不同厚度國產X100高鋼級管線鋼的斷裂韌性

馬秋榮，張 騰，李 鶴，劉小峰

（1.中國石油集團石油管工程技術研究院，西安710065；2.西安交通大學材料科學與工程學院，西安710049；3.中國石油天然氣管道局第三工程分公司，中牟451450）

0 引 言

管線鋼主要用來制備輸送石油、天然氣的鋼管，有些石油、天然氣產地分布在寒冷的極地、高原凍土地帶，這對管線鋼的性能提出了更高的要求，比如良好的低溫韌性、斷裂韌性、止裂韌性、抗H2S腐蝕性、焊接性和抗大應變能力等。

裂紋尖端張開位移（CTOD）是評價鋼材斷裂韌性的一個重要參量［1］。CTOD的大小反映了材料抵抗開裂的能力［2－3］，與試樣厚度、試驗溫度、裂紋取向和加載速率有關。一般而言，隨著試驗溫度的降低材料的韌性下降，發生脆斷的機率變大。除此之外，人們發現當試樣的厚度發生變化時，CTOD也會發生變化。油氣輸送用鋼管的壁厚一般較薄，制備出的試樣尺寸較小，在試樣變形和斷裂過程中往往處于彈塑性范圍，不同的試樣厚度，測得的CTOD（斷裂韌性特征值δ0.2）也可能不同，這就會對判斷裂紋的穩定擴展、失穩擴展等產生影響。X100管線鋼是我國新開發的管線鋼，有關此方面的研究還不全面，為此，作者研究了試樣厚度對其斷裂韌性特征值δ0.2的影響。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料選用國產X100直縫埋弧焊管，其尺寸為φ1 016mm×18.6mm，化學成分如表1所示，力學性能如表2所示。

用裂紋尖端張開位移試驗測定裂紋尖端阻止裂紋擴展的能力。CTOD試樣取自鋼管管體，取樣方向為管體橫向，在室溫條件下進行試驗。在預制疲勞裂紋之前先用線切割沿厚度為12，10，8mm試樣，在寬厚中心處加工缺口，缺口深度分別為9，7，5mm；然后在常溫下采用疲勞的方式預制出裂紋，預制裂紋長度為3mm，如圖1所示。

表1 X100直縫埋弧焊管的化學成分（質量分數）Tab.1 Chemical composition of X100SAWL pipe（mass）%

表2 X100直縫埋弧焊管的力學性能Tab.2 Mechanical properties of X100SAWL pipe

圖1 不同厚度CTOD試樣及預制裂紋尺寸示意Fig.1 Abridged general view for CTOD samples with thicknesses of 12mm （a）10mm （b）and 8mm （c）and size of cracks

將預制好疲勞裂紋的試樣采用三點彎曲試驗方法在CSS－88100型材料試驗機上進行試驗，加載速度為0.5mm·min－1，通過夾式引伸計采集裂紋尖端兩側的張開位移。試驗中將試樣分別加載到所需的位移，然后停機，將試樣壓斷，測量斷口上的初始裂紋長度a0和擴展后的裂紋長度a，求出裂紋擴展量Δa；通過試驗過程中的載荷和位移曲線及P－V曲線計算得出CTOD值；最后擬合出裂紋擴展阻力曲線（δR－Δa），根據擬合的阻力曲線得出斷裂韌性特征值δ0.2。

2 試驗結果與討論

2.1 裂紋擴展阻力曲線及斷裂韌性特征值

根據圖2可以擬合出裂紋擴展阻力曲線公式，然后計算出室溫下厚度為12，10，8mm試樣的δ0.2分別為0.323，0.267，0.265mm。表3給出了不同厚度試樣裂紋擴展阻力曲線擬合的函數關系。

圖2 不同厚度試樣的裂紋擴展阻力曲線及斷裂韌性特征值δ0.2Fig.2 Crack growth resisitance curves andδ0.2 for samples with different thicknesses

表3 不同厚度試樣裂紋擴展阻力曲線擬合的函數關系Tab.3 Function relation of crack propagation resistence curves for different thickness samples

2.2 斷口形貌

CTOD試樣有兩種典型的斷口：失穩試樣斷口和未失穩試樣斷口。由圖3可見，未失穩試樣的斷口由四部分組成，分別為黑色的機加工缺口、灰色的預制疲勞裂紋區、較深色的鈍化及穩定裂紋擴展區和銀白色的壓斷區。鈍化區及穩定裂紋擴展區可用肉眼分辨出來。

圖3 12mm厚CTOD試樣斷口的宏觀形貌Fig.3 Macrograph of fracture of CTOD sample with thickness of 12mm

2.3 斷裂韌度與試樣厚度的關系

試樣的厚度影響裂紋尖端附近的應力狀態，進而會影響裂紋開始擴展時的應力強度因子臨界值（即斷裂韌度）Kc。試驗證明，當試樣足夠厚時，除兩個自由表面一小部分處于平面應力狀態外，絕大部分處于平面應變狀態，平面應力狀態所占比例極小，可以略去不計，所以可認為試樣全部處于平面應變狀態。用這種試樣所測得的斷裂韌度稱為平面應變斷裂韌度，對于I型裂紋用KIC表示，如圖4所示［4］。當試樣厚度B較小時，斷裂韌度升高。

