管线钢管断裂韧性测试

1、断裂韧性测试Mi一.影响管线钢韧性的材料学因素所谓韧性，是指材料在外载荷作用下抵抗开裂和裂纹扩展的能力，也就是材料在断裂前所经 历的弹塑性变形过程中吸收能量的大小，它是强度和塑性的综合体现。准确地测试管线材料的断 裂韧性不仅可确保管道使用的安全性，而且是在新产品研发中评价其冶金因素是否满足管材韧性 要求的有效途径。在前面成分分析部分已经详细论述了管线钢中各个合金元素对韧性的影响，这里就不在赘 述。除了成分的影响外，影响韧性的因素还包括晶粒尺寸、组织结构、夹杂物的形态与分布等。晶粒尺寸晶粒尺寸是唯一既能强化又能韧化的因素，在管线钢的控制轧制过程中，细化 晶粒已作为韧化的一个重要的手段。实践证明，

2、现代控轧工艺已经使得超细晶粒钢称为现实。 对于少珠光体钢，晶粒尺寸可细化至几个微米。不同组织的管线钢以及管线钢中的各个组织所占比例不同，韧性也会显著不同。在铁素 体-珠光体管线钢中，随着珠光体含量的增加，管线钢的韧性降低，韧脆转变温度同时降低1。目前普遍认为针状铁素体管线钢是具有良好的强韧匹配的。实际上，针状铁素体型管线 钢的显微组织通常为针状铁素体和多边形铁素体的混合组织，随着加速冷却速率的提高，可 能在组织中出现分布的M-A小岛2。一般认为多边形铁素体不是管线钢的理想组织形态3。 对于针状铁素体的强韧性，Tanaka4认为：针状铁素体组织与贝氏体组织相比，有高的韧性 原因是贝氏体具有较大的

3、断裂单元（有效晶粒尺寸），而针状铁素体具有较小的断裂单元（有效 晶粒尺寸）。但Tanaka同时认为，100%的针状铁素体具有高的强度，但韧性较低。而提高韧 性的有效方法是通过降低变形温度并增加在奥氏体非再结晶区的变形量获得细小晶粒的多 边形铁素体加针状铁素体的混合组织。韧性提高的原因是多边形铁素体及针状铁素体的细化 5。肖福仁认为：在针状铁素体中，裂纹扩展必定强烈地受到彼此咬合、互相交错分布的 细小的针状铁素体条束的阻碍，从而有效地提高了钢的强韧性5。图1裂纹在针状铁素体中的扩展模型夹杂物以及M-A组元的形状、数量、尺寸和分布同样对管线钢的韧性产生重要的影响。 当体积分数一定时，夹杂物以及M-

4、A组元尺寸越细小、分布越弥散，管线钢的韧性越好。曾光廷等6研究了硫化物和氮化物夹杂对钢的断裂韧性的影响，并与Krafft模型计算 值进行了比较，结果得出：对断裂韧性的危害由小到大依次为VN-TiS-AlN-NbN-ZrN- Al2S3-CeS-MnS ；夹杂物含量与断裂韧性大小呈线性反比关系，TiS对断裂韧性没有影响。M-A组元的平均弦长是引起CGHAZ韧性降低的重要原因之一，一般认为当M-A组元的平 均弦长小于2pm时，不足以构成Griffith裂纹临界尺寸2pm7。M-A组元是铁素体基体中的脆性相，是决定韧性变化的主要因素之一。有学者对M-A 组元的定量研究把M-A组元对粒状贝氏体韧性的影

5、响用M-A组元的性质即平均宽度、总量、 线密度、形状因子4个特征参数来评价8。M-A组元平均宽度a反映了 M-A组元特征尺寸; M-A组元所占面积比S是反映M-A组元总量的特征量；单位长度上M-A组元数量N可表 征M-A组元线密度；M-A组元的形状有长条形和方块形两种，M-A组元形状的这种差别对 组织韧性影响很大，为此要对其进行定量区分，定义长宽比Ra3的M-A组元为方块形， RaN3的M-A组元为长条形。可归结为：在其他翻个特征参数不变的前提下，a越小，S越 小，N越小，R越大韧性越好。Zhao【8,9等人提出了 M-A组元形态特征 因子F的概念，其 定义如下：F = S a N / R显然

