410 mpa级钢制无缝压力管高温拉伸测试结果异常原因分析

ＤＯＩ：１０．１１９７３／ｌｈｊｙ
－ｗｌ２０１９１２００５　４
１０ＭＰａ级钢制无缝压力管高温拉伸测试结果异常原因分析
张先锋，杜卓同，徐魁龙，蔡海琛
（中国船舶重工集团公司第七二五研究所，洛阳４７１０２３
）摘　要：４１０ＭＰａ级钢制无缝压力管在高温拉伸测试中出现了结果异常现象，具体表现为随着试验温度的升高，材料的屈服强度先升高后下降，与此同时，材料的抗拉强度随试验温度的变化也表现出相似的变化规律，且两者分别在１５０，２００℃时达到最大。

通过多种检验手段对无缝压力管的微观组织变化进行了研究，发现所述试验现象是试验温度与晶粒尺寸综合作用的结果。

关键词：４１０ＭＰａ级钢；无缝压力管；晶粒尺寸；试验温度；高温拉伸性能
中图分类号：ＴＧ１４２．１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００１－４０１２（２０１９）１２－０８４１－
０４收稿日期：２０１９－０３－
０５作者简介：张先锋（１９８８－），男，工程师，硕士，主要从事材料力学性能测试技术研究工作，ｚｈａｎｇｘｉａｎｆｅｎｇ
０８１１＠１６３．ｃｏｍＣａｕｓａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　Ａｂｎｏｒｍａｌｉｔｙ　
Ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　Ｈｉｇｈ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｔｅｎｓｉｌｅ　Ｔｅｓｔｆｏｒ　Ｓｅａｍｌｅｓｓ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｔｕｂｅ　Ｍａｄｅ　ｏｆ　４１０ＭＰａ　Ｇｒａｄｅ　
ＳｔｅｅｌＺＨＡＮＧ　Ｘｉａｎｆｅｎｇ，ＤＵ　Ｚｈｕｏｔｏｎｇ，ＸＵ　Ｋｕｉｌｏｎｇ
，ＣＡＩ　Ｈａｉｃｈｅｎ（Ｌｕｏｙａｎｇ　Ｓｈｉｐ　Ｍａｔｅｒｉａｌ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｌｕｏｙａｎｇ　
４７１０２３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ａｂｎｏｒｍａｌ　ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｔｅｎｓｉｌｅ　ｔｅｓｔ　ｏｆ　ｓｅａｍｌｅｓｓ　ｐ
ｒｅｓｓｕｒｅ　ｔｕｂｅ　ｍａｄｅ　ｏｆ４１０ＭＰａ　ｇｒａｄｅ　ｓｔｅｅｌ　ｉｓ　ｓｈｏｗｎ　ａｓ　ｆｏｌｌｏｗｓ：ｔｈｅ　ｙｉｅｌｄ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ　ｆｉｒｓｔ　ａｎｄ　ｔｈｅｎｄｅｃｒｅａｓｅｓ，ａｓ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ．Ａｔ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｔｉｍｅ，ｔｈｅ　ｔｅｎｓｉｌｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｖａｌｕｅｓ　ｓｈｏｗ　ｓｉｍｉｌａｒａｂｎｏｒｍａｌｉｔｉｅｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｏｆ　ｔｅｓｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｗｈａｔ′ｓ　ｍｏｒｅ，ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｉｓ　ａｔ　１５０，２００℃，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｃｈａｎｇｅｓ　ｏｆ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｆｏｒ　ｓｅａｍｌｅｓｓ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｔｕｂｅ　ｗｅｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｂｙ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｍｅａｎｓ．Ｉｔ　ｗａｓ　ｆｏｕｎｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｐｈｅｎｏｍｅｎａ　ｗｅｒｅ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｔｅｓｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｇ
ｒａｉｎ　ｓｉｚｅ．Ｋｅｙ
ｗｏｒｄｓ：４１０ＭＰａ　ｇｒａｄｅ　ｓｔｅｅｌ；ｓｅａｍｌｅｓｓ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｔｕｂｅ；ｇｒａｉｎ　ｓｉｚｅ；ｔｅｓｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｈｉｇｈ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｔｅｎｓｉｌｅ　ｐｒｏｐ
ｅｒｔｉｅｓ 制造锅炉、
压力容器与压力管道等所用的４１０ＭＰａ级钢常需在高温条件下工作，因此对其进行高温力学性能测试是必不可少的。

