蘇洪英，林 利，呂 冬，陸曉鋒，魏世同，李蕭彤，張 南

（鞍山鋼鐵集團(tuán)公司技術(shù)中心，遼寧 鞍山114009）

管線鋼熱軋卷板屈服強(qiáng)度的試驗(yàn)研究

蘇洪英，林 利，呂 冬，陸曉鋒，魏世同，李蕭彤，張 南

（鞍山鋼鐵集團(tuán)公司技術(shù)中心，遼寧 鞍山114009）

為了準(zhǔn)確測定管線鋼熱軋卷板的屈服強(qiáng)度，以X90管線鋼熱軋卷板為例，采用規(guī)定比例極限σP50的計(jì)算方法，通過橫向、30°和45°方向圓棒試樣和直接拉伸矩形試樣的拉伸試驗(yàn)、規(guī)定比例極限σP50的試驗(yàn)、橫向矩形試樣預(yù)拉伸至規(guī)定比例極限σP50的試驗(yàn)等，測定了屈服強(qiáng)度RP0.2和Rt0.5的變化情況。結(jié)果表明，預(yù)拉伸至σP50對(duì)試樣力學(xué)性能的影響不大；30°和45°方向的矩形拉伸試樣σP50的誤差限分別為±20 MPa、±5 MPa，在此范圍內(nèi)的屈服強(qiáng)度RP0.2和Rt0.5數(shù)據(jù)分散性較小，略高于相同方向的圓棒試樣，與橫向矩形試樣的屈服強(qiáng)度略高于橫向圓棒試樣的規(guī)律性一致。預(yù)拉伸至規(guī)定比例極限σP50能夠準(zhǔn)確計(jì)算管線鋼卷板的屈服強(qiáng)度。

管線鋼；屈服強(qiáng)度；規(guī)定比例極限σP50；預(yù)拉伸

高壓輸送是石油和天然氣管線的發(fā)展趨勢，高壓輸送的基礎(chǔ)是高鋼級(jí)管線鋼管，采用高鋼級(jí)鋼管高壓輸送能大幅度降低管道建設(shè)成本[1-6]。GB/T 14164—2013《石油天然氣輸送管用熱軋寬鋼帶》[7]要求規(guī)定，對(duì)于L485/X70及以下級(jí)別的鋼帶和鋼板，拉伸試驗(yàn)應(yīng)采用全厚度矩形試樣；對(duì)于L555/X80及以上級(jí)別的鋼帶和鋼板，拉伸試驗(yàn)可采用全厚度矩形試樣或圓棒試樣。但由于圓棒試樣在加工過程中去掉了表面層，使材料的性能發(fā)生變化。如果表面層強(qiáng)度（硬度）較高，加工后試樣強(qiáng)度就會(huì)降低；如果表面層強(qiáng)度（硬度）較低，加工后試樣強(qiáng)度就會(huì)升高。另外，如果管線鋼管直徑較小，則拉伸樣坯彎曲角度會(huì)較大，圓棒拉伸試樣不直，很難保證加工后試樣軸心在一條直線上，試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性就值得商榷[8]。因此，管線鋼熱軋卷板采用全厚度矩形試樣做拉伸試驗(yàn)更科學(xué)、更合理。

GB/T 14164—2013規(guī)定用 Rt0.5來度量管線鋼卷板的屈服強(qiáng)度。Rt0.5是管線鋼熱軋板卷最重要的力學(xué)性能指標(biāo)之一，也是保證管道工程安全運(yùn)行必不可少的技術(shù)參數(shù)。但是由于管線鋼熱軋卷板彎曲，其拉伸試驗(yàn)過程中引伸計(jì)標(biāo)距內(nèi)的變形實(shí)際由兩部分組成：一是不平直試樣受拉展平產(chǎn)生的變形，另一個(gè)是試樣真實(shí)的彈塑性變形。直接拉伸的彎曲試樣使得測量結(jié)果與真實(shí)值之間存在一定誤差，Rt0.5檢測值波動(dòng)大，檢測值偏低，直接影響了對(duì)管線鋼熱軋卷板屈服強(qiáng)度的評(píng)定。

