王亞男，周曉鋒，周國帥，邊令喜，邊洪振，韓銘君

（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津 300301）

屈服強(qiáng)度是金屬材料在拉伸或壓縮過程中經(jīng)過彈性變形區(qū)域后，到達(dá)塑性變形階段，發(fā)生屈服現(xiàn)象的屈服極限，是抵抗微量塑性變形所產(chǎn)生的應(yīng)力。在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上，屈服現(xiàn)象體現(xiàn)為應(yīng)力微小增加，而應(yīng)變急劇增大；在微觀機(jī)理上，通常認(rèn)為材料在受力過程中，沿著某處位錯產(chǎn)生滑移，進(jìn)入塑性變形時，該處（范性區(qū)）的位錯突然擺脫障礙束縛而開始運(yùn)動（產(chǎn)生上屈服點(diǎn)和呂德斯帶開始成核），可動位錯增多，引起應(yīng)力下降（產(chǎn)生下屈服點(diǎn)和呂德斯帶已經(jīng)成核），范性區(qū)開始由一處向整個試件擴(kuò)展（產(chǎn)生屈服平臺和呂德斯帶的傳播），當(dāng)呂德斯帶掃過整個試件后，位錯密度增大，加工硬化開始，應(yīng)力開始上升［1-6］。

在拉伸試驗(yàn)中，試驗(yàn)條件和操作過程都會對屈服強(qiáng)度的測量值有一定影響?，F(xiàn)以工作中經(jīng)常遇到的幾點(diǎn)因素作為研究對象，通過理論和試驗(yàn)說明各因素對無縫鋼管屈服強(qiáng)度的影響程度，并提出使屈服強(qiáng)度測量值更接近其真實(shí)值的建議。

1 試驗(yàn)條件

為避免客觀因素的影響，拉伸試驗(yàn)機(jī)統(tǒng)一采用德國申克公司的RBO 600伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，力值精度為0.5級；引伸計采用德國申克公司的RDA2電子引伸計，精度為B-2級。

試驗(yàn)材料選用規(guī)格為Φ114.30～168.28 mm×9.17～12.70 mm，鋼級為 J55、K55、L80、P110、Q125及X52Q的無縫鋼管，并在鋼管上加工寬度為25.4 mm的帶肩弧形條狀試樣。

另外，試樣壁厚不均、表面鐵皮氧化、加工試樣肩部不對稱、取樣位置的不同，以及拉伸試驗(yàn)中的起始載荷不清零、引伸計打滑、夾具的震動等，都會對試驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，但在試驗(yàn)過程中已盡量避免這些因素產(chǎn)生的影響。

2 試驗(yàn)速率的影響

以L80鋼級無縫鋼管為試驗(yàn)材料，進(jìn)行不同應(yīng)力速率的拉伸試驗(yàn)。在同一根鋼管上截取12根試樣，按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》規(guī)定的應(yīng)力速率范圍（6～60 MPa/s）進(jìn)行試驗(yàn)，每兩根一組并取測得的屈服強(qiáng)度的平均值，分別進(jìn)行6組不同應(yīng)力速率的試驗(yàn)。不同應(yīng)力速率下L80鋼級無縫鋼管的屈服強(qiáng)度見表1。

表1 不同應(yīng)力速率下L80鋼級無縫鋼管的屈服強(qiáng)度

從表1可以看出，拉伸試驗(yàn)速率的增加對屈服強(qiáng)度有一定提高作用。這是因?yàn)槔焖俾蔬^大，位錯受阻，滑移不充分，導(dǎo)致塑性變形不能及時傳播；再者形變強(qiáng)化的回復(fù)過程在過大的加載速率中受阻，所以使屈服強(qiáng)度測量值提高［7］。也有理論認(rèn)為，固體材料具有黏彈性特征，所謂黏彈性，是指材料不但具有彈性材料的一般特征，同時還具有黏性流體的一些特征，黏性性質(zhì)與材料的應(yīng)力和應(yīng)變率有關(guān)［8］，所以進(jìn)入屈服階段后，試驗(yàn)速率不同，所測試得到的強(qiáng)度值也不同。