４１０ＭＰａ级钢属于经镇静脱氧处理的碳锰钢，与其他碳锰钢类似，通常情况下，在室温至５００℃的温度范围内，除了蓝脆区，随着试验温度的升高，其原子扩散能力增大，空位数量增多，晶界滑移系改变或增加，材料易
于发生塑性变形，表现为强度降低、塑性升高［
１－
２］。

然而，笔者某次在对４１０ＭＰａ级钢制无缝压力管的高温拉伸性能进行测试时发现，随着试验温度的升高，该钢管的屈服强度与抗拉强度均出现了先
升高后降低的异常现象。

经过核实，试验取样与加工、试样尺寸测量、试验温度设定、试验过程等都不存在问题。

针对该现象，笔者利用多种检验手段对无缝压力管的显微组织进行了观察，对此异常规律产生的原因进行了分析探究。

１　试验方法
试验用材料为４１０ＭＰａ级钢制无缝压力管，规格为 ４８ｍｍ×７ｍｍ，将一根整管锯断成若干段，沿管子纵向剖成两半，按照ＧＢ／Ｔ　２２８．２－２０１５《金属材料拉抻试验第２部分：高温试验方法》加工成弧形试
样，试样形状见图１。

试验设置５０，１００，１５０，２００，２５０，３００，３５０，４００，４５０℃共９个温度，各随机挑选一个试样进行试验。

试验具体操作步骤为：先将试样与工装
相连放入高温炉中进行升温，达到设定的试验温度并保温１５ｍｉｎ后开始进行拉伸试验。

在达到屈服点之
前，拉伸速率设定为０．５ｍｍ·ｍｉｎ－１，试样屈服之后，试验速率设定为２ｍｍ·ｍｉｎ
－１，整个试验过程在ＩＮＳＴＲＯＮ　
５５８７型试验机上进行。

图１　高温拉伸弧形试样
Ｆｉｇ．１　Ｓａｍｐｌｅ　ｕｓｉｎｇ　
ｆｏｒ　ｈｉｇｈ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｔｅｎｓｉｌｅ　ｔｅｓｔ试样断口观测采用ＪＳＭ－３５Ｃ型扫描电子显微镜；金相检验采用ＯＬＹＭＰＵＳ光学显微镜，
取样部位为试样夹持端未变形区域；微观组织分析采用ＣＭ２００型透射电子显微镜，取样位置紧靠断口的缩颈部位。

２　试验结果
２．１　拉伸试验结果
不同试验温度条件下４１０ＭＰａ级钢制无缝压力管的高温拉伸试验结果见图２。

可以看出其屈服强度随着试验温度的升高表现出先略微增加后逐渐
下降的趋势，在１５０℃时达到最大值；抗拉强度随试验温度的变化规律与屈服强度的相似，在２００℃时达到最大值，且在２００℃之前，随试验温度的升高，抗拉强度显著增大；而材料的断后伸长率则随着试验温度的升高而持续增加，仅在２００℃时出现了陡降，分析认为此处对应材料的蓝脆区。

图２　无缝压力管的拉伸性能－温度曲线Ｆｉｇ．２　Ｔｅｎｓｉｌｅ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ－ｔｅｍｐ
ｅｒａｔｕｒｅ　ｃｕｒｖｅｓ　ｏｆｓｅａｍｌｅｓｓ　ｐ
ｒｅｓｓｕｒｅ　ｔｕｂｅ２．２　断口形貌
图３为试样的拉伸断口形貌，可以看出在５０，１５０，２５０，３５０℃时，
断口具有较多小且深的韧窝，表现出明显的塑性特征，而２００℃试样的大韧窝所占比例较大，且部分韧窝扁平，相比较于前者，塑性特征有所下降。

对于４５０℃试样，
其断口虽然与２００℃试样的特征相似，但从图２可以看出，在此温度下，材料的塑性很好，没有出现脆化现象。

图３　不同试验温度下无缝压力管拉伸试样的断口ＳＥＭ形貌
Ｆｉｇ．３　ＳＥＭ　ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ　
ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｒａｃｔｕｒｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｏｆ　ｓｅａｍｌｅｓｓ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｔｕｂｅ　ｔｅｎｓｉｌｅ　ｓａｍｐｌｅｓ　ａｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｔｅｓｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ
２．３　显微组织
对不同试验温度条件下的试样进行金相检验，如图４所示，试样的显微组织为铁素体＋珠光体。

