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  山东大学学报(工学版)  2017, Vol. 47 Issue (4): 64-69  DOI: 10.6040/j.issn.1672-3961.0.2016.467
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引用本文 

杨炎, 王威强, 潘路, 宋明大. 服役后16Mn管材应变时效的自动球压痕测试[J]. 山东大学学报(工学版), 2017, 47(4): 64-69. DOI: 10.6040/j.issn.1672-3961.0.2016.467.
YANG Yan, WANG Weiqiang, PAN Lu, SONG Mingda. 16Mn pipe strain aging after service by automatic ball indentation test[J]. Journal of Shandong University (Engineering Science), 2017, 47(4): 64-69. DOI: 10.6040/j.issn.1672-3961.0.2016.467.

基金项目

国家重点研发计划课题资助项目(2016YFF0203005)

作者简介

杨炎(1990—), 男,福建莆田人,硕士研究生,主要研究方向为压痕法测试材料力学性能.E-mail:327015564@qq.com

通讯作者

王威强(1959—), 男,山东青岛人,教授,博导,主要研究方向为失效分析和结构完整性评估.E-mail:wqwang@sdu.edu.cn

文章历史

收稿日期:2017-01-05
网络出版时间:2017-04-28 09:51:03
服役后16Mn管材应变时效的自动球压痕测试
杨炎a, b, c, 王威强a, b, c, 潘路a, 宋明大b, d     
a. 山东大学 机械工程学院, 山东 济南 250061;
b. 山东大学 特种设备安全保障与评价研究中心, 山东 济南 250061;
c. 山东大学 特种设备安全工程技术研究中心, 山东 济南 250061;
d. 山东大学 特种设备检验研究院, 山东 济南 250061
摘要:针对在役和不可取样的设备应变时效价难问题, 以服役后16Mn管材为研究对象, 通过自动球压痕和常规力学试验, 对比应变时效前后材料的屈服强度、抗拉强度、冲击吸收能和断裂韧度, 并深入探讨自动球压痕试验在材料应变时效上的应用。试验结果表明, 自动球压痕可以准确测定材料发生应变时效后的力学性能值, 因此可以定期通过自动球压痕技术对在役设备进行力学性能测试, 并根据实际测试力学性能来调整运行压力或更换设备, 不但可以有利于设备的安全运行, 同时可以延长设备的使用寿命。
关键词自动球压痕    应变时效    16Mn钢    在役    力学性能    
16Mn pipe strain aging after service by automatic ball indentation test
YANG Yana, b, c, WANG Weiqianga, b, c, PAN Lua, SONG Mingdab, d     
a. School of Mechanical Engineering, Jinan 250101, Shandong, China;
b. Research Center of Safety Guarantee and Assessment to Special Equipment, Jinan 250101, Shandong, China;
c. Engineering and Technology Research Center for Special Equipment Safety of Shandong Province, Jinan 250101, Shandong, China;
d. Shandong Special Equipment Inspection Institute, Shandong University, Jinan 250101, Shandong, China
Abstract: The evaluation of strain aging was a difficult problem for in-service and un-sampling equipment. The 16Mn pipe was used as research material. The values of yield strength, tensile strength, impact absorbing energy and fracture toughness of the material which before and after the strain aging were compared by the automatic ball indentation tests and conventional mechanical experiments. And the application of the automated ball indentation tests in the strain aged steel was further discussed. The results showed that the automatic ball indentation tests could be used to accurately measure the mechanical properties of the material after the strain aging. So the mechanical performance of the in-service equipment could be acquired regularly by the automatic ball indentation technology, and according to the actual test mechanical properties to adjust operating pressure or replacement equipment, it could facilitate the safe operation of equipment, moreover it could extend the service life of equipment.
Key words: automated ball indentation    strain aging    16Mn steel    in service    mechanical property    
0 引言