在線彈性和小范圍屈服條件下，裂紋尖端張開位移δ與應力強度因子KI有如下關系［4］

式中：υ為泊桑比；E為材料彈性模量；σys為屈服強度。

2.4 斷裂形式的厚度效應

圖4 斷裂韌度與試樣厚度的關系Fig.4 Relationship between fracture toughness and thickness

塑性區的大小取決于裂紋尖端附近的應力狀態。平面應變情況下的塑性區比相應的平面應力情況下的塑性區要小，這是因為材料的斷裂韌度和斷裂前能夠發生塑性變形的材料的體積有關，而該體積又和試樣的厚度有關，所以斷裂韌度也與厚度有關，如圖4所示。當試樣厚度很薄（如厚度為B0）時，作用于裂紋尖端處的塑性約束很小，平面應力狀態占優勢，材料表現出最大的斷裂韌度；隨著試樣厚度進一步增加，斷裂韌度將逐漸下降，因為可以吸收塑性變形能的材料體積更少了。如果增加厚度以便在裂紋尖端處產生塑性約束和平面應變狀態，那么斷裂韌度也將急劇下降到平面應力情況下的三分之一（或更少）。這個低水平斷裂韌度（平面應變斷裂韌度KIC）的一個重要特點是它不再隨著厚度的再增大而進一步下降。因此，在任何工程應用中，都可以把這個值當作材料斷裂韌度的保守下限。對于某種材料來說，一旦在實驗室中用厚度至少為Bs的試樣測出了KIC，那么比Bs厚得多的工程構件的斷裂韌度也應是KIC。簡言之，平面應力斷裂韌度KC和材料的冶金參數有關，也和試樣的幾何尺寸有關，而平面應變斷裂韌度KIC只依賴于材料的冶金參數。根據材料各自固有的斷裂韌度水平來比較不同厚度材料的最好辦法是比較它們的KIC值，因為這樣可以避免厚度的影響。

由于應力狀態對斷裂韌度的影響和塑性區相對于厚度的大小有關，所以用ry／B來表示應力狀態的變化具有實際意義，其中ry是用下式給出的平面應力塑性區公式計算得到的［4］。

式中：ry為塑性區尺寸；K為應力強度因子；σys為屈服強度。

經驗表明，當ry／B≥1時，平面應力狀態占優勢，斷裂韌度高；當ry／B＜1／10時，將出現平面應變狀態。在這兩種情況下，產生平面應力狀態或平面應變狀態所必須的厚度都和材料的屈服強度有關，因為對任意給定的應力強度因子水平，屈服強度將決定ry。顯然，厚度很小的高屈服強度材料仍然可能產生平面應變狀態，而厚度很大的低屈服強度材料卻可能永遠不會產生完全的平面應變狀態。

在許多工程材料中都可發現斷裂形式的轉變。如果斷裂表面完全是平的，則平面應變狀態可能占優勢，測出的斷裂韌度低；如果斷裂表面完全是斜的或剪切型的，則平面應力狀態可能占優勢，從而產生韌性的破壞。顯然，混合的斷裂形貌反映了中等的韌性狀態。

對于管線鋼來說，一般鋼管壁厚較小，材料韌性較高，基本都顯示出平面應力狀態。對于本試驗材料，按照測試的CTOD值可以計算出裂紋尖端的塑性區尺寸基本在12～17mm范圍內，塑性區尺寸的大小與管線鋼厚度基本相當，此時試樣厚度的變化對測試得到的結果影響相對較大。因此，在測管線鋼的CTOD值時，應盡量采用與實際鋼管壁厚相當的試樣厚度，以保證測試值更接近鋼管的實際情況，這對判斷鋼管的缺陷容限和斷裂韌度具有實際指導意義。

3 結 論

（1）厚度分別為12，10，8mm的X100直縫埋弧焊管的斷裂韌性特征值δ0.2分別為0.323，0.267，0.265mm。

（2）在對管線鋼進行CTOD測試時，應盡量采用與實際鋼管壁厚相當的試樣，以保證測試值更接近鋼管的實際值。

［1］RICE J R，TRACEY D M.On the ductile enlargement of voids in triaxial stress field［J］.Journal of the Mechanics and Physics of Solids，1969，17（3）：201－217.

［2］苗張木，吳華方.海洋結構鋼韌性問題與CTOD試驗技術［J］.結構鋼，2008，23（2）：18－22.

［3］GUO W，DONG H，LU M，et al.The coupled effects of thickness and delamination on cracking resistance of X70pipeline steel［J］.International Jounal of Pressure Vessels and Piping，2002，79：403－412.

［4］鄧增杰，周敬恩.工程材料的斷裂與疲勞［M］.北京：機械工業出版社，1995：6－19.