dc试样异常断口形貌分析

dc试样异常断口形貌分析

0异常断口问题原油和天然气行业广泛采用沉降轴（ddtt）试验，研究了管道钢的沉降性能。根据试验标准的规定,有效试样是指整个断裂面呈现延性断裂的试样或缺口根部呈现解理断裂的试样。如果缺口下的断裂为延性断裂接着转化为解理断裂,则试样无效,其断口称为异常断口。高强度、高韧性管线钢在用DWTT试验方法进行检验时,异常断口时有发生。自20世纪70年代出现DWTT试样的异常断口问题以来,研究人员对其产生的原因和消除方法已进行了大量的研究,提出了许多消除异常断口的办法,虽然在一定程度上可以减少异常断口的产生,但限于断裂理论的发展,并未找出产生异常断口的真正原因,问题未获得圆满的解决,常常是不加区别地将异常断口试样作为无效试样,将其从试验结果中剔除。采用这种处理方法得到的试验结果进行管线设计和安全评定,会存在很大的事故隐患。近年来随着输气管线用管的直径越来越大,输送工作压力越来越高,对管材的强度和韧性要求也越来越高,异常断口问题又成为管道安全评价中的一个突出问题。如何对异常断口进行客观地评价,准确地判断管材的止裂能力,对保证大直径、高输送压力管线的安全具有重要意义。笔者基于三维断裂理论,考虑试样变形、材料性能和断裂的耦合作用,对高性能管线钢DWTT试样异常断口进行了详细的试验研究分析。1异常断口形貌DWTT试样有较长的裂纹扩展路径,试样会出现不同的断裂类型。常规钢材,压制缺口使缺口周围材料脆化足以使其脆性起裂;韧性较高的材料,即使压制缺口过程使材料脆化,也不能使试样在缺口根部脆性起裂。韧性起裂是异常断口产生的先决条件,只有管线钢的韧性超过一定水平后,DWTT试样缺口根部才可能韧性起裂。不同壁厚的高强度、高韧性管线钢DWTT试样均有可能产生异常脆性断口,图1为X70级不同壁厚管材DWTT试样的异常断口。异常断口中缺口根部附近没有发生脆性断裂,断裂面上断裂的形式由韧性转变为脆性。图2为X70级管线钢不同缺口形式试样出现的异常脆性断口。高强度、高韧性管线钢在实际试验中,“人”字型缺口并不能完全抑制异常断口的产生,即使更尖锐的线切割缺口也不能完全消除异常断口的产生。试验也表明:含有背槽DWTT试样,背槽的存在并不能减小试样的起裂功,仅对载荷位移曲线的尾部有明显的影响,在一定程度上减小了锤击侧的三维应力约束,降低了产生解理断裂的可能性。但由于填充背槽的高强钢垫片直接作用于背槽底部,使锤头作用的影响深度更大,又使其产生解理断裂的可能性增大。所以,无论是压制缺口或是人字型缺口,均可产生异常断口。因此,在试样背部加背槽对消除异常断口是无效的。根据DWTT试样断口中脆性区产生的原因不同,常见的异常断口形貌可分为三类:第一类异常断口是试样韧性起裂后,经历较长的韧性稳定扩展,在韧性裂纹扩展接近锤击边时,仅在锤击区域产生孤立的脆性断裂形貌区,如图3(a)所示。这种断口一般出现在试验温度高于韧脆转变温度,或韧脆转变温度范围偏于温度较高的一侧。其断口特点是仅在接近锤击侧时试样断口的展宽急剧增加,脆性断裂形貌区从厚度急剧增加处开始。第二类异常断口是试样韧性起裂后,经历韧性稳定扩展,一般在韧性裂纹接近或超过试样原始部后,转变为脆性断裂直至试样破坏,脆性面积较大,如图3(b)所示。这种断口一般出现在韧脆转变温度附近偏于温度较低一侧。其断口特点是脆性断裂处试样厚度明显大于试样的原始厚度,愈接近锤击侧试样厚度增加愈大。这是因为锤头和弯曲作用使试样锤击附近产生较大的压缩变形,并使材料韧性劣化。