应变时效是金属材料在发生塑性变形后的失效[1-2], 将会引起金属材料性能变化, 如强度、硬度和脆性的增加, 塑性和韧性的下降[3-7]。当材料发生应变时效时, 材料的韧脆转变温度将发生明显的上升, 临氢发生氢脆和应力腐蚀环境下发生应力腐蚀的阈值减小[8]。总结不同学者的研究发现[9-13], 工业金属材料在应用范围内发生应变时效的原因归结为材料成分、热处理方式以及塑性变形[14-16]。目前工程上主要通过冲击试验、拉伸试验、断裂试验和硬度试验来测定金属材料的应变时效。前3种方法虽然效果比较明显, 但都需要取样, 所以对于不可取样的在役设备来说, 评价应变时效一直是个较难的问题。工程上对服役的老管道[17]只能进行定期缺陷检测和日常维护, 难以在线对力学性能进行试验进而做出准确的评价, 因此在役管道材料性能的获取成为专家学者们的研究重点。以美国橡树岭国家实验室的HAGGAG F M等人[18-19]为主要代表的研究人员提出利用自动球压痕试验测试材料力学性能, 该方法被认为是一种非破坏的微损测试技术, 无需取样, 现场和实验室均能使用[20]

1 自动球压痕试验原理

自动球压痕试验是连续加载-部分卸载的连续循环试验, 通过获取试验过程的压痕曲线(即载荷-位移曲线)并根据弹塑性理论关联转化为材料的真应力-真塑性应变曲线, 进而获得其中包括屈服强度、抗拉强度、压痕变形能量、应变硬化指数和强度系数等力学性能参数。自动球压痕测量材料力学性能的本质过程包括三个方面[21]:

(1) 基于文献[20]通过传统光学技术建立的球压头接触边缘真塑性应变εp=0.2dp/D(其中εp是真塑性应变, dp残余压痕的直径, D是压头直径), 并考虑约束因子δ影响的真应力关系σt=4Pπdp2 δ(其中σt是真应力, P是施加载荷), 测得材料均匀变形阶段的真应力-真塑性应变曲线, 再假定材料符合幂强化律(Holloman)关系σt=pn(其中K是材料的强度系数, n是应变强化指数), 从而确定Kn; (2) 假定球压头具有足够刚度, 采用Meyer定律来描述压痕测试曲线, 施加载荷P与压痕投影直径、球压头直径D之间存在关系P/dt2=A(dt/D)m-2(其中dt是总压痕直径, A是试材料的压痕参数, m是Meyer指数), 由此可描述压痕试验每个加载周期所获得的Pdt关系, 在此基础上通过检测P/dt2dt/D, 并关联两者关系, 即可获得材料屈服强度σy与测试材料的压痕参数A的关系为:σy=βmA+B(其中βm是材料屈服系数, B是屈服强度偏移参数);

(3) 材料拉伸加载时, 应变强化指数n与最大均匀变形真应变近似等价, 由此根据真应力与工程应力之间的转换关系, 可知材料真应力-真塑性应变曲线符合幂强化律时, 其抗拉强度值σu可由σu=$K{\left( {\frac{n}{{\rm{e}}}} \right)^n}$经验式确定。

2 试验材料

16Mn管线钢因具有较高强度、良好的低温韧性、较好的焊接性能、较低的价格而广泛作为煤化工、石油化工、动力等行业的管道用材。试验材料取自3类相同服役条件、不同规格(Φ 60.3mm×3.5mm、Φ88.9mm×4mm、Φ168.3mm×5.5mm、Φ219.1mm×6.5mm, 编号为D1-D4)的某石化企业天然气服役管道16Mn管线钢进行力学性能测试与自动球压痕试验, 通过力学性能指标的对比进行服役力学性能变化研究。服役前管线材料参数如表 1所示, 其中拉伸试验与压扁试验在室温下进行,冲击试验在-40℃的环境下进行, 服役前后材料化学成分见表 2, 对比文献[22]中的标准16Mn化学成分要求, 4种材料均服役前后成分均符合标准要求。

表 1 16Mn服役前参数 Table 1 Parameters of 16Mn before service
表 2 服役前后16Mn的化学成分 Table 2 Composition of 16Mn before and after service
3 传统应变时效测试 3.1 压扁测试

根据文献[23]进行压扁试验, 以定性测定16Mn管塑性变形能力, 来判断服役过程是否有缺陷产生.试验选取原服役四类管材, 放置在不同板距的两个平行板之间, 通过压力机, 均匀压至标准规定压扁距, 并记录试样压扁情况, 见图 1.

