崔雷，彭暢，劉冬，杜麗影，李利巍，鄒航，岳江波

（1.武漢鋼鐵有限公司制造管理部，湖北 武漢 430080；2.寶鋼股份中央研究院武鋼有限技術(shù)中心，湖北 武漢 430080）

大多數(shù)金屬材料經(jīng)過預先加載產(chǎn)生少量塑性變形，而后若再同向加載，屈服強度升高，若反向加載，屈服強度降低，稱為包辛格效應(yīng)[1]。自1881年發(fā)現(xiàn)包辛格效應(yīng)后，發(fā)現(xiàn)包辛格效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力大小不僅與應(yīng)變大小有關(guān)，還與應(yīng)變的歷史有關(guān)。當前尚沒有一個通用的模型可以解釋不同應(yīng)變條件下的包辛格效應(yīng)，而主要采用模擬材料變形的方法進行研究。包辛格效應(yīng)模擬方法主要包括循環(huán)剪切試驗、循環(huán)彎曲試驗和單軸拉壓復合試驗，其中只有單軸拉壓復合試驗可以獲得變形過程的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，進而準確地研究材料的包辛格效應(yīng)[2-4]。

管線鋼在制管應(yīng)用過程中，會經(jīng)受拉伸、壓縮復雜變形，伴隨產(chǎn)生包辛格效應(yīng)。當前普遍采用板-管實物性能統(tǒng)計或?qū)嵨镄阅軝z測的方法研究管線鋼包辛格效應(yīng)。已有的研究表明，管線鋼包辛格效應(yīng)與化學成分、組織類型、鋼級強度、厚徑比等因素復雜相關(guān)[2,5-12]，并未形成明確統(tǒng)一的規(guī)律性結(jié)論。為掌握某公司管線鋼的具體包辛格效應(yīng)規(guī)律，從而對原料的設(shè)計強度和制管應(yīng)用進行指導，這里將采用單軸拉壓復合試驗對管線鋼的包辛格效應(yīng)進行模擬研究。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料為某公司熱連軋管生產(chǎn)線生產(chǎn)的17.5 mm厚X70卷板，該卷板采用了C-Mn-Nb的成分體系。X70試驗鋼的化學成分見表1。

表1 X70鋼的化學成分（質(zhì)量分數(shù)） %

1.2 試驗方法

X70鋼按照圖1所示加工成圓棒拉伸試樣，橫向取樣，平行部直徑10 mm。在拉伸試驗機上進行單軸拉壓復合試驗，引伸計標距為25 mm，各階段變形時間均為50 s。壓-拉加載模式下，試樣先分別壓縮變形至應(yīng)變εt=-0.66%，-0.80%，-0.99%，-1.28%，-1.60%，卸載后再次進行拉伸變形。拉-壓加載模式下，試樣先分別拉伸變形至應(yīng)變εt=0.66%，0.80%，0.99%，1.28%，1.60%，卸載后再次進行壓縮、拉伸變形。

圖1 模擬用試樣加工尺寸

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 壓-拉加載模式模擬

不同壓應(yīng)變時，壓-拉加載模式下X70鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形式相似，均包括壓縮變形段、卸載段和拉伸變形段，如圖2所示。壓縮變形段均包含彈性變形區(qū)，未觀測到明顯屈服平臺（圖3a）。拉伸變形段為圓弧頂形式，呈現(xiàn)顯著連續(xù)硬化特征（圖3b）。從平移應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以發(fā)現(xiàn)（圖3c），隨著壓應(yīng)變的不斷增加，相應(yīng)地拉伸變形段的屈服強度Rt0.5不斷減小，呈現(xiàn)線性負相關(guān)趨勢。

圖2 壓應(yīng)變?yōu)?0.66%時X70鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3 不同壓應(yīng)變時壓-拉加載模式下X70鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

通常高鋼級管線鋼拉伸曲線沒有屈服平臺，選取以εt=0.5%的強度作為其屈服強度。因此，一定程度上可以認為εt≤0.5%時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線對應(yīng)材料的彈性階段。以εt=0.1%為步長，分析εt在0～0.5%的彈性模量變化。壓-拉加載模式下拉伸變形段彈性模量變化趨勢如圖4所示。由圖4可知，材料的彈性模量在初期迅速降低，隨后呈現(xiàn)降低減緩趨勢。同時發(fā)現(xiàn)，隨著壓-拉加載模式中壓應(yīng)變的增加，材料在拉伸變形段的彈性模量呈現(xiàn)降低趨勢。

