提高无缝钢管屈服强度测量值准确性的探讨

王亚男，周晓锋，周国帅，边令喜，边洪振，韩铭君

（天津钢管集团股份有限公司，天津 300301）

屈服强度是金属材料在拉伸或压缩过程中经过弹性变形区域后，到达塑性变形阶段，发生屈服现象的屈服极限，是抵抗微量塑性变形所产生的应力。在应力-应变曲线上，屈服现象体现为应力微小增加，而应变急剧增大；在微观机理上，通常认为材料在受力过程中，沿着某处位错产生滑移，进入塑性变形时，该处（范性区）的位错突然摆脱障碍束缚而开始运动（产生上屈服点和吕德斯带开始成核），可动位错增多，引起应力下降（产生下屈服点和吕德斯带已经成核），范性区开始由一处向整个试件扩展（产生屈服平台和吕德斯带的传播），当吕德斯带扫过整个试件后，位错密度增大，加工硬化开始，应力开始上升［1-6］。

在拉伸试验中，试验条件和操作过程都会对屈服强度的测量值有一定影响。现以工作中经常遇到的几点因素作为研究对象，通过理论和试验说明各因素对无缝钢管屈服强度的影响程度，并提出使屈服强度测量值更接近其真实值的建议。

1 试验条件

为避免客观因素的影响，拉伸试验机统一采用德国申克公司的RBO 600伺服万能试验机，力值精度为0.5级；引伸计采用德国申克公司的RDA2电子引伸计，精度为B-2级。

试验材料选用规格为Φ114.30～168.28 mm×9.17～12.70 mm，钢级为 J55、K55、L80、P110、Q125及X52Q的无缝钢管，并在钢管上加工宽度为25.4 mm的带肩弧形条状试样。

另外，试样壁厚不均、表面铁皮氧化、加工试样肩部不对称、取样位置的不同，以及拉伸试验中的起始载荷不清零、引伸计打滑、夹具的震动等，都会对试验数据产生影响，但在试验过程中已尽量避免这些因素产生的影响。

2 试验速率的影响

以L80钢级无缝钢管为试验材料，进行不同应力速率的拉伸试验。在同一根钢管上截取12根试样，按照GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》规定的应力速率范围（6～60 MPa/s）进行试验，每两根一组并取测得的屈服强度的平均值，分别进行6组不同应力速率的试验。不同应力速率下L80钢级无缝钢管的屈服强度见表1。

表1 不同应力速率下L80钢级无缝钢管的屈服强度

从表1可以看出，拉伸试验速率的增加对屈服强度有一定提高作用。这是因为拉伸速率过大，位错受阻，滑移不充分，导致塑性变形不能及时传播；再者形变强化的回复过程在过大的加载速率中受阻，所以使屈服强度测量值提高［7］。也有理论认为，固体材料具有黏弹性特征，所谓黏弹性，是指材料不但具有弹性材料的一般特征，同时还具有黏性流体的一些特征，黏性性质与材料的应力和应变率有关［8］，所以进入屈服阶段后，试验速率不同，所测试得到的强度值也不同。

在GB/T 228.1—2010所规定的应力速率范围内，应力速率对屈服强度的影响值可达到10 MPa。根据文献［8］中对日本标准JIS Z 2241—1980《金属材料抗拉试验方法》的叙述，在10～29 MPa/s应力速率范围内，应力速率对钢的屈服强度影响升高10～20 MPa。对于其他拉伸试验标准，美国ASTM E 8/E 8M—2016a《金属材料抗拉试验方法》规定应力速率为1.15～11.50 MPa/s，英国BS EN 10002-1∶2001《金属材料拉伸试验第1部分：室温下的测试方法》和国际ISO 6892-1∶2016《金属材料拉伸试验第1部分：室温测试方法》同我国GB/T 228.1—2010一样均要求应力速率为6～60 MPa/s。所以，综合试验数据和各相关标准规定，在保证试验效率的基础上，采用GB/T 228.1—2010进行拉伸试验时，建议将应力速率控制在10～25 MPa/s，并且在屈服点附近进行速率转换时平稳进行。

3 试样夹持位置的影响

分别对K55、L80、P110钢级无缝钢管进行不同夹持位置的拉伸试验。按照试验机轴线位置（对中布置），以对中位置起始向试验者移动20 mm（前移20 mm），以对中位置起始背向试验者移动20 mm（后移20 mm），以试样中心为圆心、上部向试验者倾斜10°分别进行夹持，不同夹持位置时无缝钢管的屈服强度见表2。

表2 不同夹持位置时无缝钢管的屈服强度

从表2看出，屈服强度Rp0.2受不同夹持位置的影响较大。这是由于不在对中位置夹持的试样偏离了试验机轴线中心，除了受轴向拉应力的作用外，还要受侧向力和附加力矩的作用，使试样受力状态发生改变［9］。