试样的断口表现为韧性起裂,可能是经过多次止裂和起裂过程,当裂纹进入压缩变形区后,材料韧性劣化程度足以使断裂以解理方式重新起裂时,试样将以解理断裂形貌重新起裂。由于解理断裂所需要的能量较小,此时试样的内能足以使试样完全断裂。第三类异常断口是缺口根部和锤击侧均为韧性断裂形貌,仅在试样中部的核心部位产生脆性断裂区,如图3(c)所示。此类异常断口与前面两类有本质不同,解理断裂区出现在接近缺口区,出现脆性断裂形貌处并不在试样的受压区,且锤头对该处的影响也非常小,试样厚度并没有增加。压制缺口过程使缺口根部材料韧性劣化,并未使试样脆性起裂,裂纹在试样的内能和锤头的共同作用下以韧性断裂方式起裂。随着裂纹的扩展,试样中的内能减小,锤头作用于试样的压力也减小。当试样的内能和锤头所做的功小于裂纹扩展所需要的能量时,裂纹止裂。止裂后锤头继续做功,试样重新起裂,但试样重新起裂不是以缺口形式起裂,而是以比缺口尖锐得多的裂纹形式起裂。缺口的尖锐度对缺口根部的应力状态有明显影响,缺口越尖锐,缺口尖端的应力越大,应力变化的梯度也越大,从而在裂纹尖端的试样厚度中部产生非常高的三向拉应力状态。材料在断裂过程中的韧脆状态与应力状态有关,越接近试样表面,裂纹尖端的应力三轴性越小,越易产生塑性变形,从而在试样接近表面处产生延性断裂形貌,而在试样厚度中部产生解理断裂形貌。第二类异常断口的解理区主要是裂纹穿过前,试样材料的韧性劣化所产生的,而第三类异常断口是由于裂纹扩展过程中,裂尖应力状态发生变化产生的。第二类异常断口的解理区面积较大,试样边缘剪切唇很小或几乎不产生剪切唇,试样一旦产生解理断裂,止裂的可能性很小,而第三类异常断口的解理区一般仅限于试样厚度的中心部位且面积相对较小,在接近试样的边缘有较宽的剪切唇,试样产生解理断裂后,由于有较大的剪切断裂,试样还有可能经过多次止裂、起裂过程,最后试样才完全断开。第三类异常断口试样的残余厚度与第二类异常断口的残余厚度明显不同,其大于试样原始厚度部分比第二类异常断口小得多,而且也比第一类异常断口的小,仅限于锤击侧很小范围。2异常中断原因2.1断裂试验结果的讨论加载处塑性区随着载荷增加逐渐扩大,除沿水平方向扩展外,主要沿韧带向缺口方向扩展材料强度越高,韧性越好,缺口起裂载荷越大,塑性区沿韧带深度方向越深,距离加载处越近,塑性变形程度越大。锤头作用点材料的屈服区大小沿厚度方向是变化的,屈服区面积在厚度中面最小,随着离中面距离的增加逐渐增大,试样表面最大试样上表面的屈服区基本在压头直接作用的范围以内,随载荷增加,试样上表面塑性区增大,同时沿试样的韧带方向扩展。当载荷增大到一定值时,锤头的作用面积不再增加,塑性区主要沿韧带向下扩展。如果试样材料的强度和韧性很高,试样起裂前的载荷就很高,加载过程中锤头作用点的局部压力就很高,加载点的下方产生很大的塑性区,该塑性区有可能接近中性层或达到中性层以下。因此,在试验温度较高时,高强度、高韧性试样在断裂阶段裂纹扩展所穿越的大部分是已产生很大压缩变形的区域,该区域材料性能已与材料的原始状态不同。图4为DWTT试样断裂过程变形和位移的几何关系。试样在断裂过程中,受到锤头的冲击,变形和断裂主要集中在跨中。试样在断裂过程中,由于图中涂黑部分材料的存在,左右两部分必然要分别向左右产生水平位移。然而,由于锤头的作用,支座产生支座反力,并产生与位移方向相反的水平摩擦力。水平方向的作用力使试样承受水平压力,试样产生压缩变形,厚度增加。