劉玉江，王莎莎，賈 涵，靳云露，李靜宜

（天津商業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300134）

高強(qiáng)度低合金管線鋼中添加的合金元素會(huì)引起成分微觀偏析，進(jìn)而導(dǎo)致帶狀組織的出現(xiàn)［1-2］。作為一種常見缺陷組織，帶狀組織會(huì)嚴(yán)重影響鋼的力學(xué)性能。例如，帶狀組織會(huì)引起鋼的各向異性，降低鋼的強(qiáng)度等［3-4］。近年來，許多研究工作關(guān)注于帶狀組織的形態(tài)與鋼的力學(xué)行為之間的關(guān)系［5-7］，其引起的鋼的各向異性已經(jīng)通過帶狀組織的微觀變形得到了很好的解釋。由于原油需要在高溫高壓下運(yùn)輸，并且管道鋼的埋地環(huán)境復(fù)雜，管道鋼的熱變形是不可避免［8-9］。但是目前少有文獻(xiàn)關(guān)注帶狀組織對(duì)管線鋼熱變形的影響。熱膨脹系數(shù)（Coefficient of Thermal Expansion，CTE）是表征材料熱變形的重要參數(shù)，可以使用多種方法測(cè)量，例如膨脹計(jì)測(cè)試、應(yīng)變儀、干涉測(cè)量方法，數(shù)字圖像相關(guān)（Digital Image Correlation，DIC）技術(shù)等［10-12］。膨脹計(jì)測(cè)試和應(yīng)變儀方法無法測(cè)量全場(chǎng)變形，這很難解釋材料熱變形的各向異性。干涉測(cè)量法的試驗(yàn)過程通常很復(fù)雜，并且測(cè)量精度與條紋密切相關(guān)。數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)具有許多優(yōu)勢(shì)，如高靈敏度，試驗(yàn)系統(tǒng)易搭建和多尺度測(cè)量［13-15］，近年來已逐漸成為測(cè)量材料的熱膨脹系數(shù)和熱變形的重要方法。然而，少有相關(guān)工作利用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)研究高強(qiáng)管線鋼熱變形，更沒有相關(guān)文獻(xiàn)利用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的多尺度測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)測(cè)得微觀熱變形場(chǎng)來探究熱膨脹系數(shù)的各向異性。

本文利用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)來探究含鐵素體/珠光體帶狀組織對(duì)管線鋼熱變形的影響。首先，搭建顯微鏡和冷熱臺(tái)相結(jié)合的微觀熱變形測(cè)試系統(tǒng)；然后利用低倍物鏡進(jìn)行熱變形圖像采集，并利用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)測(cè)得位移場(chǎng)，從而計(jì)算X80管線鋼在軋制方向和橫向上的熱膨脹系數(shù)；最后，采用高倍物鏡進(jìn)行熱變形圖像采集，利用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)分析試樣表面微觀變形場(chǎng)。

1 熱膨脹系數(shù)測(cè)量試驗(yàn)

1.1 材料和試樣

試驗(yàn)材料為X80管線鋼，其主要組織類型為針狀鐵素體。本文主要探討帶狀組織對(duì)高強(qiáng)度低合金管線鋼熱變形的影響，所以，通過進(jìn)一步熱處理使X80鋼級(jí)管線鋼具有帶狀組織。熱處理方法為：將鋼在1 000℃下奧氏體化40 min，然后爐冷至室溫。通過線切割的方式從熱處理的管線鋼上切割3 mm×3 mm×0.8 mm的試樣；試樣使用金相砂紙打磨和機(jī)械拋光處理；然后用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕試樣表面獲得帶狀組織，用光學(xué)顯微鏡觀察帶狀組織形貌。試樣的金相組織如圖1所示。顯然，熱處理后的鋼中發(fā)現(xiàn)淺色的鐵素體和深色的珠光體，兩者交替分布的帶狀組織十分明顯。數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)通常需要在試樣表面制備散斑，但是人工散斑會(huì)覆蓋帶狀組織，難以使帶狀組織形貌與變形對(duì)應(yīng)起來。因此，此次工作將帶狀組織自然紋理作為散斑標(biāo)記，并未噴涂人工散斑。

