摘 要:４１０ MPa級鋼制無縫壓力管在高溫拉伸測試中出現(xiàn)了結果異常現(xiàn)象,具體表現(xiàn)為隨著 試驗溫度的升高,材料的屈服強度先升高后下降,與此同時,材料的抗拉強度隨試驗溫度的變化也 表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律,且兩者分別在１５０,２００ ℃時達到最大.通過多種檢驗手段對無縫壓力管 的微觀組織變化進行了研究,發(fā)現(xiàn)所述試驗現(xiàn)象是試驗溫度與晶粒尺寸綜合作用的結果.

關鍵詞:４１０MPa級鋼;無縫壓力管;晶粒尺寸;試驗溫度;高溫拉伸性能

中圖分類號:TG１４２．１ 文獻標志碼:A 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１２Ｇ０８４１Ｇ０４

制 造 鍋 爐、壓 力 容 器 與 壓 力 管 道 等 所 用 的 ４１０MPa級鋼常需在高溫條件下工作,因此對其進 行高溫力學性能測試是必不可少的.４１０ MPa級 鋼屬于經鎮(zhèn)靜脫氧處理的碳錳鋼,與其他碳錳鋼類 似,通常情況下,在室溫至５００ ℃的溫度范圍內,除 了藍脆區(qū),隨著試驗溫度的升高,其原子擴散能力增 大,空位數(shù)量增多,晶界滑移系改變或增加,材料易 于發(fā)生塑性變形,表現(xiàn)為強度降低、塑性升高[１Ｇ２].

然而,筆者某次在對４１０ MPa級鋼制無縫壓力 管的高溫拉伸性能進行測試時發(fā)現(xiàn),隨著試驗溫度 的升高,該鋼管的屈服強度與抗拉強度均出現(xiàn)了先 升高后降低的異常現(xiàn)象.經過核實,試驗取樣與加 工、試樣尺寸測量、試驗溫度設定、試驗過程等都不 存在問題.針對該現(xiàn)象,筆者利用多種檢驗手段對 無縫壓力管的顯微組織進行了觀察,對此異常規(guī)律 產生的原因進行了分析探究.

１ 試驗方法

試驗用材料為４１０ MPa級鋼制無縫壓力管,規(guī) 格為?４８mm×７mm,將一根整管鋸斷成若干段,沿 管子縱向剖成兩半,按照 GB/T２２８．２－２０１５«金屬材 料 拉抻試驗 第２部分:高溫試驗方法»加工成弧形試 樣,試樣形狀見圖１.試驗設置５０,１００,１５０,２００,２５０, ３００,３５０,４００,４５０℃共９個溫度,各隨機挑選一個試 樣進行試驗.試驗具體操作步驟為:先將試樣與工裝相連放入高溫爐中進行升溫,達到設定的試驗溫度并 保溫１５min后開始進行拉伸試驗.在達到屈服點之 前,拉伸速率設定為０．５mm??min－１,試樣屈服之后, 試驗 速 率 設 定 為２mm??min－１,整 個 試 驗 過 程 在 INSTRON５５８７型試驗機上進行.

試樣斷口觀測采用JSMＧ３５C 型掃描電子顯微 鏡;金相檢驗采用 OLYMPUS光學顯微鏡,取樣部 位為試樣 夾 持 端 未 變 形 區(qū) 域;微 觀 組 織 分 析 采 用 CM２００型透射電子顯微鏡,取樣位置緊靠斷口的縮 頸部位.

２ 試驗結果

２．１ 拉伸試驗結果

不同試驗溫度條件下４１０ MPa級鋼制無縫壓 力管的高溫拉伸試驗結果見圖２.可以看出其屈服 強度隨著試驗溫度的升高表現(xiàn)出先略微增加后逐漸下降的趨勢,在１５０℃時達到最大值;抗拉強度隨試 驗溫度的變化規(guī)律與屈服強度的相似,在２００ ℃時 達到最大值,且在２００ ℃之前,隨試驗溫度的升高, 抗拉強度顯著增大;而材料的斷后伸長率則隨著試 驗溫度的升高而持續(xù)增加,僅在２００ ℃時出現(xiàn)了陡 降,分析認為此處對應材料的藍脆區(qū).

２．２ 斷口形貌

圖３為試樣的拉伸斷口形貌,可以看出在５０, １５０,２５０,３５０ ℃時,斷口具有較多小且深的韌窩,表 現(xiàn)出明顯的塑性特征,而２００ ℃試樣的大韌窩所占 比例較大,且部分韌窩扁平,相比較于前者,塑性特 征有 所 下 降. 對 于 ４５０ ℃ 試 樣,其 斷 口 雖 然 與 ２００ ℃試樣的特征相似,但從圖２可以看出,在此溫 度下,材料的塑性很好,沒有出現(xiàn)脆化現(xiàn)象.

