拉伸速率对X80M 管线钢拉伸性能的影响

梁明华 魏 娜 李 亮 何小东

(1.中国石油集团石油管工程技术研究院，石油管工程重点实验室 陕西 西安 710077;2.西安石油大学 陕西 西安 710065)

0 引 言

屈服强度和抗拉强度是衡量管线钢力学性能的重要指标，其在试验过程中受到试验速率的影响［1］。试验速率是影响金属材料拉伸性能的重要因素，在国内外金属材料拉伸试验标准中均对试验速率做了明确的规定，如GB/T 228.1［2］、ASTM A370［3］及ASTM E8/E8M［4］等。试验速率对金属材料拉伸性能测试结果的影响程度与材料有关，影响程度随试验材料的不同而不同。实验室进行检测过程中，有必要针对X80 管线钢这一当前大规模应用的材料进行不同拉伸速率的试验测试，以验证不同拉伸速率对材料拉伸性能的影响及影响程度。本文以某厂生产的X80 管线钢为试验材料，在不同拉伸速率条件下测试了材料的拉伸性能，通过对比，研究不同拉伸速率对该材料拉伸性能试验结果的影响。

1 试验材料和试验过程

试验用试样从国内某厂生产的X80M 直缝埋弧焊管上截取，所用材料的成分见表1、金相组织见图1。

表1 试验材料化学成分 %

图1 试验材料壁厚中心组织

拉伸试样取样位置为距焊缝180°管体横向，试样规格为平行段直径12.7 mm、平行段长度65 mm 的棒状试样，标距为50 mm。用于加工试样的样坯从同一根钢管上互相邻近的位置截取，并按顺序编号，按顺序采用不同大小的试验速率(横梁位移速率)进行拉伸试验，每个拉伸速率下采用3 个平行试样。拉伸试验在UTM5305万能材料试验机上进行。

2 试验结果与讨论

2.1 试验速率的选取

在GB/T 228.1 -2010 中，给出3 种推荐的试样应变速率:

1)0.000 25s-1，相对误差±20%;

2)0.002 5s-1，相对误差±20%;

3)0.006 7s-1，相对误差±20%。

其中材料的规定总延伸强度(Rt0.5)可选取速率1，抗拉强度(Rm)可选取速率1，速率2 及速率3。为验证速率对屈服强度和抗拉强度的影响，分别选用推荐的三种速率进行试验。

试样拉伸速率由试验机横梁位移速率控制。在GB/T 228.1 -2010 的10.3.1 中指出，如果材料显示出均匀变形能力，试样应变速率èLc和根据平行长度估计的应变速率èLc大致相等，可用下式估算横梁位移速率。

式中，èLc为平行长度估计的应变速率，s-1;Lc为试样平行段长度，mm;Vc为横梁位移速率，mm/s。

标准推荐的三种速率根据(1)式计算得到的横梁位移速率分别为:0. 975 mm/min、9. 75 mm/min 和20. 1 mm/min。

公式(1)是在没有考虑实验装置(机架、力传感器、夹具等)弹性变形的情况下得到的。实际试验过程中，横梁位移速率只有一部分转移到试样上，总变形分为实验装置的弹性变形和试样的变形。GB/T 228.1 -2010附录F 中给出了在考虑试验装置的弹性变形后，试样上产生的应变速率èm的公式如下式:

式中，CM为试验装置的刚度，mm/N;èm为试样上产生的应变速率，s-1;m 为给定时刻应力-延伸曲线的斜率(如Rt0.5附近点)，MPa;S0为原始横截面积，mm2;

试样上产生应变速率èm所需近似衡量位移速率可以根据下式得到:

为保证试验的精度，根据GB/T 228.1 -2010 附录F规定，计算试验需要设定的横梁位移速率。首先取一根预备试样在横梁位移速率5 mm/min 的拉伸速率下进行拉伸试验，通过引伸计记录试样的应变速率，确定公式(3)中的各项参数值。根据公式(2)和公式(3)，可得三种标准推荐试样应变速率下的横梁位移速率分别近似为:1.319 mm/min、13.186 mm/min、35.338 mm/min。

将是否考虑实验装置弹性变形的横梁位移速率进行比较，可以发现考虑实验装置弹性变形得到的横梁位移速率大于未考虑衡量位移情况下的值，其误差达到26.1%，大于我国标准对试验速率相对误差(±20%)的要求。这也说明对于X80 管线钢这种材料，在实验前估算试验速率(即横梁位移速率)时要考虑实验装置弹性变形的影响，否则开展试验的试验速率不能满足标准的要求。

