1拉伸试验用光学显微镜观察到的拉伸试 验在U T M5 3 0 5 材料试验机上进行，试验标准为 A S T MA 3 7 0 ，拉伸速率为0 0 3m m s 。 1 2 2 形变硬化指数n 的计算通过对工程应力 应变曲线的处理，可以获得材料的形变硬化指数。 根据工程需求，只考虑工程应力应变曲线中从屈服 开始到达到抗拉强度这一段曲线进行处理。具体步 骤如下。1 ： ( 1 ) 由工程应力应变盯一占曲线计算得到真应 力应变S e 曲线 S = o - ( 1 + s ) ，( 1 ) e = I n ( 1 + s ) 。 ( 2 ) 其中I s 为真应力，e 为真应变，o - 为工程应力，s 为工 程应变。 ( 2 ) 对真应力和真应变取自然对数，获得l ns I ne 关系曲线，进而获得形变硬化指数凡。 根据H o l l o m o n 建立的经典方程S = K e “，得 d l nS n 3 面忑。 ( 3 ) 其中，n 为形变硬化指数，即l n5 一I ne 关系曲线的 斜率。 ( 3 ) 作图获得n I ne 的关系曲线并进行分析。 2 试验结果与讨论 2 1 微观组织及力学性能 用光学显微镜观察到的各样品的微观组织形貌 如图1 所示。单相X 8 0 管线钢的主要组织为粒状 贝氏体，含少量多边形铁素体，晶粒尺寸小，平均尺 寸小于2 斗