6、F越小越好M/A岛的体积分数和大小一定时，有尖角的M/A岛易产生应力集中诱发裂纹，降低了材 料强度和韧性。细小弥散分布的M/A岛状组织能阻碍位错运动和疲劳裂纹扩展，不易因应力 集中而诱发裂纹，并使其长度小于裂纹失稳扩展的临界尺寸，提高了钢材强度和韧性1Q 二.试验方法过去曾经使用V缺口夏比或落锤撕裂吸收能或剪切区来表征断裂韧度。随着管线工业的 不断发展，输气管线向着高压、低温、富气、厚壁和高等级钢方向发展,管道材料韧度不段提 高，以往以夏比冲击能和DWTT能量作为断裂韧度指标已不再适应了。近来多使用断裂力学参 数，比如裂纹尖端张开位移(CTOD)或者裂纹尖端张开角(CTOA )来表示。夏比冲击

7、实验这是一种评价材料断裂韧度传统的实验方法。它通过夏比冲击功来评价材料的断裂韧 度。近30 年来,BMI (BattelleMerorial Institute)、EPRG/ AISI (美国钢联)、BGC(英 国燃气公司)、CSM/ Italsider、Mannnesm ann研究院等通过大量的科研工作和全尺寸爆 破实验，分别提出了输气钢管延性止裂与CVN的关系式UH：Battelle: CVN = 2.38x10-5b 2(Rt)1/3hAISI: CVN = 2.38x10-4b 1.5D0.5BGC: CVN = 10-3b (2.08Rt-0.5 -10-3vR125t-0.75)h

8、Mannesm ann: CVN = 20exp(2.87 x 10-7b 1.75D1.09h0.585)hJapan： CVN = 2.498x10-6b 2.33D0.3t0.4Italsider/CSM：CVN = 2.52x10-4Rb +1.245x10-5Rtb 2H-1 - 0.627t 6.8 x10-8R2Ht-1hh式中:CVN为2/3尺寸夏比冲击吸收功（J）a h为环向应力（MPa）D为钢管外径（mm）R为钢管半径（mm）T为钢管壁厚（mm）H为管顶埋深（mm）需要指出的是上述公式适用于低韧性材料，但是目前管线钢的强度和韧性都很高，通过 上述公式预测止裂韧性与实测值相差

9、较大。Leis经过研究对BMI公式提出了如下修正12：CVN 广 CVNbmCVN94JarrestBMIbmi同时，Leis指出为了增加安全性可以用2.1代替指数2.04U3。当出现下列情况之一时，应对Leis修正公式预测值进行全尺寸实物爆破试验验证： 管道的设计参数超过了国际上已经过的全尺寸止裂爆破试验的数据范围；钢管材料断口 分离和上平台现象比较严重（CVP/ CV 100 1. 25,）;输送介质为富气11。钢管材料断口分离比较严重（CVP/ （V 100 N1. 25），又无法进行全尺寸实物爆破试验 时,可采用比较保守的处理办法，将Battelle半经验公式预测的CVN乘以CVP/

10、CV 100 11。CVN* = CVNbm； CVP / Cv 100CVNBMI 94 JBMIBMIV100落锤撕裂实验（DWTT）落锤撕裂实验早期主要用于根据断口形貌确定钢的韧脆转变温度 近年来也用于评价 材料的断裂韧度。它同样也是根据耗散能量来评价材料的断裂韧度。落锤撕裂试样尺寸明显 大于夏比冲击试样，为裂纹扩展提供了更长的韧带长度，使扩展功所占比例大大提高。对于压制缺口DWTT及夏比冲击功的关系，Wilkowski提出对老式控轧钢皿：（E 5 PN -W3（E V + 0.63其中Epn-dwtt为标准压制缺口 DWTT能量；apn-dwtt为Dwtt试样断裂面积；而咿为夏比冲击上