2.2 X80M 管线钢拉伸曲线的特征

按照GB/T 228.1 -2010 附录F 计算试验需要设定的横梁位移速率时，选取了一根预备试样。该试样拉伸全程在横梁位移速率为5 mm/min 的拉伸速率下进行试验，试验拉伸曲线如图2 所示。试验过程中的横梁位移及横梁速率与时间的关系在图3 中给出。从图3 可以看出横梁位移随时间均匀增加，横梁位移-时间数据点呈直线分布。通过将横梁位移对时间求导数，即得到横梁速率-时间曲线，从曲线可以看出除试验刚开始较短时间的不稳定状态(前4 个数据点)外横梁位移速率保持在5 mm/min，与试验设定值一致。

图2 载荷-引伸计变形曲线图

图3 横梁位移/横梁速率-时间曲线图

为确定试样的实际应变速率，在图4 中给出了引伸计变形、应变速率与时间的关系曲线。从图4 可以看出引伸计变形随时间在增加，但引伸计-时间数据点却并不像横梁位移呈直线分布，其在屈服点(Ft0.5)附近有一个明显的斜率变化。将引伸计的应变(引伸计伸长除以引伸计标距)对时间求导数，即得到应变速率与时间的关系。可以看出，虽然整个试验过程中横梁位移速率始终恒定在5 mm/min(图3)，但引伸计标距内的试样应变速率并不保持恒定。试验开始后，试样应变速率从0 迅速上升到一定值(0.000 228s-1)后在弹性段逐渐下降，在弹性段末期接近屈服点(Ft0.5)时会迅速上升，试验中取的屈服点Ft0.5恰好在应变速率迅速上升的阶段(应变速率为0.000 948s-1)，在试样过了屈服点后到达一定阶段后又开始缓慢上升。

图4 引伸计变形/应变速率-时间曲线图

2.3 不同拉伸速率下的拉伸性能

在推荐的三种拉伸速率下分别进行试验，每个速率选用三根平行试样，试验结果见表2。

从表2 可以看出，三种拉伸速率下获得的材料屈服强度和抗拉强度并不一致，将三个平行试样的强度取平均值。在推荐拉伸速率1(应变速率0.000 25s-1)下得到的屈服强度和抗拉轻度分别为624 MPa、709 MPa;在推荐拉伸速率2(应变速率0.002 5 s-1)下得到的屈服强度和抗拉轻度分别为632 MPa、716 MPa;在推荐拉伸速率3(应变速率0.006 7 s-1)下得到的屈服强度和抗拉轻度分别为635 MPa、720 MPa。可见，随着试验速率的提高，屈服强度和抗拉强度都有所提高。特别是抗拉强度的测量，三种试验速率均为GB/T228.1 -2010 中认可的试验速率，结果却并不相同，测得的抗拉强度与试验速率有关，试验速率越高测得的抗拉强度也越高。

表2 不同拉伸速率下X80M 材料的屈服强度与抗拉强度

对于产生这一现象的原因，一般认为，拉伸试验进入屈服阶段后材料开始塑性变形。金属材料的屈服点是弹性变形过渡到塑性变形的转折点。目前已知，弹性变形以声速进行，因此加载速度对它无影响［5］。塑性变形主要以滑移方式进行，而晶体滑移是通过位错运动来实现的。位错运动过程中，点阵摩擦阻力、原子间交互作用如P-N 力等，使得位错具有黏滞性［6］。随着加载速率增加，塑性变形所需的时间不够，即材料对滑移的抗力提高，宏观上就表现出屈服强度增高。

因此在测量X80M 材料的屈服强度和抗拉强度时应严格按照标准要求的速率进行，并注明采用的试验速率。

3 结 论

1)对于X80 管线钢这种材料，在实验前估算横梁位移速率时要考虑实验装置弹性变形的影响，否则开展试验的试验速率将不能满足标准的要求。

2)横梁位移速率保持恒定，试样应变速率并不保持恒定。在屈服点(Ft0.5)附近会产生应变速率迅速上升，试验中取的屈服点Ft0.5恰好在应变速率迅速上升的阶段。

3)屈服强度和抗拉强度都随着试验速率的提高而升高，测量X80M 材料的屈服强度和抗拉强度时应严格按照标准要求的速率进行，并注明采用的试验速率。

［1］董 强，宰绍峰，孙建林，等. GB/T 228.1 -2010 中的拉伸试验速率及其控制［J］. 理化检验- 物理分册，2011，47

(12):774 -781.

［2］中国国家标准化管理委员会.GB/T 228.1 -2010. 金属材料室温拉伸试验方法［S］.北京:中国标准出版社，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］陈 军，刘 攀，蓝秀琼，等. 试验速率对连续屈服材料拉伸性能的影响［J］. 四川兵工学报，2014，35(12):126-129.

［6］柳永宁，朱金华，周惠久. 普通低碳钢的强度与温度、应变速率的关系［J］. 材料科学进展，1990，4(4):285 -290.