目前國內(nèi)一般對(duì)取樣方向?yàn)?0°和45°的管線鋼熱軋卷板的彎曲矩形拉伸試樣，均采用冷壓平方法來測定其Rt0.5，以得到材料的屈服強(qiáng)度。但冷壓平會(huì)對(duì)試樣材料的應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生影響，且由于冷壓平并無標(biāo)準(zhǔn)尺度，僅憑經(jīng)驗(yàn)評(píng)估，使得測量值和真實(shí)值之間存在一定的誤差，具體表現(xiàn)為測得的Rt0.5波動(dòng)較大，進(jìn)而影響了對(duì)管線鋼熱軋卷板屈服強(qiáng)度的真實(shí)評(píng)定（除屈服強(qiáng)度外的其他力學(xué)性能指標(biāo)則不受冷壓平過程的影響）。同時(shí)，由于鋼級(jí)的升高和壁厚的增大，使得試樣的冷壓平變得越來越困難，且對(duì)材料屈服強(qiáng)度測試的影響變得愈加明顯[9-10]。為此，本研究針對(duì)X90管線鋼熱軋卷板30°和45°方向的全厚度不平直的矩形拉伸試樣屈服強(qiáng)度的測定，采用預(yù)拉至規(guī)定比例極限σP50的方法進(jìn)行了測試，并分析了預(yù)拉伸至σP50對(duì)屈服性能的影響。

1 規(guī)定比例極限σP50的定義

多年來，國際上通常用材料力學(xué)性能指標(biāo)“規(guī)定比例極限”作為一些產(chǎn)品設(shè)計(jì)和驗(yàn)收的主要參數(shù)。20世紀(jì)70年代，隨著科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展和檢測手段的不斷完善與提高，多數(shù)發(fā)達(dá)國家已不再采用這一概念，取而代之的是用規(guī)定一定的非比例延伸率對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，即規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度作為 “規(guī)定比例極限”。為了與國際慣例接軌，我國于1987年頒布了GB/T 228—1987《金屬拉伸試驗(yàn)方法》[11]，該標(biāo)準(zhǔn)參照國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 6892—1984《金屬材料.拉伸試驗(yàn)》修訂。GB/T 228—1976[12]規(guī)定了規(guī)定比例極限σP50的測定方法。

比例極限是應(yīng)力和應(yīng)變成正比關(guān)系的最大應(yīng)力，即在應(yīng)力－應(yīng)變曲線上開始偏離直線時(shí)的應(yīng)力。實(shí)際在拉伸曲線上，不是測定開始偏離直線那一點(diǎn)的應(yīng)力，而是測定偏離一定值的應(yīng)力。一般規(guī)定曲線上某點(diǎn)切線和縱坐標(biāo)夾角的正切值tanθ2比直線部分偏離和縱坐標(biāo)夾角的正切值tanθ1增加 50%時(shí)，即 tanθ2=1.5tanθ1，則該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力即為規(guī)定比例極限σP50，如圖1所示。

圖1 規(guī)定比例極限σP50

規(guī)定比例極限σP50按式（1）計(jì)算。

式中：σP50—規(guī)定比例極限，MPa；

FP50—規(guī)定比例極限對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)力，N；

S0—原始橫截面積，mm2。

2 規(guī)定比例極限σP50的計(jì)算方法

由規(guī)定比例極限 σP50的定義可知 tanθ2=1.5tanθ1。 由于 E1=1/tgθ1，E2=1/tgθ2，可推出 E1=1.5E2。其中E1為楊氏彈性模量，E2為所求規(guī)定比例極限σP50處的切線彈性模量[13]。先求出E1，然后計(jì)算出E2的理論值即E1/1.5。在軟件界面中設(shè)置切線彈性模量的選定點(diǎn)應(yīng)力，軟件自動(dòng)計(jì)算出選定點(diǎn)應(yīng)力的切線彈性模量，比較E2的實(shí)際值與理論值的相對(duì)誤差，若相對(duì)誤差不大于3%，則該點(diǎn)應(yīng)力有效。求出所有有效數(shù)據(jù)點(diǎn)應(yīng)力的平均值，該平均值即為規(guī)定比例極限σP50。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 圓棒試樣和直接拉伸的矩形試樣的拉伸試驗(yàn)