前移或后移夹持的试样，靠近试验机对中位置的一侧领先于另一侧产生较大变形，并且试验室采用的是单侧变量引伸计，试样测试面朝向试验者。当试样前移时，测试面远离试验机对中位置，此时测得的变形量滞后于试样整体变形，当测量值达到规定的应变量时，试样整体已超过规定变形量；因此，前移夹持时测得的屈服强度偏高。反之，后移时，测试面靠近试验机对中位置，测量值达到规定应变量时，试样整体还没有达到；因此，后移夹持时测得的屈服强度偏低。倾斜夹持试样时，试样除受到拉载荷外还受到一个弯矩作用，使得测得的变形量领先于试样整体变形，当测得的变形量达到规定应变量时，试样整体还没有达到；因此，倾斜夹持时测得的屈服强度偏低。

为减小不同夹持位置对屈服强度测量值带来的影响，试验时应尽量使试样夹持在夹头的中间轴线位置，且保持竖直状态；另外，采用双侧变量引伸计可减小屈服强度测量的偏离值。

4 屈服强度指标选择的影响

4.1 屈服强度指标的影响

常用的屈服强度指标有上屈服强度ReH、下屈服强度ReL、规定塑性延伸强度Rp0.2、规定总延伸强度Rt0.5等，这些指标都可以作为衡量材料屈服强度的参数，但不同指标的选择所测出的屈服强度略有区别。测量不同屈服强度指标绘制拉伸试验应力-应变曲线，不同钢级无缝钢管的应力-应变曲线如图1所示，不同钢级无缝钢管的常用屈服强度数据见表3。

图1 不同钢级无缝钢管的应力-应变曲线

表3 不同钢级无缝钢管的常用屈服强度数据MPa

由表3看出，屈服强度指标的选取不同，屈服强度也不相同，偏差一般不超过5 MPa，这是因为各屈服指标的测量方式不同。

（1）上屈服强度ReH是试样发生屈服而应力首次下降前的最大应力。判断ReH的根据是：ReH∧ReL。所以，在某些拉伸曲线中（如图1a和图1c～e所示），ReH是不存在的，这也是大部分产品标准不要求测量ReH而以Rp0.2代替的原因。

（2）下屈服强度ReL是不计初始瞬时效应时的最小应力。ReL是一个稳定屈服过程，再现性较好，一般情况下，选择ReL作为衡量屈服强度的指标。但在连续屈服现象的曲线中（图1d～e所示），ReL是不存在的，可选取Rp0.2代替。

（3）规定塑性延伸强度Rp0.2是规定塑性延伸率为0.2%时的应力。这是针对应力-应变曲线中没有明显屈服平台（ReH或ReL）而人为规定的一种计算方式。而应力-应变曲线弹性段起始点和结束点的选取会影响Rp0.2（表3中Q125钢级），图1（d）～（e）所示的 Rp0.2弹性段选取分别为 1/4～1/2、1/2～3/4处，测量值相差4 MPa，这是由于弹性段并非完全呈直线型上升，不同弹性段对应的斜率不同，所以应变为0.2%时的平行线与应力-应变曲线交点不同。根据王有欣［10］的研究，弹性段选取1/4～1/2处，可以获得较准确的Rp0.2。

（4）规定总延伸强度Rt0.5表示规定总延伸率为0.5%时的应力。根据应力-应变曲线（图2）可推导出公式（1）的关系：

式中et——规定总延伸率，%；

E——弹性模量，GPa，钢取值210 GPa。

图2 应力-应变关系曲线

以API Spec 5CT—2011《套管和油管规范》（第9版）中P110钢级为例，屈服强度下限Rt为758 MPa，计算出et为0.560 9%，修约后取0.6%；再如Q125钢级，屈服强度下限Rt为862 MPa，计算出et为0.610 5%，修约后取0.65%。而API Spec 5L—2012《管线钢管规范》（第45版）中，钢级高于X90时，通过公式（1）计算出的et大于0.5，所以API Spec 5L—2012规定钢级不高于X90时，Rt0.5适用；钢级高于X90时，Rp0.2适用。

4.2 屈服强度指标的选取原则

为了使屈服强度指标的选取更接近真实值，试验时，若产品标准有要求，应按照产品标准进行屈服强度指标的选取。若产品标准无要求，建议根据公式（1）计算et：当et∧0.55%时，一般美国标准按Rt0.5选取，我国标准按ReL或Rp0.2选取；当et≥0.55%时，建议首先参照相同品种的同种强度级别的产品标准，若无可参照产品，则按照公式（1）计算结果修约后的取值进行选取。

5 结 论

（1）试验速率的增加对屈服强度有一定的提高作用。建议将应力速率控制在10～25 MPa/s。

（2）试样夹持位置对屈服强度测量值影响很大。建议试验中尽量保证试样夹持在中间位置，且保持竖直状态；另外，采用双侧变量引伸计可减小屈服强度测量时的偏离值。

（3）屈服强度指标的选取对屈服强度测量值的影响偏差一般不超过5 MPa。建议首先应按照产品标准进行屈服强度指标的选取，但若产品标准无要求，用公式（1）计算et，再根据et进行选取：et∧0.55%时，一般美国标准按Rt0.5选取，我国标准按ReL或Rp0.2选取；et≥0.55%时，首先参照相同品种的同种强度级别的产品标准，若无可参照产品，则按照公式（1）计算结果修约后的取值进行选取。