管线钢热轧卷板屈服强度的试验研究

苏洪英，林 利，吕 冬，陆晓锋，魏世同，李萧彤，张 南

（鞍山钢铁集团公司技术中心，辽宁 鞍山114009）

管线钢热轧卷板屈服强度的试验研究

苏洪英，林 利，吕 冬，陆晓锋，魏世同，李萧彤，张 南

（鞍山钢铁集团公司技术中心，辽宁 鞍山114009）

为了准确测定管线钢热轧卷板的屈服强度，以X90管线钢热轧卷板为例，采用规定比例极限σP50的计算方法，通过横向、30°和45°方向圆棒试样和直接拉伸矩形试样的拉伸试验、规定比例极限σP50的试验、横向矩形试样预拉伸至规定比例极限σP50的试验等，测定了屈服强度RP0.2和Rt0.5的变化情况。结果表明，预拉伸至σP50对试样力学性能的影响不大；30°和45°方向的矩形拉伸试样σP50的误差限分别为±20 MPa、±5 MPa，在此范围内的屈服强度RP0.2和Rt0.5数据分散性较小，略高于相同方向的圆棒试样，与横向矩形试样的屈服强度略高于横向圆棒试样的规律性一致。预拉伸至规定比例极限σP50能够准确计算管线钢卷板的屈服强度。

管线钢；屈服强度；规定比例极限σP50；预拉伸

高压输送是石油和天然气管线的发展趋势，高压输送的基础是高钢级管线钢管，采用高钢级钢管高压输送能大幅度降低管道建设成本[1-6]。GB/T 14164—2013《石油天然气输送管用热轧宽钢带》[7]要求规定，对于L485/X70及以下级别的钢带和钢板，拉伸试验应采用全厚度矩形试样；对于L555/X80及以上级别的钢带和钢板，拉伸试验可采用全厚度矩形试样或圆棒试样。但由于圆棒试样在加工过程中去掉了表面层，使材料的性能发生变化。如果表面层强度（硬度）较高，加工后试样强度就会降低；如果表面层强度（硬度）较低，加工后试样强度就会升高。另外，如果管线钢管直径较小，则拉伸样坯弯曲角度会较大，圆棒拉伸试样不直，很难保证加工后试样轴心在一条直线上，试验结果的准确性就值得商榷[8]。因此，管线钢热轧卷板采用全厚度矩形试样做拉伸试验更科学、更合理。

GB/T 14164—2013规定用 Rt0.5来度量管线钢卷板的屈服强度。Rt0.5是管线钢热轧板卷最重要的力学性能指标之一，也是保证管道工程安全运行必不可少的技术参数。但是由于管线钢热轧卷板弯曲，其拉伸试验过程中引伸计标距内的变形实际由两部分组成：一是不平直试样受拉展平产生的变形，另一个是试样真实的弹塑性变形。直接拉伸的弯曲试样使得测量结果与真实值之间存在一定误差，Rt0.5检测值波动大，检测值偏低，直接影响了对管线钢热轧卷板屈服强度的评定。

目前国内一般对取样方向为30°和45°的管线钢热轧卷板的弯曲矩形拉伸试样，均采用冷压平方法来测定其Rt0.5，以得到材料的屈服强度。但冷压平会对试样材料的应力状态产生影响，且由于冷压平并无标准尺度，仅凭经验评估，使得测量值和真实值之间存在一定的误差，具体表现为测得的Rt0.5波动较大，进而影响了对管线钢热轧卷板屈服强度的真实评定（除屈服强度外的其他力学性能指标则不受冷压平过程的影响）。同时，由于钢级的升高和壁厚的增大，使得试样的冷压平变得越来越困难，且对材料屈服强度测试的影响变得愈加明显[9-10]。为此，本研究针对X90管线钢热轧卷板30°和45°方向的全厚度不平直的矩形拉伸试样屈服强度的测定，采用预拉至规定比例极限σP50的方法进行了测试，并分析了预拉伸至σP50对屈服性能的影响。

1 规定比例极限σP50的定义

多年来，国际上通常用材料力学性能指标“规定比例极限”作为一些产品设计和验收的主要参数。20世纪70年代，随着科学技术水平的发展和检测手段的不断完善与提高，多数发达国家已不再采用这一概念，取而代之的是用规定一定的非比例延伸率对应的应力，即规定塑性延伸强度作为 “规定比例极限”。为了与国际惯例接轨，我国于1987年颁布了GB/T 228—1987《金属拉伸试验方法》[11]，该标准参照国际标准ISO 6892—1984《金属材料.拉伸试验》修订。GB/T 228—1976[12]规定了规定比例极限σP50的测定方法。