韧性起裂试样在裂纹起裂前,锤头作用载荷较大且作用时间较长,试样承受较大的水平挤压力,几何位置变化。试样除了承受摩擦力引起的水平挤压力外,更大的挤压力来自支座对试样的水平作用。水平挤压对剩余断面的挤压作用越大,产生的材料压缩程度越大,从而使试样的剩余断面产生较大的厚度增加。第一类异常断口出现在韧脆转变温度以上,这类断口的脆性区与其它种类异常断口的脆性区明显不同,其试样断裂的力学过程也明显不同于其它种类异常断口试样断裂的力学过程。由于韧性较高,试样韧性起裂并扩展,断裂初始进入锤击影响区时,锤击对材料产生的形变硬化和厚度的增加还不足以使其裂纹扩展状态发生变化,因此,在断口上可观察到韧性裂纹进入锤击和弯曲引起的厚度增加区域(即形变硬化非常大的区域)。形变硬化和试样厚度增加,还不足以使其裂纹扩展状态改变,但此时试样已产生了较大的变形。随着锤头位移的进一步增加,试样的受力状态将发生改变,试样断裂面经历了压弯、纯弯、拉弯和最后的拉伸阶段,挤压使试样厚度和形变硬化进一步增加,但该硬化与锤头冲击试样产生的硬化存在本质的不同。最后阶段压头作用点改变,试样最后被拉断。试样断面所受到的挤压与支座的摩擦力和试样对支座的压力有关,支座摩擦阻力和支座反力越大,挤压硬化程度越大,产生第一类异常断口的可能性越大。这类试样断口的最后断裂区厚度明显增大,产生孤立的脆性断裂区,而试样与支座接触面有明显的划痕,如图5所示。2.2锤击裂裂型大尺寸试样的自对于韧性较高的材料,试样韧性起裂,裂纹由锤头的作用和弹性应变能驱动,首先穿过压制缺口时产生的形变硬化区。该区域裂纹扩展时裂尖应力高,扩展速度快,扩展过程中所消耗的弹性应变能所占比例较大,锤头对试样做功相对较小裂纹随着试样弹性应变能的减小而减速或止裂随着锤头继续对试样加载,裂纹尖端钝化,试样变形增大,内能增加。当试样内弹性能增加到一定程度,试样在锤头载荷作用下,又以韧性断裂的方式重新起裂。此时,起裂载荷(或应力)和裂纹扩展速度与前一次均不同。因为,韧性裂纹扩展速度与试样中的应力有关,应力越小,则速度越小如果落锤试验机锤头的质量较小,且试样的韧带足够长,上述裂纹止裂和起裂及扩展过程可能重复多次。在韧脆转变温度附近,材料性质稍有变化,就可能使断裂由韧性变为脆性。在上述裂纹止裂和起裂及扩展过程中,根据裂纹穿过试样时裂尖的应力状态、材料的力学性能、试样的有效厚度等因素的不同,可能以韧性发生起裂,也可能以脆性方式起裂,产生的异常断口主要是第二类和第三类异常断口。异常脆性断裂区的出现与否,以及出现后脆性区的大小,与材料本身的组织结构、力学性能以及缺口形式有关。材料韧性越好,缺口越钝,试样在破坏过程中锤头的冲击力越大,导致试样锤击侧所受的压应力就越大,且高应力范围越大,裂纹达到前形变硬化区和硬化程度就越大,锤击侧脆性断裂区就越大。3降低试样变形硬化程度,减轻试样起裂载荷压制缺口试样比“人”字型缺口试样更容易产生异常断口,因为压制缺口试样比“人”字型试样起裂更困难,试样起裂前受到的冲击力更大,其作用时间也更长。因此,试样上部受到的压缩变形就更大,材料的韧性劣化程度和范围也越大,锤击侧更易产生脆性断裂形貌,形成异常断口。采用“人”字型缺口或线切割缺口,可以降低试样断裂过程中所承受的最大载荷,减小锤击在试样背部产生的变形硬化范围和程度,可以大大降低第二类异常断口产生的可能性。要减少或消除第一类异常断口的产生,就要降低试样断裂最后阶段横向力对试样的挤压硬化程度。采用可转动的圆柱支座代替现有落锤撕裂试验机的固定圆柱支座,可降低试样变形过程中的横向约束。