试样的晶粒度级别评定结果见图５，可以看出不同
温度条件下所用拉伸试样的晶粒度有较大差别，说明４１０ＭＰａ级钢制无缝压力管的微观组织本身就存在着不均匀性，这可能是钢管在拉拔的过程中变形不均匀所致。

图４　不同试验温度下无缝压力管拉伸试样的显微组织
Ｆｉｇ．４　Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｓｅａｍｌｅｓｓ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｔｕｂｅ　ｔｅｎｓｉｌｅ　ｓａｍｐｌｅｓ　ａｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｔｅｓｔ　ｔｅｍｐ
ｅｒａｔｕｒｅ
ｓ图５　不同试验温度下无缝压力管拉伸试样的晶粒度级别Ｆｉｇ．５　Ｔｈｅ　ｇｒａｉｎ　ｓｉｚｅ　ｏｆ　ｓｅａｍｌｅｓｓ　ｐ
ｒｅｓｓｕｒｅ　ｔｕｂｅ　ｔｅｎｓｉｌｅｓａｐｍｌｅｓ　ａｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｔｅｓｔ　ｔｅｍｐ
ｅｒａｔｕｒｅｓ 图６为透射电镜下试样的显微组织形貌，
可以看出，试样的显微组织为铁素体＋层片状的珠光体，珠光体层片间距无明显差异。

３　分析与讨论
理论上，从５０～１５０℃，
材料强度值随温度升高应该呈现下降的趋势，但上述试验结果恰好相反，结合图５中试样晶粒度的差异，笔者认为这是试验温度与晶粒尺寸综合作用的结果。

一方面，随着温度的升高，原子扩散能力增大，晶体中空位数量增多，晶界滑移系增加，材料的强度降低，塑性提高；另一方面，从５０～１５０℃，
高温拉伸试验所选用试样的晶粒尺寸依次减小（对应晶粒度级别增加），晶粒呈现细化的趋势。

随着晶粒尺寸的减小，晶界增多，晶界前塞积的位错数减少，应力集中现象降低；同时，晶界增多使得裂纹扩展所遇阻力增大，并且晶界总面积增加，晶界上杂质所占比例大大降低，减少了产生脆性断裂的几率，从而达到增强、增韧的效果。

图６　不同试验温度下无缝压力管拉伸试样的ＴＥＭ形貌
Ｆｉｇ．６　ＴＥＭ　ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｓｅａｍｌｅｓｓ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｔｕｂｅ　ｔｅｎｓｉｌｅ　ｓａｍｐｌｅｓ　ａｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｔｅｓｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ
综上所述，由于晶粒细化对材料的增强作用大于温度升高的软化作用，在５０～１５０℃，随温度升高，材料的屈服强度与抗拉强度出现了升高的异常现象；而温度升高与晶粒细化都能够提高材料的塑性，所以在此温度范围内断后伸长率呈现持续增加的趋势。

当试验温度升高到２００℃以上后，晶粒尺寸对材料性能的作用效果减弱，试验温度的影响开始占据主导作用，随着试验温度的升高，４１０ＭＰａ级钢制无缝压力管的强度下降，塑性增加。

碳钢在１５０～３５０℃的温度区间会出现强度上升、塑性下降、脆性增加的行为［３－６］，被称为蓝脆现象。

从图２中断后伸长率所呈现的陡降现象可以判定，４１０ＭＰａ级钢制无缝压力管的蓝脆区在２００℃左右。

通常情况下，蓝脆主要影响到材料的抗拉强度和断后伸长率，对材料的屈服强度影响不大，所以在２００℃时，材料的抗拉强度达到了最大，而对应的屈服强度则开始下降。

４　结论
（１）在同一根钢管上取一批试样，试样的晶粒尺寸也可能存在显著差异，最终对材料的力学性能测试结果产生一定的影响。

（２）试验温度低于１５０℃时，随试验温度升高，４１０ＭＰａ级钢制无缝压力管的强度值出现了异常的增高现象，这是由晶粒细化的强化作用高于温度的软化作用所致。

（３）４１０ＭＰａ级钢制无缝压力管出现蓝脆现象的温度为２００℃左右。

（４）不论是产品检验还是材料研发，通过检测单个试样所得的结果来代表材料的整体性能可能存在风险。

参考文献：
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