比例极限是应力和应变成正比关系的最大应力，即在应力－应变曲线上开始偏离直线时的应力。实际在拉伸曲线上，不是测定开始偏离直线那一点的应力，而是测定偏离一定值的应力。一般规定曲线上某点切线和纵坐标夹角的正切值tanθ2比直线部分偏离和纵坐标夹角的正切值tanθ1增加 50%时，即 tanθ2=1.5tanθ1，则该点对应的应力即为规定比例极限σP50，如图1所示。

图1 规定比例极限σP50

规定比例极限σP50按式（1）计算。

式中：σP50—规定比例极限，MPa；

FP50—规定比例极限对应的试验力，N；

S0—原始横截面积，mm2。

2 规定比例极限σP50的计算方法

由规定比例极限 σP50的定义可知 tanθ2=1.5tanθ1。 由于 E1=1/tgθ1，E2=1/tgθ2，可推出 E1=1.5E2。其中E1为杨氏弹性模量，E2为所求规定比例极限σP50处的切线弹性模量[13]。先求出E1，然后计算出E2的理论值即E1/1.5。在软件界面中设置切线弹性模量的选定点应力，软件自动计算出选定点应力的切线弹性模量，比较E2的实际值与理论值的相对误差，若相对误差不大于3%，则该点应力有效。求出所有有效数据点应力的平均值，该平均值即为规定比例极限σP50。

3 试验结果与讨论

3.1 圆棒试样和直接拉伸的矩形试样的拉伸试验

试验选用X90管线钢热轧卷板，厚度为16.3mm，取样方向为横向、30°和45°，分别加工成直径为12.7mm的圆棒试样和平行长度宽度为38.1mm的矩形试样。试样编号规则为：首位数字为取样方向，即“9”为横向，与轧制方向成90°；“3”与轧制方向成 30°；“5”与轧制方向成45°；第二位数字为试样顺序号。圆棒试样和直接拉伸的矩形试样的拉伸试验结果见表1。

表1 圆棒试样和直接拉伸的矩形试样的拉伸试验结果

由表1可以看出，圆棒试样各方向的力学性能指标很稳定。对于矩形试样而言，横向试样力学性能指标很稳定，但屈服强度和抗拉强度略高于圆棒试样，原因是圆棒试样在加工过程中去掉了表面层，使材料的性能发生变化。而30°和45°方向的屈服强度Rt0.5和RP0.2波动较大，且低于圆棒试样，原因是30°和45°方向的矩形试样不平直，直接拉伸时试样有一个展平的过程，使测量结果与真实值之间存在一定的误差，数据分散性较大。矩形试样的抗拉强度性能稳定，但高于圆棒试样。不同方向圆棒试样和矩形试样的实际拉伸曲线如图2所示。

图2 不同方向圆棒和矩形试样的实际拉伸曲线

从图2可以看出，由于圆棒试样平直，不同方向试样的弹性段吻合，呈线性；矩形试样30°和45°方向的试样由于试样不平直，弹性段为非线性，30°方向试样弹性段的线性最差，横向试样弹性段呈现较好的线性。

3.2 规定比例极限σP50的试验结果

鉴于圆棒试样平直，不同方向试样的拉伸曲线基本接近材料真实的拉伸曲线，故从圆棒试样的曲线上分析规定比例极限σP50，试验结果见表2。

对表2中圆棒试样的比例极限σP50取平均值，则横向试样的比例极限σP50平均值为480 MPa，30°方向 σP50为 470 MPa，45°方向 σP50为 490 MPa。

3.3 横向矩形试样预拉伸至规定比例极限σP50的试验结果

由于横向矩形试样平直，仅进行预拉伸至比例极限σP50=480 MPa试验，并比较预拉伸至σP50后与未预拉伸试样试验结果的差异。如果试验结果接近，则说明预拉伸至σP50并未影响力学性能结果的准确性，试验方案合理，结果见表3。

表2 规定比例极限σP50试验结果

表3 预拉伸480 MPa时横向矩形试样的拉伸试验结果

对比表3和表1的结果可知，表3与表1中91#、92#和93#矩形试样的各项力学性能指标接近，说明试验方案合理，可以以此方案继续进行30°和45°方向试样的预拉伸至σP50试验。

3.4 30°、45°方向的矩形试样预拉伸至比例极限σP50的试验结果

首先对30°和45°方向矩形试样依据比例极限σP50进行预拉伸，然后再按规定比例极限σP50的公差范围进行预拉伸，每组三个试样。30°方向矩形试样依据比例极限σP50进行预拉伸后，三个试样的平均值：Rt0.5=576 MPa，RP0.2=579 MPa；45°方向矩形试样依据比例极限σP50进行预拉伸后，三个试样的平均值：Rt0.5=571 MPa，RP0.2=568 MPa。由于一般标准拉伸试样屈服强度的相对标准偏差为2.0%，则30°方向试样Rt0.5和RP0.2的相对标准偏差均为12 MPa；45°方向试样Rt0.5和RP0.2的相对标准偏差均为11 MPa。依据此偏差设置误差极限，结果如图3和图4所示。