圖1 X80管線鋼試樣熱處理后的金相組織

1.2 試驗(yàn)工作

搭建顯微鏡和冷熱臺(tái)相結(jié)合的微觀熱變形測(cè)試系統(tǒng)，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。利用英國(guó)林克曼科學(xué)儀器公司Linkam TST 350冷熱臺(tái)控制試驗(yàn)溫度進(jìn)行熱膨脹系數(shù)測(cè)量。將樣品放置在沒有任何約束的載物臺(tái)上，通過向載物臺(tái)內(nèi)輸入氮?dú)饪刂茦悠窚囟?，使樣品隨溫度變化發(fā)生自由變形。載物臺(tái)上方的顯微鏡可用于獲取帶狀組織圖像?？紤]到輸油管道的工作條件，試驗(yàn)溫度為0～100℃［2］，升溫速率為5℃/min。每升高5℃，溫度保持2 min，使樣品發(fā)生充分的熱變形。通過Olympus STM6光學(xué)顯微鏡在溫度保持下捕獲帶狀組織圖像，圖像尺寸為2 080×1 544像素。選擇4倍物鏡捕獲圖像來測(cè)量熱膨脹系數(shù)，選擇20倍物鏡捕獲圖像來觀察帶狀組織的微觀變形。

圖2 微觀熱變形測(cè)試試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)樣品是圖1所示的具有不同金相組織的兩個(gè)試樣。每個(gè)樣品的圖像使用Vic-2D軟件執(zhí)行數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)程序。數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)程序的主要參數(shù)設(shè)置如下：以0℃圖像為參考圖像。所選子區(qū)尺寸為41×41像素；計(jì)算步長(zhǎng)為2像素；應(yīng)變計(jì)算窗口的大小為11×11像素。利用測(cè)得的應(yīng)變計(jì)算熱膨脹系數(shù)。天然斑點(diǎn)圖案的質(zhì)量可能會(huì)導(dǎo)致某些像素點(diǎn)的測(cè)量應(yīng)變具有較大誤差。因此，計(jì)算熱膨脹系數(shù)并未使用感興趣區(qū)域（region of interest，ROI）中所測(cè)應(yīng)變的平均值。而是使用軋制方向和橫向長(zhǎng)度為871像素（1.50 mm）的436個(gè)虛擬引伸計(jì)的平均應(yīng)變來計(jì)算不同方向的熱膨脹系數(shù)。通常，在此工作溫度范圍，鋼的熱膨脹系數(shù)隨溫度變化很小?？梢酝ㄟ^以下形式的線性函數(shù)來擬合溫度和應(yīng)變之間的關(guān)系：

式中T——溫度，℃；

A1，B1——橫向方向上通過最小二乘法擬合計(jì)算的系數(shù)；

A2，B2——軋制方向上通過最小二乘法擬合計(jì)算的系數(shù)；

通過推導(dǎo)公式（1），可以利用溫度函數(shù)計(jì)算熱膨脹系數(shù)，推導(dǎo)結(jié)果如下。

αx，αy分別為橫向和軋制方向的熱膨脹系數(shù)。

冷熱臺(tái)工作中的溫度分辨率為0.01℃，所施加溫度的精度和數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的應(yīng)變測(cè)量精度決定熱膨脹系數(shù)的精度。由于數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)已廣泛用于熱膨脹系數(shù)測(cè)量，因此數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)在這項(xiàng)工作中的可靠性不用重復(fù)驗(yàn)證［16-18］。

1.3 結(jié)果與討論

首先討論測(cè)得的熱變形場(chǎng)分布。帶狀組織試樣的圖像和相對(duì)變形場(chǎng)如圖3所示。在參考圖像的中心選擇大小為871×871像素（1.50 mm×1.50 mm）的感興趣區(qū)域。圖3（b）所示的T=70℃圖像與T=0℃的圖像形成對(duì)比，分析帶狀組織熱變形場(chǎng)的分布。圖3（c）所示為去除剛體運(yùn)動(dòng)后測(cè)得的感興趣區(qū)域的合成位移場(chǎng)。帶狀組織的熱膨脹是明顯的，但所產(chǎn)生的位移場(chǎng)并不平滑，這表明熱膨脹是不均勻的。圖3（d）所示的εx場(chǎng)為橫向的應(yīng)變，εx場(chǎng)分布呈帶狀結(jié)構(gòu)。與試樣帶狀組織的分布形態(tài)類似。由于圖像中每個(gè)條帶的寬度較小，因此在該放大倍率下難以明確εx場(chǎng)的分布與帶狀組織之間的關(guān)系。圖3（e）所示的εy場(chǎng)為軋制方向的應(yīng)變。雖然εy場(chǎng)的分布也呈不均勻狀態(tài)，但其與試樣的帶狀組織沒有明顯的關(guān)系。