11、平台能；A；：；为夏比冲击试样断裂面积。对于淬火回火高强度高韧钢，西安管材研究所和清华大学根据最新试验数据对日本HLP 提出的公式进行修正，建议取15：（E / A）= 3.5B1.5（ E / A）0.6PN-DWTTCharpy可以通过DWTT方法预测当量CVN，利用已有的止裂韧性预测公式进行止裂预测。裂纹尖端张开位移方法（CTOD）裂纹尖端张开位移，指裂纹体受张开型载荷后原裂纹尖端处两表面所张开的相对距离。 CTOD值的大小反映了裂纹尖端材料抵抗开裂的能力。在试验中，把待测材料做成带有预 制裂纹的试样，加上外载后，裂纹尖端处有一个可以被测定的张开位移CTOD值。CTOD值 越大，表示裂纹

12、尖端材料的抗开裂性能越好，即韧性越好；反之，CTOD值越小，表示裂 纹尖端材料的抗开裂性能越差，即韧性越差16。其试验方法分为三点弯曲试验和紧凑拉伸试验。试验步骤为17：按照要求加工样品尺寸并预制疲劳裂纹。用多试样法要求试样数量最少为6个，试验中将6个试样分别加载到产生不同的位移。对第一个试样要加载到对应于刚超出最大载荷时的位移值，之后将载荷恢复至零，并同时记 录试样的载荷一位移曲线，位移的测量需用引伸计；试样失稳断裂后，取出试样，放入冷冻箱冷冻；在试验机上快速压断冷冻后的试样，然后对断口进行烘干处理以及后续测量；通过机械加工从断裂试样上取下断口，测量原始裂纹长原和裂纹扩展后长度，确定 CTO

13、D 值；按照标准处理数据，得出材料的断裂韧度。对数值的处理，国际上使用最多的是BS 7448 标准。裂纹尖端张开角方法(CTOA)邱目前。TOA的定义都以试验测量结果为基础,其中一个常用的是以距瞬时裂尖后部特定 距离处裂纹两侧边之间的距离来确定：CTOA=2arctan(8/2x)式中：a为裂尖后部一定距离x处的裂尖张开位移。CTOA与CTOD定义如图1所示CTOA 判据是通过计算裂纹扩展过程中每一时刻的最大裂纹尖端张开角amax值，并与材料的临界裂 纹尖端张开角ac进行比较来判断管道裂纹是继续扩展还是止裂。若amaxac，则裂纹扩展;若 amaxac,则裂纹停滞。图2 CTOD及CTOA示意

14、图具体方法使用比较多的是双悬臂梁试件的紧凑拉伸实验和美国西南研究院的双试件法。 但其对于中高韧度的材料结果不是很理想。ASTM E2472中规定的方法为双悬臂梁试件的紧凑拉伸试验，用来测试准静态CTOA值。图3双悬臂梁试件的紧凑拉伸试验其具体步骤为：按照要求加工样品尺寸并预制疲劳裂纹。若使用间接法测量角度则需要在试样表面画 出1mm X 1mm的网格。对样品进行加载，并用摄像装置记录裂纹扩展情况，试验过程中时记录试样的载荷一 位移曲线，位移的测量需用引伸计。试样失稳断裂后，停止加载，通过测量开裂后裂纹两侧线条的角度来测量TOA，如图3 所示。图4 CTOA的测量无论是CTOA还是C TOD都是

15、准静态测试，测试出的断裂韧度最主要的作用还是反映原 材料的冶金质量和热加工质量，并为工程设计时的选材提供参考。其结果并不完全代表钢管 的现场止裂能力。最可靠的方法仍然是全尺寸爆破试验。参考文献1冯耀荣，高惠临,霍春勇,等.管线钢显微组织的分析与鉴别M.西安:陕西科学技术出版 社,2008.孔君华.高钢级X80管线钢工艺、组织与性能的研究，华中科技大学博士论文，2005.刘桓，高惠临，丁学光，焊接热循环对X80管线钢粗晶区组织性能的影响，焊接-切割， 2007,36（7）： 4Araki T, Kozasu I, Tankechi H, et al.Atlas for Bainitic Miro

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