图3 30°方向的矩形试样的规定比例极限σP50的误差极限

图4 45°方向的矩形试样的规定比例极限σP50的误差极限

由图3可知，对于30°方向试样，其规定比例极限σP50的误差极限为±20 MPa，在此范围内的屈服强度Rt0.5和RP0.2数据分散性小，比表1中圆棒试样31#、32#和33#略高。由图4可知，对于45°方向试样，其规定比例极限σP50的误差极限为±5 MPa，在此范围内的屈服强度Rt0.5和RP0.2数据分散性小，也比表1中圆棒试样51#、52#和53#略高；横向矩形试样的屈服强度也略高于圆棒试样，规律性一致。

4 结 论

（1）由于45°和30°方向的矩形拉伸试样不平直，其拉伸曲线弹性段线性较差，故可采用圆棒试样来计算不同方向矩形试样的规定比例极限σP50。

（2）横向矩形试样预拉伸至σP50后，性能与未预拉伸的矩形试样一致，表明预拉伸至σP50并未影响力学性能结果的准确性。30°和45°方向的矩形拉伸试样σP50的误差极限分别为±20 MPa和±5 MPa，在此范围内的屈服强度RP0.2和Rt0.5数据分散性较小，略高于相同方向的圆棒试样，横向矩形试样的屈服强度略高于横向圆棒试样。

（3）预拉伸至规定比例极限σP50能够最准确计算管线钢卷板的屈服强度。

[1]龙明建，于浩，尹雨群，等.X70针状铁素体管线钢包辛格效应研究[J].材料工程，2007（10）：31-34，44.

[2]王玲.高强钢正反向加载力学性能测试与理论研究[D].西安：西北工业大学，2006.

[3]李年，朱维斗，李小波，等.试制X80输油气管线钢的包申格效应研究[J].机械强度，2005,27（1）：78-081.

[4]李殿杰，韩宝云，郭烽.X70管线用宽厚板包辛格效应的研究[J].钢铁，2005，40(10)：76-79.

[5]李鹤林，郭生武，冯耀荣，等.高强度微合金管线钢显微组织分析与鉴别图谱[M].北京：石油工业出版社，2001.

[6]石德珂，朱维斗.材料物理[M].北京：机械工业出版社，2006.

[7]GB/T 14164—2013，石油天然气输送管用热轧宽钢带[S].

[8]苏洪英，黄国建，徐烽，等.管线钢管屈服强度的稳定性试验[J].理化检验，2010，46（10）：617-622.

[9]田冀锋，刘小蛮，张永健.测试方法对测定金属材料屈服强度的影响及分析[J].实验室科学，2010，13（8）：114-116.

[10]吴金辉，杨超，荆松龙，等.RP0.2代替Rt0.5进行管线钢屈服强度测量的可行性研究[J].焊管，2012，35（9）：25-28.

[11]GB/T 228—1987，金属拉伸试验方法[S].

[12]GB/T 228—1976，金属拉伸试验方法[S].

[13]GB/T 22315—2008，金属材料 弹性模量和泊松比试验方法[S].

Experimental Study on Yield Strength of Pipelines Steel Hot-rolled Coil

SU Hongying,LIN Li,LV Dong,LU Xiaofeng,WEI Shitong,LI Xiaotong,ZHANG Nan
（Anshan Iron ＆ Steel Group Corporation Technology Center,Anshan 114009,Liaoning,China）

In order to accurately detect the yield strength of pipeline steel hot-rolled coil,taking X90 pipeline steel hot-rolled coil as an example,adopting specific proportional limit σP50calculation method to detect yield strength RP0.2and Rt0.5changes through tests,including round bar specimen in transverse direction,30°,45°direction,direct tensile test of rectangular specimen,specific proportional limit σP50test,the prestretching of transverse rectangular sample to specific proportional limit σP50and so on.The results indicated that the prestretching to σP50slightly affect the mechanical performance.The σP50error limits of rectangular tensile specimens in 30°,45°direction were ±20 MPa,±5 MPa,the data dispersion of yield strength RP0.2,Rt0.5within this range are smaller,slightly higher than the round bar specimen in the same direction,with the same regularity as transverse rectangular specimens and transverse round specimens.Pre-tension to specific proportional limit σP50method can accurately calculate the yield strength of pipeline steel hot-rolled coil.

pipeline steel;yield strength;specific proportional limit σP50;pre-tension

TG142.1 文献标志码：B DOI:10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.03.008

苏洪英（1969—），女，汉族，工学学士，高级工程师，1992年哈尔滨工业大学毕业，从事金属材料的疲劳和断裂以及材料的力学性能测试与分析。

2015-11-21

李红丽