图 1 压扁试验后试样 Figure 1 Test sample after flattening

通过压扁试验(见表 3)可以看出, 三类不同规格的管道服役后塑性变形能力较好, 服役过程未有缺陷产生.

表 3 服役后16Mn压扁试验结果 Table 3 Flattening test results of 16Mn after service
3.2 冲击试验

根据文献[24]进行冲击试验, 以定性测定16Mn管冲击吸收能量的值, 并与服役前数值进行对比, 判断材料力学性能是否发生变化, 试验结果见表 4.对服役前后四类16Mn钢管进行冲击试验, 其冲击吸收能量明显小于服役前的标准值, 可以初步断定材料发生了应变时效.

表 4 16Mn服役后冲击试验结果 Table 4 Impact test results of 16Mn after service
3.3 拉伸试验

按文献[25]要求, 沿轧制方向进行取样, 并加工制备成棒状拉伸试样, 按照文献[24]进行拉伸试验, 结果如表 5所示, 同时表内列出了服役前的力学参数进行对比.

表 5 16Mn服役前后拉伸试验结果比较 Table 5 Comparison of tensile test results of 16Mn before and after service
3.4 断裂韧度试验

试样采用标准台阶型缺口紧凑拉伸试样, 沿着裂纹面沿轧制方向进行取样V形缺口由机械加工产生, 疲劳预制裂纹可在此基础上进行, 疲劳裂纹的预制采用恒K法, 应力比为0.1, 频率为15Hz.使裂纹初始长度与试样宽度的比值a0/W=0.5~0.7.整个试验通过型号为INSTRON8803的万能试验机进行, 整个过程采用计算机控制.为了满足试样对裂纹前缘平直度的要求, 增加裂纹扩展的倾向性, 在完成疲劳裂纹预制后还需对试样两侧加工侧槽.侧槽深度为2mm, 夹角为90°.

试验结果16Mn断裂韧度KJC为188.6 MPa $\sqrt {\rm{m}} $。对比国内[26]同种试验材料同种处理方式未服役的16Mn的KJC为279.1MPa $\sqrt {\rm{m}} $。可以看出16Mn的断裂韧度明显下降。

通过压扁试验可以表明:(1) 材料在服役过程中未发生缺陷; (2) 通过冲击试验中冲击吸收能量明显小于服役前的标准值; (3) 拉伸试验中屈服强度和抗拉强度都有所提高; (4) 断裂韧度下降。结合以上特征可以判断该服役材料发生了应变时效。

4 自动球压痕测试

自动球压痕试验采用美国ATC公司生产的应力应变显微探针系统SSM-B4000TM System完成, 图 2为压痕试验机的实物图。试验过程中通过量程为1112N(250lbs)、分辨率为0.01112N(0.025lbs)的载荷传感器和量程为1.016mm(40mil)分辨率为0.0254μm(0.001mil)线性可变差动位移传感器对压头下压过程中的载荷和下压深度进行实时测量, 从而获得整个自动球压痕试验过程的载荷-压入深度曲线。压头选用直径为0.76mm的碳化钨硬质合金球形压头。其弹性模量为710GPa, 泊松比为0.21。试样依次经过320、400、600、800目的碳化硅金相砂纸打磨上下表面。试验开始时, 试验设备会在材料表面预加一定大小的预载荷, 然后进行下压的过程。将自动球压痕试验循环次数设定为8次, 每次部分卸载比为每周期加载最大载荷的40%。压痕试验采用应变控制模式, 压头的速度定为0.13mm/min, 试验机的数据采集频率200Hz。压头压入的最大深度为0.1mm。

图 2 应力应变显微探针系统 Figure 2 The stress and strain microprobe system

通过压痕试验, 测得的屈服强度和抗拉强度如表 6所示。由于SSM-Suite TM控制处理系统默认的βm=0.22和B=0值, 即:

表 6 自动球压痕试验测得的服役后16Mn屈服强度 Table 6 Yield strength of 16Mn after service by automatic ball indentation test
${\sigma _{\rm{y}}} = 0.22A,$ (1)

其中:σy是材料屈服强度, A是测试材料的压痕参数。

对于不同的材料必然带来误差, 所以需要对屈服强度的估算值进行适当修正。本研究参考汤杰[20]等人压痕试验修正式(2) 来估算服役后16Mn管线钢屈服强度

$\sigma _y^* = 0.226\;2A + 23.087。$ (2)
4.1 自动球压痕测试可靠性分析

为验证4种规格服役后16Mn管线钢自动球压痕测试的适用性, 利用SSM-SuiteTM控制处理系统将试验所得的曲线进行叠加, 使得所选各试验曲线在同一叠加图中直观显示。图 3为四类种规格服役后16Mn管线钢试样的自动球压痕试验载荷-位移曲线叠加对比图, 图 4为四类种规格服役后16Mn管线钢试样的真应力-真塑性应变曲线叠加对比图, 图 5为4种规格服役后16Mn管线钢试样的屈服强度。

图 3 服役后16Mn载荷-位移曲线叠加图 Figure 3 The plot graph of load-displacement curve of 16Mn after serving
图 4 服役后16Mn真应力-真塑性应变曲线叠加图 Figure 4 The plot graph of true stress and plastic strain curve 16Mn after serving
图 5 四种规格服役后16Mn试样的屈服强度测算值 Figure 5 The measured value of yield strength of the sample of four specifications 16Mn after serving

通过图 3~5可以看出, 不同规格服役后16Mn管线钢在进行球压痕试验的时候特征曲线拟合性较好, 变化趋势基本一致, 同时还可以较清晰地区分开来, 反映出自动球压痕试验测试不同材料真应力-真塑性应变曲线非常有效。

4.2 自动球压痕结果分析

通过表 7表 8服役后16Mn管线钢自动球压痕与拉伸试验得到的屈服强度和抗拉强度数据可以看出, 服役后16Mn管线钢相比于未服役16Mn管线钢的屈服强度和抗拉强度都有所提高, 有明显应变时效的特征。但是通过对比拉伸试验和自动球压痕试验可以发现, 自动球压痕试验中的抗拉强度的幅值明显小于屈服强度的提高值, 也就是说自动球压痕测试结果显示屈强比增大明显, 这和理论较为符合。通过表 9可以看出, 断裂韧度相比服役之前有所下降, 这和理论发生应变时效时断裂韧度值发生明显的降低符合。

表 7 16Mn管线钢服役前后屈服强度 Table 7 Yield strength of 16Mn before and after service
表 8 16Mn服前后抗拉强度 Table 8 Tensile strength of 16Mn before and after service
表 9 16Mn服前后断裂韧度 Table 9 Fracture toughness of 16Mn before and after service

从试验结果来看, 压痕试验和常规力学性能测试结果, 吻合程度良好。而压痕试验无需取样, 检测对于设备没有损伤, 可以在设备上进行现场检测, 因此对于实时测试设备材料性能变化具有无可比拟的优点。由于管线的设计压力是按照未服役钢材的相关力学性能设计的, 但是随着服役时间的增加, 管线的力学性能都会出现不同程度的变化, 所以运用自动球压痕技术进行在线非取样测试, 定期对在役管线进行力学性能测试, 并根据实测结果来调整运行压力, 不但有利于管线的安全运行, 同时可以延长管线的使用寿命。

5 结论

通过对服役后16Mn管线钢进行常规力学性能测试、压扁试验、断裂韧度试验以及压痕试验, 对服役前后的试验数据进行比对, 得出以下结论:

(1) 服役后的16Mn管线钢并未发现由于服役过程而带来的缺陷。

(2) 服役后的16Mn管线钢的屈服强度、抗拉强度等力学性能比服役前的有所上升, 断裂韧度明显下降, 证明服役过程引起了16Mn管线钢应变时效。

(3) 通过自动球压痕试验和常规力学性能试验结果比对, 证明自动球压痕试验测试结果比较准确, 可以用于实时非取样检测管道材料力学性能。

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