圖4 壓-拉加載模式下X70鋼拉伸變形段彈性模量變化趨勢（應(yīng)變≤0.5%）

將不同壓應(yīng)變條件下的壓縮變形段與拉伸變形段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線轉(zhuǎn)換至第一象限，如圖5所示。對比不同壓應(yīng)變條件下的壓縮變形段與拉伸變形段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線發(fā)現(xiàn)，各壓應(yīng)變條件下材料的拉伸曲線始終低于壓縮曲線，即拉伸強度始終小于壓縮強度。這表明，壓-拉加載模式下材料出現(xiàn)了永久軟化現(xiàn)象。對比εt=0.5%時壓縮變形段與拉伸變形段的屈服強度可知，壓-拉加載模式導致的包辛格效應(yīng)在100～150 MPa，且在壓應(yīng)變-1.28%時包辛格效應(yīng)達到最大飽和值。

圖5 壓-拉加載模式下X70鋼壓縮變形段與拉伸變形段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2 拉-壓加載模式模擬

拉應(yīng)變?yōu)?.66%的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示。不同拉應(yīng)變時拉-壓加載模式下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7所示。由圖6可知，不同拉應(yīng)變時，拉-壓加載模式下X70鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形式相似，均包括拉伸變形段、卸載段和壓縮變形段。拉伸變形段均包含彈性變形區(qū)，未觀測到明顯屈服平臺（圖7a）；卸載段發(fā)生彈性回復，應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系；壓縮變形段為圓弧頂形式，呈現(xiàn)顯著連續(xù)硬化特征（圖7b）。從平移應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以發(fā)現(xiàn)（圖7c），隨著拉應(yīng)變的不斷增加，相應(yīng)地壓縮變形段的屈服強度Rt0.5呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢。

圖6 拉應(yīng)變?yōu)?.66% X70鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖7 不同拉應(yīng)變時拉-壓加載模式下X70鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

與2.1中方法相似，以εt=-0.1%為步長，分析εt在-0.5%～0范圍的彈性模量變化。拉-壓加載模式下壓縮變形段彈性模量變化趨勢如圖8所示。由圖8可知，隨著拉-壓加載模式中拉壓應(yīng)變的增加，材料在壓縮變形段的彈性模量呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。同時發(fā)現(xiàn)，材料的彈性模量隨著應(yīng)變的增加不斷降低，但減小趨勢在逐漸變?nèi)酢?/p>

圖8 拉-壓加載模式下X70鋼壓縮變形段彈性模量變化趨勢（應(yīng)變≥-0.5%）

將不同預應(yīng)變條件下的拉伸變形段與壓縮變形段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線轉(zhuǎn)換至第一象限，如圖9所示。對比發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)變量較小情況下，壓縮強度小于拉伸強度，但是隨著應(yīng)變量的增加，壓縮強度逐漸達到并超過拉伸強度。這表明，拉-壓加載模式下材料在較小應(yīng)變時僅出現(xiàn)瞬態(tài)軟化現(xiàn)象。對比εt=0.5%時壓縮變形段與拉伸變形段的屈服強度可知，拉-壓加載模式導致的包辛格效應(yīng)在30～115 MPa，且在拉應(yīng)變1.28%時包辛格效應(yīng)達到最大飽和值?？梢?，拉-壓加載模式下的包辛格效應(yīng)明顯小于壓-拉加載模式。

圖9 拉-壓加載模式下X70鋼壓縮變形段與拉伸變形段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3 結(jié)語

（1）壓-拉加載模式和拉-壓加載模式下材料均發(fā)生包辛格效應(yīng)，且壓-拉模式時的包辛格效應(yīng)更大（管線鋼由制管至成品的全流程中變形經(jīng)歷復雜，可能綜合承受多種加載模式；這里僅針對了X70管線鋼成型過程中可能出現(xiàn)的“反向加載”規(guī)律性研究，是管線鋼制管過程承受的綜合加載模式中的基本變形規(guī)律，尚未考慮到成型+擴徑或水壓的復雜情況，但已納入到后期的研究計劃中）。

（2）壓-拉加載模式下，隨著壓應(yīng)變的不斷增加，相應(yīng)地拉伸變形段的屈服強度Rt0.5不斷減小，呈現(xiàn)永久軟化特征。

（3）拉-壓加載模式下，隨著拉應(yīng)變的不斷增加，相應(yīng)地壓縮變形段的屈服強度Rt0.5先減小后增加，呈現(xiàn)瞬態(tài)軟化特征。