圖3 4倍物鏡下帶狀組織的圖像及相對(duì)變形場(chǎng)

根據(jù)1.2節(jié)所述，在軋制方向和橫向的感興趣區(qū)域中都選擇了436個(gè)虛擬引伸計(jì)，其長(zhǎng)度為871像素，間隔為1個(gè)像素。通過虛擬引伸計(jì)的平均應(yīng)變來計(jì)算和和-T的線性擬合曲線如圖4所示，擬合方程為=39.51+12.42T，=1.66+11.86T。根據(jù)公式（1）~（2）計(jì)算得出：橫向熱膨脹系數(shù)為12.42×10-6/℃，軋制方向的熱膨脹系數(shù)為11.86×10-6/℃。兩者相比較橫向的熱膨脹系數(shù)略大于軋制方向的熱膨脹系數(shù)。這種現(xiàn)象可能是由于不同條帶之間的熱變形不一致引起的。操龍飛等［19］通過使用德國(guó)DIL402C熱膨脹儀測(cè)量低碳合金鋼不同溫度下橫向和軋制方向的熱膨脹系數(shù)，得出不同方向的熱膨脹系數(shù)各項(xiàng)同性。說明通過數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)方法測(cè)量低碳合金鋼的熱膨脹系數(shù)也是準(zhǔn)確的，但是低碳合金鋼內(nèi)部微觀組織形態(tài)受溫度變化影響，變形是不一致的。

圖4 -T和-T的線性擬合曲線

2 微觀變形測(cè)量試驗(yàn)

用在1.2節(jié)所使用的同一試樣進(jìn)行微觀變形測(cè)量試驗(yàn)。試驗(yàn)步驟除了將物鏡改為20倍之外，試驗(yàn)過程與熱膨脹系數(shù)測(cè)量試驗(yàn)相同。數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的主要參數(shù)也和熱膨脹系數(shù)測(cè)量試驗(yàn)相同。測(cè)量結(jié)果如圖5所示。

圖5 20倍物鏡下樣品的圖像和相對(duì)變形場(chǎng)

帶狀組織試樣的圖像和相對(duì)變形場(chǎng)如圖5所示。圖5（a）所示為基準(zhǔn)圖像（T＝0℃）。在參考圖像的中心選擇大小為1 803×1 262像素（6.26 mm×4.38 mm）的感興趣區(qū)域。圖5（b）所示為T=70℃變形圖像，并與T=0℃的圖像形成對(duì)比，分析帶狀組織熱變形場(chǎng)的分布。圖5（c）所示為去除剛體運(yùn)動(dòng)后測(cè)得的感興趣區(qū)域的合成位移場(chǎng)。中心區(qū)域變形小，周圍區(qū)域熱變形較大。圖5（d）中εx的分布為樣品的帶狀組織的帶狀形態(tài)分布。在20倍倍率下，能明顯看清鐵素體帶和珠光體帶都發(fā)生了熱變形，珠光體帶存在應(yīng)變集中，說明帶狀組織能夠影響微觀熱變形的分布。圖5（e）所示的鐵素體帶和珠光體帶也發(fā)生了明顯變形，但其與試樣的帶狀組織沒有明顯的關(guān)系。

3 結(jié) 語

在0~100℃利用低倍光學(xué)顯微鏡觀察X80鋼級(jí)管線鋼的帶狀組織，應(yīng)用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)計(jì)算軋制方向和橫向的熱膨脹系數(shù)，發(fā)現(xiàn)橫向的熱膨脹系數(shù)略大于軋制方向的熱膨脹系數(shù)。在高倍光學(xué)顯微鏡下觀察帶狀組織的微觀熱變形，發(fā)現(xiàn)鐵素體帶和珠光體帶都發(fā)生了熱變形，相比于鐵素體帶變形，珠光體帶變形明顯存在應(yīng)變集中，說明帶狀組織能夠影響微觀熱變形的分布，但是對(duì)高強(qiáng)度低合金管線鋼的熱膨脹系數(shù)影響很小。