降低试样的横向约束还可以降低试样的起裂载荷,降低和减小试样起裂前锤击冲击力对试样锤击侧变形硬化的程度和范围。第三类异常断口产生解理断裂形貌是由于试样断裂过程中,裂尖应力状态发生变化而产生的。这种断裂形貌的转变在实际管道断裂过程中是会产生的。高韧性管线钢的小尺寸试样和管道全尺寸试验表明,韧性断裂过程中裂纹的扩展速度不是一成不变的,整个断裂过程由许多起裂、扩展和止裂的小过程构成。即使在韧性远低于止裂韧性的管道中,也会出现明显的裂纹减速和止裂现象。第三类异常断口的产生是由材料本身的力学性能所决定的,是材料本身所具有的断裂特性,在试验过程中没必要、也是不可能消除的。4考虑尺寸的异常断口试验异常断口的产生是落锤的冲击力和由锤击力产生的弯曲在锤击侧形成的形变硬化、试样有效厚度增加、材料韧性劣化及裂尖三维应力状态变化等因素造成的。根据对试样断口和全尺寸管道爆破试验断口的比较分析,DWTT试样第一类和第二类异常断口的解理断裂部分,与全尺寸管道爆破试验断口的解理断裂存在根本的区别。全尺寸管道爆破试验的解理断裂一般发生在韧脆转变温度以下,其断口的塑性变形很小。第一类和第二类异常断口往往出现在韧脆转变温度附近或韧脆转变温度以上,解理断裂部分受压塑性变形很大,试样解理区厚度明显大于试样的原始厚度,如图6(b)所示。第一类和第二类异常断口的断裂现象在实际管道断裂中是不可能出现的,DWTT试样残余厚度增加是试验过程中,锤头冲击、弯曲引起局部压缩产生的。第三类异常断口的出现与缺口形式和试验方法无关,表现了材料本身的力学性能,在实际管道的断裂过程中是有可能出现的,改变缺口形式和试验方法不可能消除此类异常断口。产生第三类异常断口的试样材料的韧性一般比产生第一类和第二类异常断口试样材料低,与产生第一类和第二类异常断口试样相比,试样起裂载荷较小,起裂前载荷作用时间也较短,试样变形也较小。第一类异常断口的解理断裂形貌区孤立产生于接近锤击侧区域,一般面积和范围较小,通常位于试样一个厚度(或19mm)的长度范围内,即位于锤击的影响范围内。因此,可以将第一类异常断口试样作为有效试样,参照现行试验标准来处理,锤击侧的解理区不包含在有效评价区内,目前在实际工程中也是这样处理的。根据现行的试验标准无法对第二类异常断口进行评价,因为产生第二类异常断口的试样,裂纹穿过时断口大部分有效评价区已经历过较大的塑性压缩变形,其材料的力学性能已发生变化,不必再评价材料的性能,而这种变化在实际管道的断裂过程中是不存在的。评价时,必须通过改变试样的缺口形式或对试验过程进行修正,降低试样起裂前承受的最大载荷和载荷作用时间,减小试样的变形,从而降低试样压缩变形的程度,避免出现第二类的异常断口。第三类异常断口的解理断裂形貌区出现于试样韧性起裂、裂纹扩展一段距离后的重新起裂,该韧性扩展段一般较小,最初的韧性扩展并不能真正反映材料的止裂能力。而裂纹韧性扩展止裂后的重新起裂,裂纹所经过的区域在试样的断裂过程中或之前并未承受过大的压缩变形,其韧脆状态与所评估材料的止裂能力有关。因此,这部分断口的剪切面积百分数可以用来评价材料止裂的能力,而起始阶段断口的剪切面积并不代表材料原始的止裂能力,不应计入评价断口有效剪切面积之内。断口评价时,可将第三类异常断口试样作为有效试样,按照试验标准剔除一个试样厚度尺寸的缺口影响区。一般情况下,缺口根部韧性起裂区的剪切面积不包含在有效评价区内。即使缺口根部韧性区的长度大于试样的厚度(或大于19mm),大于部分的剪切面积