試驗(yàn)選用X90管線鋼熱軋卷板，厚度為16.3mm，取樣方向?yàn)闄M向、30°和45°，分別加工成直徑為12.7mm的圓棒試樣和平行長度寬度為38.1mm的矩形試樣。試樣編號(hào)規(guī)則為：首位數(shù)字為取樣方向，即“9”為橫向，與軋制方向成90°；“3”與軋制方向成 30°；“5”與軋制方向成45°；第二位數(shù)字為試樣順序號(hào)。圓棒試樣和直接拉伸的矩形試樣的拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 圓棒試樣和直接拉伸的矩形試樣的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

由表1可以看出，圓棒試樣各方向的力學(xué)性能指標(biāo)很穩(wěn)定。對(duì)于矩形試樣而言，橫向試樣力學(xué)性能指標(biāo)很穩(wěn)定，但屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度略高于圓棒試樣，原因是圓棒試樣在加工過程中去掉了表面層，使材料的性能發(fā)生變化。而30°和45°方向的屈服強(qiáng)度Rt0.5和RP0.2波動(dòng)較大，且低于圓棒試樣，原因是30°和45°方向的矩形試樣不平直，直接拉伸時(shí)試樣有一個(gè)展平的過程，使測量結(jié)果與真實(shí)值之間存在一定的誤差，數(shù)據(jù)分散性較大。矩形試樣的抗拉強(qiáng)度性能穩(wěn)定，但高于圓棒試樣。不同方向圓棒試樣和矩形試樣的實(shí)際拉伸曲線如圖2所示。

圖2 不同方向圓棒和矩形試樣的實(shí)際拉伸曲線

從圖2可以看出，由于圓棒試樣平直，不同方向試樣的彈性段吻合，呈線性；矩形試樣30°和45°方向的試樣由于試樣不平直，彈性段為非線性，30°方向試樣彈性段的線性最差，橫向試樣彈性段呈現(xiàn)較好的線性。

3.2 規(guī)定比例極限σP50的試驗(yàn)結(jié)果

鑒于圓棒試樣平直，不同方向試樣的拉伸曲線基本接近材料真實(shí)的拉伸曲線，故從圓棒試樣的曲線上分析規(guī)定比例極限σP50，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

對(duì)表2中圓棒試樣的比例極限σP50取平均值，則橫向試樣的比例極限σP50平均值為480 MPa，30°方向 σP50為 470 MPa，45°方向 σP50為 490 MPa。

3.3 橫向矩形試樣預(yù)拉伸至規(guī)定比例極限σP50的試驗(yàn)結(jié)果

由于橫向矩形試樣平直，僅進(jìn)行預(yù)拉伸至比例極限σP50=480 MPa試驗(yàn)，并比較預(yù)拉伸至σP50后與未預(yù)拉伸試樣試驗(yàn)結(jié)果的差異。如果試驗(yàn)結(jié)果接近，則說明預(yù)拉伸至σP50并未影響力學(xué)性能結(jié)果的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)方案合理，結(jié)果見表3。

表2 規(guī)定比例極限σP50試驗(yàn)結(jié)果

表3 預(yù)拉伸480 MPa時(shí)橫向矩形試樣的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)比表3和表1的結(jié)果可知，表3與表1中91#、92#和93#矩形試樣的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)接近，說明試驗(yàn)方案合理，可以以此方案繼續(xù)進(jìn)行30°和45°方向試樣的預(yù)拉伸至σP50試驗(yàn)。

