梁明華 魏 娜 李 亮 何小東

(1.中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院，石油管工程重點實驗室 陜西 西安 710077;2.西安石油大學(xué) 陜西 西安 710065)

0 引 言

屈服強度和抗拉強度是衡量管線鋼力學(xué)性能的重要指標，其在試驗過程中受到試驗速率的影響［1］。試驗速率是影響金屬材料拉伸性能的重要因素，在國內(nèi)外金屬材料拉伸試驗標準中均對試驗速率做了明確的規(guī)定，如GB/T 228.1［2］、ASTM A370［3］及ASTM E8/E8M［4］等。試驗速率對金屬材料拉伸性能測試結(jié)果的影響程度與材料有關(guān)，影響程度隨試驗材料的不同而不同。實驗室進行檢測過程中，有必要針對X80 管線鋼這一當前大規(guī)模應(yīng)用的材料進行不同拉伸速率的試驗測試，以驗證不同拉伸速率對材料拉伸性能的影響及影響程度。本文以某廠生產(chǎn)的X80 管線鋼為試驗材料，在不同拉伸速率條件下測試了材料的拉伸性能，通過對比，研究不同拉伸速率對該材料拉伸性能試驗結(jié)果的影響。

1 試驗材料和試驗過程

試驗用試樣從國內(nèi)某廠生產(chǎn)的X80M 直縫埋弧焊管上截取，所用材料的成分見表1、金相組織見圖1。

表1 試驗材料化學(xué)成分 %

圖1 試驗材料壁厚中心組織

拉伸試樣取樣位置為距焊縫180°管體橫向，試樣規(guī)格為平行段直徑12.7 mm、平行段長度65 mm 的棒狀試樣，標距為50 mm。用于加工試樣的樣坯從同一根鋼管上互相鄰近的位置截取，并按順序編號，按順序采用不同大小的試驗速率(橫梁位移速率)進行拉伸試驗，每個拉伸速率下采用3 個平行試樣。拉伸試驗在UTM5305萬能材料試驗機上進行。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 試驗速率的選取

在GB/T 228.1 -2010 中，給出3 種推薦的試樣應(yīng)變速率:

1)0.000 25s-1，相對誤差±20%;

2)0.002 5s-1，相對誤差±20%;

3)0.006 7s-1，相對誤差±20%。

其中材料的規(guī)定總延伸強度(Rt0.5)可選取速率1，抗拉強度(Rm)可選取速率1，速率2 及速率3。為驗證速率對屈服強度和抗拉強度的影響，分別選用推薦的三種速率進行試驗。

試樣拉伸速率由試驗機橫梁位移速率控制。在GB/T 228.1 -2010 的10.3.1 中指出，如果材料顯示出均勻變形能力，試樣應(yīng)變速率èLc和根據(jù)平行長度估計的應(yīng)變速率èLc大致相等，可用下式估算橫梁位移速率。

式中，èLc為平行長度估計的應(yīng)變速率，s-1;Lc為試樣平行段長度，mm;Vc為橫梁位移速率，mm/s。

標準推薦的三種速率根據(jù)(1)式計算得到的橫梁位移速率分別為:0. 975 mm/min、9. 75 mm/min 和20. 1 mm/min。

公式(1)是在沒有考慮實驗裝置(機架、力傳感器、夾具等)彈性變形的情況下得到的。實際試驗過程中，橫梁位移速率只有一部分轉(zhuǎn)移到試樣上，總變形分為實驗裝置的彈性變形和試樣的變形。GB/T 228.1 -2010附錄F 中給出了在考慮試驗裝置的彈性變形后，試樣上產(chǎn)生的應(yīng)變速率èm的公式如下式:

式中，CM為試驗裝置的剛度，mm/N;èm為試樣上產(chǎn)生的應(yīng)變速率，s-1;m 為給定時刻應(yīng)力-延伸曲線的斜率(如Rt0.5附近點)，MPa;S0為原始橫截面積，mm2;

試樣上產(chǎn)生應(yīng)變速率èm所需近似衡量位移速率可以根據(jù)下式得到:

為保證試驗的精度，根據(jù)GB/T 228.1 -2010 附錄F規(guī)定，計算試驗需要設(shè)定的橫梁位移速率。首先取一根預(yù)備試樣在橫梁位移速率5 mm/min 的拉伸速率下進行拉伸試驗，通過引伸計記錄試樣的應(yīng)變速率，確定公式(3)中的各項參數(shù)值。根據(jù)公式(2)和公式(3)，可得三種標準推薦試樣應(yīng)變速率下的橫梁位移速率分別近似為:1.319 mm/min、13.186 mm/min、35.338 mm/min。

將是否考慮實驗裝置彈性變形的橫梁位移速率進行比較，可以發(fā)現(xiàn)考慮實驗裝置彈性變形得到的橫梁位移速率大于未考慮衡量位移情況下的值，其誤差達到26.1%，大于我國標準對試驗速率相對誤差(±20%)的要求。這也說明對于X80 管線鋼這種材料，在實驗前估算試驗速率(即橫梁位移速率)時要考慮實驗裝置彈性變形的影響，否則開展試驗的試驗速率不能滿足標準的要求。