在GB/T 228.1—2010所規(guī)定的應(yīng)力速率范圍內(nèi)，應(yīng)力速率對屈服強(qiáng)度的影響值可達(dá)到10 MPa。根據(jù)文獻(xiàn)［8］中對日本標(biāo)準(zhǔn)JIS Z 2241—1980《金屬材料抗拉試驗(yàn)方法》的敘述，在10～29 MPa/s應(yīng)力速率范圍內(nèi)，應(yīng)力速率對鋼的屈服強(qiáng)度影響升高10～20 MPa。對于其他拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，美國ASTM E 8/E 8M—2016a《金屬材料抗拉試驗(yàn)方法》規(guī)定應(yīng)力速率為1.15～11.50 MPa/s，英國BS EN 10002-1∶2001《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫下的測試方法》和國際ISO 6892-1∶2016《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫測試方法》同我國GB/T 228.1—2010一樣均要求應(yīng)力速率為6～60 MPa/s。所以，綜合試驗(yàn)數(shù)據(jù)和各相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在保證試驗(yàn)效率的基礎(chǔ)上，采用GB/T 228.1—2010進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時，建議將應(yīng)力速率控制在10～25 MPa/s，并且在屈服點(diǎn)附近進(jìn)行速率轉(zhuǎn)換時平穩(wěn)進(jìn)行。

3 試樣夾持位置的影響

分別對K55、L80、P110鋼級無縫鋼管進(jìn)行不同夾持位置的拉伸試驗(yàn)。按照試驗(yàn)機(jī)軸線位置（對中布置），以對中位置起始向試驗(yàn)者移動20 mm（前移20 mm），以對中位置起始背向試驗(yàn)者移動20 mm（后移20 mm），以試樣中心為圓心、上部向試驗(yàn)者傾斜10°分別進(jìn)行夾持，不同夾持位置時無縫鋼管的屈服強(qiáng)度見表2。

表2 不同夾持位置時無縫鋼管的屈服強(qiáng)度

從表2看出，屈服強(qiáng)度Rp0.2受不同夾持位置的影響較大。這是由于不在對中位置夾持的試樣偏離了試驗(yàn)機(jī)軸線中心，除了受軸向拉應(yīng)力的作用外，還要受側(cè)向力和附加力矩的作用，使試樣受力狀態(tài)發(fā)生改變［9］。

前移或后移夾持的試樣，靠近試驗(yàn)機(jī)對中位置的一側(cè)領(lǐng)先于另一側(cè)產(chǎn)生較大變形，并且試驗(yàn)室采用的是單側(cè)變量引伸計，試樣測試面朝向試驗(yàn)者。當(dāng)試樣前移時，測試面遠(yuǎn)離試驗(yàn)機(jī)對中位置，此時測得的變形量滯后于試樣整體變形，當(dāng)測量值達(dá)到規(guī)定的應(yīng)變量時，試樣整體已超過規(guī)定變形量；因此，前移夾持時測得的屈服強(qiáng)度偏高。反之，后移時，測試面靠近試驗(yàn)機(jī)對中位置，測量值達(dá)到規(guī)定應(yīng)變量時，試樣整體還沒有達(dá)到；因此，后移夾持時測得的屈服強(qiáng)度偏低。傾斜夾持試樣時，試樣除受到拉載荷外還受到一個彎矩作用，使得測得的變形量領(lǐng)先于試樣整體變形，當(dāng)測得的變形量達(dá)到規(guī)定應(yīng)變量時，試樣整體還沒有達(dá)到；因此，傾斜夾持時測得的屈服強(qiáng)度偏低。

為減小不同夾持位置對屈服強(qiáng)度測量值帶來的影響，試驗(yàn)時應(yīng)盡量使試樣夾持在夾頭的中間軸線位置，且保持豎直狀態(tài)；另外，采用雙側(cè)變量引伸計可減小屈服強(qiáng)度測量的偏離值。

4 屈服強(qiáng)度指標(biāo)選擇的影響

4.1 屈服強(qiáng)度指標(biāo)的影響

常用的屈服強(qiáng)度指標(biāo)有上屈服強(qiáng)度ReH、下屈服強(qiáng)度ReL、規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度Rp0.2、規(guī)定總延伸強(qiáng)度Rt0.5等，這些指標(biāo)都可以作為衡量材料屈服強(qiáng)度的參數(shù)，但不同指標(biāo)的選擇所測出的屈服強(qiáng)度略有區(qū)別。測量不同屈服強(qiáng)度指標(biāo)繪制拉伸試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，不同鋼級無縫鋼管的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示，不同鋼級無縫鋼管的常用屈服強(qiáng)度數(shù)據(jù)見表3。

圖1 不同鋼級無縫鋼管的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表3 不同鋼級無縫鋼管的常用屈服強(qiáng)度數(shù)據(jù)MPa

由表3看出，屈服強(qiáng)度指標(biāo)的選取不同，屈服強(qiáng)度也不相同，偏差一般不超過5 MPa，這是因?yàn)楦髑笜?biāo)的測量方式不同。