２．３ 顯微組織

對不同試驗溫度條件下的試樣進行金相檢驗, 如圖４所示,試樣的顯微組織為鐵素體＋珠光體. 試樣的晶粒度級別評定結果見圖５,可以看出不同 溫度條件下所用拉伸試樣的晶粒度有較大差別,說 明４１０ MPa級鋼制無縫壓力管的微觀組織本身就 存在著不均勻性,這可能是鋼管在拉拔的過程中變 形不均勻所致.

圖６為透射電鏡下試樣的顯微組織形貌,可以 看出,試樣的顯微組織為鐵素體＋層片狀的珠光體, 珠光體層片間距無明顯差異.

３ 分析與討論

理論上,從５０~１５０℃,材料強度值隨溫度升高 應該呈現(xiàn)下降的趨勢,但上述試驗結果恰好相反,結 合圖５中試樣晶粒度的差異,筆者認為這是試驗溫 度與晶粒尺寸綜合作用的結果.一方面,隨著溫度 的升高,原子擴散能力增大,晶體中空位數(shù)量增多, 晶界滑移系增加,材料的強度降低,塑性提高;另一 方面,從５０~１５０℃,高溫拉伸試驗所選用試樣的晶 粒尺寸依次減小(對應晶粒度級別增加),晶粒呈現(xiàn) 細化的趨勢.隨著晶粒尺寸的減小,晶界增多,晶界 前塞積的位錯數(shù)減少,應力集中現(xiàn)象降低;同時,晶 界增多使得裂紋擴展所遇阻力增大,并且晶界總面 積增加,晶界上雜質所占比例大大降低,減少了產生 脆性斷裂的幾率,從而達到增強、增韌的效果.

綜上所述,由于晶粒細化對材料的增強作用大 于溫度升高的軟化作用,在５０~１５０ ℃,隨溫度升 高,材料的屈服強度與抗拉強度出現(xiàn)了升高的異常 現(xiàn)象;而溫度升高與晶粒細化都能夠提高材料的塑 性,所以在此溫度范圍內斷后伸長率呈現(xiàn)持續(xù)增加 的趨勢.

當試驗溫度升高到２００ ℃以上后,晶粒尺寸對 材料性能的作用效果減弱,試驗溫度的影響開始占 據主導作用,隨著試驗溫度的升高,４１０ MPa級鋼 制無縫壓力管的強度下降,塑性增加.

碳鋼在１５０~３５０ ℃的溫度區(qū)間會出現(xiàn)強度上 升、塑性下降、脆性增加的行為[３Ｇ６],被稱為藍脆現(xiàn) 象.從圖２中斷后伸長率所呈現(xiàn)的陡降現(xiàn)象可以判 定,４１０MPa級鋼制無縫壓力管的藍脆區(qū)在２００ ℃ 左右.通常情況下,藍脆主要影響到材料的抗拉強 度和斷后伸長率,對材料的屈服強度影響不大,所以 在２００℃時,材料的抗拉強度達到了最大,而對應的 屈服強度則開始下降.

４ 結論

(１)在同一根鋼管上取一批試樣,試樣的晶粒 尺寸也可能存在顯著差異,最終對材料的力學性能 測試結果產生一定的影響.

(２)試驗溫度低于１５０ ℃時,隨試驗溫度升高, ４１０MPa級鋼制無縫壓力管的強度值出現(xiàn)了異常 的增高現(xiàn)象,這是由晶粒細化的強化作用高于溫度 的軟化作用所致.

(３)４１０MPa級鋼制無縫壓力管出現(xiàn)藍脆現(xiàn)象 的溫度為２００ ℃左右.

(４)不論是產品檢驗還是材料研發(fā),通過檢測 單個試樣所得的結果來代表材料的整體性能可能存 在風險.

參考文獻:

[１] 馮端．金屬物理學[M]．北京:科學出版社,１９９９．

[２] 崔忠圻,覃耀春．金屬學與熱處理[M]．北京:機械工 業(yè)出版社,２００７．

[３] 曾家炳,孫維絪．低合金鋼筋的藍脆及其對性能的影 響[J]．冶金建筑,１９８２,１２(４):５１Ｇ５４．

[４] 屈立軍,李煥群．Q４２０鋼材高溫強度試驗研究[J]．消 防科學與技術,２００４,２３(３):２２３Ｇ２２５．

[５] 肖建莊,代媛媛,趙勇,等．５００ MPa細晶粒鋼筋高溫 下的應力Ｇ應變關系[J]．建筑材料學報,２００８,１１(３): ２７６Ｇ２８２．

[６] 楊柳,羅迎社,許建民,等．２０號鋼熱拉伸流變特性的 研究(Ⅰ)[J]．湘潭大學自然科學學報,２００４,２６(２): ３７Ｇ４０．

<文章來源>材料與測試網>期刊論文>理化檢驗－物理分冊>55卷>12期(pp:841-844)>