2.2 X80M 管線鋼拉伸曲線的特征

按照GB/T 228.1 -2010 附錄F 計算試驗需要設(shè)定的橫梁位移速率時，選取了一根預(yù)備試樣。該試樣拉伸全程在橫梁位移速率為5 mm/min 的拉伸速率下進行試驗，試驗拉伸曲線如圖2 所示。試驗過程中的橫梁位移及橫梁速率與時間的關(guān)系在圖3 中給出。從圖3 可以看出橫梁位移隨時間均勻增加，橫梁位移-時間數(shù)據(jù)點呈直線分布。通過將橫梁位移對時間求導(dǎo)數(shù)，即得到橫梁速率-時間曲線，從曲線可以看出除試驗剛開始較短時間的不穩(wěn)定狀態(tài)(前4 個數(shù)據(jù)點)外橫梁位移速率保持在5 mm/min，與試驗設(shè)定值一致。

圖2 載荷-引伸計變形曲線圖

圖3 橫梁位移/橫梁速率-時間曲線圖

為確定試樣的實際應(yīng)變速率，在圖4 中給出了引伸計變形、應(yīng)變速率與時間的關(guān)系曲線。從圖4 可以看出引伸計變形隨時間在增加，但引伸計-時間數(shù)據(jù)點卻并不像橫梁位移呈直線分布，其在屈服點(Ft0.5)附近有一個明顯的斜率變化。將引伸計的應(yīng)變(引伸計伸長除以引伸計標距)對時間求導(dǎo)數(shù)，即得到應(yīng)變速率與時間的關(guān)系?？梢钥闯?，雖然整個試驗過程中橫梁位移速率始終恒定在5 mm/min(圖3)，但引伸計標距內(nèi)的試樣應(yīng)變速率并不保持恒定。試驗開始后，試樣應(yīng)變速率從0 迅速上升到一定值(0.000 228s-1)后在彈性段逐漸下降，在彈性段末期接近屈服點(Ft0.5)時會迅速上升，試驗中取的屈服點Ft0.5恰好在應(yīng)變速率迅速上升的階段(應(yīng)變速率為0.000 948s-1)，在試樣過了屈服點后到達一定階段后又開始緩慢上升。

圖4 引伸計變形/應(yīng)變速率-時間曲線圖

2.3 不同拉伸速率下的拉伸性能

在推薦的三種拉伸速率下分別進行試驗，每個速率選用三根平行試樣，試驗結(jié)果見表2。

從表2 可以看出，三種拉伸速率下獲得的材料屈服強度和抗拉強度并不一致，將三個平行試樣的強度取平均值。在推薦拉伸速率1(應(yīng)變速率0.000 25s-1)下得到的屈服強度和抗拉輕度分別為624 MPa、709 MPa;在推薦拉伸速率2(應(yīng)變速率0.002 5 s-1)下得到的屈服強度和抗拉輕度分別為632 MPa、716 MPa;在推薦拉伸速率3(應(yīng)變速率0.006 7 s-1)下得到的屈服強度和抗拉輕度分別為635 MPa、720 MPa?？梢?，隨著試驗速率的提高，屈服強度和抗拉強度都有所提高。特別是抗拉強度的測量，三種試驗速率均為GB/T228.1 -2010 中認可的試驗速率，結(jié)果卻并不相同，測得的抗拉強度與試驗速率有關(guān)，試驗速率越高測得的抗拉強度也越高。

表2 不同拉伸速率下X80M 材料的屈服強度與抗拉強度

對于產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因，一般認為，拉伸試驗進入屈服階段后材料開始塑性變形。金屬材料的屈服點是彈性變形過渡到塑性變形的轉(zhuǎn)折點。目前已知，彈性變形以聲速進行，因此加載速度對它無影響［5］。塑性變形主要以滑移方式進行，而晶體滑移是通過位錯運動來實現(xiàn)的。位錯運動過程中，點陣摩擦阻力、原子間交互作用如P-N 力等，使得位錯具有黏滯性［6］。隨著加載速率增加，塑性變形所需的時間不夠，即材料對滑移的抗力提高，宏觀上就表現(xiàn)出屈服強度增高。

因此在測量X80M 材料的屈服強度和抗拉強度時應(yīng)嚴格按照標準要求的速率進行，并注明采用的試驗速率。

3 結(jié) 論

1)對于X80 管線鋼這種材料，在實驗前估算橫梁位移速率時要考慮實驗裝置彈性變形的影響，否則開展試驗的試驗速率將不能滿足標準的要求。

2)橫梁位移速率保持恒定，試樣應(yīng)變速率并不保持恒定。在屈服點(Ft0.5)附近會產(chǎn)生應(yīng)變速率迅速上升，試驗中取的屈服點Ft0.5恰好在應(yīng)變速率迅速上升的階段。

3)屈服強度和抗拉強度都隨著試驗速率的提高而升高，測量X80M 材料的屈服強度和抗拉強度時應(yīng)嚴格按照標準要求的速率進行，并注明采用的試驗速率。

［1］董 強，宰紹峰，孫建林，等. GB/T 228.1 -2010 中的拉伸試驗速率及其控制［J］. 理化檢驗- 物理分冊，2011，47

(12):774 -781.

［2］中國國家標準化管理委員會.GB/T 228.1 -2010. 金屬材料室溫拉伸試驗方法［S］.北京:中國標準出版社，2010.

［3］ASTM A370. Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products［S］.

［4］ASTM E8/E8M. Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials［S］.

［5］陳 軍，劉 攀，藍秀瓊，等. 試驗速率對連續(xù)屈服材料拉伸性能的影響［J］. 四川兵工學(xué)報，2014，35(12):126-129.

［6］柳永寧，朱金華，周惠久. 普通低碳鋼的強度與溫度、應(yīng)變速率的關(guān)系［J］. 材料科學(xué)進展，1990，4(4):285 -290.