（1）上屈服強(qiáng)度ReH是試樣發(fā)生屈服而應(yīng)力首次下降前的最大應(yīng)力。判斷ReH的根據(jù)是：ReH∧ReL。所以，在某些拉伸曲線中（如圖1a和圖1c～e所示），ReH是不存在的，這也是大部分產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)不要求測量ReH而以Rp0.2代替的原因。

（2）下屈服強(qiáng)度ReL是不計初始瞬時效應(yīng)時的最小應(yīng)力。ReL是一個穩(wěn)定屈服過程，再現(xiàn)性較好，一般情況下，選擇ReL作為衡量屈服強(qiáng)度的指標(biāo)。但在連續(xù)屈服現(xiàn)象的曲線中（圖1d～e所示），ReL是不存在的，可選取Rp0.2代替。

（3）規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度Rp0.2是規(guī)定塑性延伸率為0.2%時的應(yīng)力。這是針對應(yīng)力-應(yīng)變曲線中沒有明顯屈服平臺（ReH或ReL）而人為規(guī)定的一種計算方式。而應(yīng)力-應(yīng)變曲線彈性段起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)的選取會影響Rp0.2（表3中Q125鋼級），圖1（d）～（e）所示的 Rp0.2彈性段選取分別為 1/4～1/2、1/2～3/4處，測量值相差4 MPa，這是由于彈性段并非完全呈直線型上升，不同彈性段對應(yīng)的斜率不同，所以應(yīng)變?yōu)?.2%時的平行線與應(yīng)力-應(yīng)變曲線交點(diǎn)不同。根據(jù)王有欣［10］的研究，彈性段選取1/4～1/2處，可以獲得較準(zhǔn)確的Rp0.2。

（4）規(guī)定總延伸強(qiáng)度Rt0.5表示規(guī)定總延伸率為0.5%時的應(yīng)力。根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線（圖2）可推導(dǎo)出公式（1）的關(guān)系：

式中et——規(guī)定總延伸率，%；

E——彈性模量，GPa，鋼取值210 GPa。

圖2 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

以API Spec 5CT—2011《套管和油管規(guī)范》（第9版）中P110鋼級為例，屈服強(qiáng)度下限Rt為758 MPa，計算出et為0.560 9%，修約后取0.6%；再如Q125鋼級，屈服強(qiáng)度下限Rt為862 MPa，計算出et為0.610 5%，修約后取0.65%。而API Spec 5L—2012《管線鋼管規(guī)范》（第45版）中，鋼級高于X90時，通過公式（1）計算出的et大于0.5，所以API Spec 5L—2012規(guī)定鋼級不高于X90時，Rt0.5適用；鋼級高于X90時，Rp0.2適用。

4.2 屈服強(qiáng)度指標(biāo)的選取原則

為了使屈服強(qiáng)度指標(biāo)的選取更接近真實(shí)值，試驗(yàn)時，若產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)有要求，應(yīng)按照產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行屈服強(qiáng)度指標(biāo)的選取。若產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)無要求，建議根據(jù)公式（1）計算et：當(dāng)et∧0.55%時，一般美國標(biāo)準(zhǔn)按Rt0.5選取，我國標(biāo)準(zhǔn)按ReL或Rp0.2選??；當(dāng)et≥0.55%時，建議首先參照相同品種的同種強(qiáng)度級別的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，若無可參照產(chǎn)品，則按照公式（1）計算結(jié)果修約后的取值進(jìn)行選取。

5 結(jié) 論

（1）試驗(yàn)速率的增加對屈服強(qiáng)度有一定的提高作用。建議將應(yīng)力速率控制在10～25 MPa/s。

（2）試樣夾持位置對屈服強(qiáng)度測量值影響很大。建議試驗(yàn)中盡量保證試樣夾持在中間位置，且保持豎直狀態(tài)；另外，采用雙側(cè)變量引伸計可減小屈服強(qiáng)度測量時的偏離值。

（3）屈服強(qiáng)度指標(biāo)的選取對屈服強(qiáng)度測量值的影響偏差一般不超過5 MPa。建議首先應(yīng)按照產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行屈服強(qiáng)度指標(biāo)的選取，但若產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)無要求，用公式（1）計算et，再根據(jù)et進(jìn)行選取：et∧0.55%時，一般美國標(biāo)準(zhǔn)按Rt0.5選取，我國標(biāo)準(zhǔn)按ReL或Rp0.2選?。籩t≥0.55%時，首先參照相同品種的同種強(qiáng)度級別的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，若無可參照產(chǎn)品，則按照公式（1）計算結(jié)果修約后的取值進(jìn)行選取。