3.4 30°、45°方向的矩形試樣預(yù)拉伸至比例極限σP50的試驗(yàn)結(jié)果

首先對(duì)30°和45°方向矩形試樣依據(jù)比例極限σP50進(jìn)行預(yù)拉伸，然后再按規(guī)定比例極限σP50的公差范圍進(jìn)行預(yù)拉伸，每組三個(gè)試樣。30°方向矩形試樣依據(jù)比例極限σP50進(jìn)行預(yù)拉伸后，三個(gè)試樣的平均值：Rt0.5=576 MPa，RP0.2=579 MPa；45°方向矩形試樣依據(jù)比例極限σP50進(jìn)行預(yù)拉伸后，三個(gè)試樣的平均值：Rt0.5=571 MPa，RP0.2=568 MPa。由于一般標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣屈服強(qiáng)度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.0%，則30°方向試樣Rt0.5和RP0.2的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均為12 MPa；45°方向試樣Rt0.5和RP0.2的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均為11 MPa。依據(jù)此偏差設(shè)置誤差極限，結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 30°方向的矩形試樣的規(guī)定比例極限σP50的誤差極限

圖4 45°方向的矩形試樣的規(guī)定比例極限σP50的誤差極限

由圖3可知，對(duì)于30°方向試樣，其規(guī)定比例極限σP50的誤差極限為±20 MPa，在此范圍內(nèi)的屈服強(qiáng)度Rt0.5和RP0.2數(shù)據(jù)分散性小，比表1中圓棒試樣31#、32#和33#略高。由圖4可知，對(duì)于45°方向試樣，其規(guī)定比例極限σP50的誤差極限為±5 MPa，在此范圍內(nèi)的屈服強(qiáng)度Rt0.5和RP0.2數(shù)據(jù)分散性小，也比表1中圓棒試樣51#、52#和53#略高；橫向矩形試樣的屈服強(qiáng)度也略高于圓棒試樣，規(guī)律性一致。

4 結(jié) 論

（1）由于45°和30°方向的矩形拉伸試樣不平直，其拉伸曲線彈性段線性較差，故可采用圓棒試樣來計(jì)算不同方向矩形試樣的規(guī)定比例極限σP50。

（2）橫向矩形試樣預(yù)拉伸至σP50后，性能與未預(yù)拉伸的矩形試樣一致，表明預(yù)拉伸至σP50并未影響力學(xué)性能結(jié)果的準(zhǔn)確性。30°和45°方向的矩形拉伸試樣σP50的誤差極限分別為±20 MPa和±5 MPa，在此范圍內(nèi)的屈服強(qiáng)度RP0.2和Rt0.5數(shù)據(jù)分散性較小，略高于相同方向的圓棒試樣，橫向矩形試樣的屈服強(qiáng)度略高于橫向圓棒試樣。

（3）預(yù)拉伸至規(guī)定比例極限σP50能夠最準(zhǔn)確計(jì)算管線鋼卷板的屈服強(qiáng)度。

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Experimental Study on Yield Strength of Pipelines Steel Hot-rolled Coil

SU Hongying,LIN Li,LV Dong,LU Xiaofeng,WEI Shitong,LI Xiaotong,ZHANG Nan
（Anshan Iron ＆ Steel Group Corporation Technology Center,Anshan 114009,Liaoning,China）

In order to accurately detect the yield strength of pipeline steel hot-rolled coil,taking X90 pipeline steel hot-rolled coil as an example,adopting specific proportional limit σP50calculation method to detect yield strength RP0.2and Rt0.5changes through tests,including round bar specimen in transverse direction,30°,45°direction,direct tensile test of rectangular specimen,specific proportional limit σP50test,the prestretching of transverse rectangular sample to specific proportional limit σP50and so on.The results indicated that the prestretching to σP50slightly affect the mechanical performance.The σP50error limits of rectangular tensile specimens in 30°,45°direction were ±20 MPa,±5 MPa,the data dispersion of yield strength RP0.2,Rt0.5within this range are smaller,slightly higher than the round bar specimen in the same direction,with the same regularity as transverse rectangular specimens and transverse round specimens.Pre-tension to specific proportional limit σP50method can accurately calculate the yield strength of pipeline steel hot-rolled coil.

pipeline steel;yield strength;specific proportional limit σP50;pre-tension

TG142.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI:10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.03.008

蘇洪英（1969—），女，漢族，工學(xué)學(xué)士，高級(jí)工程師，1992年哈爾濱工業(yè)大學(xué)畢業(yè)，從事金屬材料的疲勞和斷裂以及材料的力學(xué)性能測試與分析。

2015-11-21

李紅麗