δ5間接測量法測試管線鋼止裂韌性CTOA試驗研究

劉 冬，李榮鋒，邱保文，陳士華，吳立新

（武漢鋼鐵（集團）公司研究院，湖北 武漢 430080）

δ5間接測量法測試管線鋼止裂韌性CTOA試驗研究

劉 冬，李榮鋒，邱保文，陳士華，吳立新

（武漢鋼鐵（集團）公司研究院，湖北 武漢 430080）

為解決多數實驗室不具備δ5專用夾式引伸計而無法實現δ5間接測量法對裂紋尖端張開角CTOA的測試問題，該文另辟蹊徑借鑒直接法測試CTOA中的數值圖像相關方法，通過工業攝像機采集試樣撕裂過程圖像，然后在圖像上直接測試δ5和裂紋擴展量Δa，進而求得裂紋尖端張開角CTOA。采用該方法重點測試3件X80管線鋼試樣的穩態裂紋擴展階段臨界CTOA值（CTOA）c，并依據試驗斷裂形式從原理上分析試驗結果的有效性，確認被測X80管線鋼的（CTOA）c為10.32°。

固體力學；裂紋尖端張開角；δ5間接測量法；止裂韌性；管線鋼

0 引 言

20世紀70年代至今，國內外已開展了大量關于管線鋼延性斷裂止裂韌性的研究。通過試驗及理論分析發現，裂紋尖端張開角（crack tip opening angle，CTOA），形象直觀，測試過程簡單，可以滿足高強度、高韌性管線鋼止裂韌性預測的需要，被認為是一種具有發展前途的止裂韌性參數[1-3]。目前采用國家標準GB/T 24522—2009《金屬材料 低拘束試樣測定穩態裂紋擴展阻力的試驗方法》測試裂紋尖端張開角CTOA；其中，推薦采用的4種CTOA測試方法為穩態撕裂時直接測量法（光學顯微和數值圖像相關方法）、試驗后測量（顯微形貌法）、有限元法和通過δ5間接測量。現階段，已有大量采用穩態撕裂時直接測量法及有限元法的文獻報道，但是采用試驗后測量及通過δ5間接測量的方法少有研究[4-5]。本文主要采用δ5間接測量法來測試管線鋼止裂韌性CTOA，研究該方法在管線鋼止裂韌性CTOA試驗中的適用性。

1 δ5間接測量法原理

J.Heerens和M.Sch?del[6]研究發現，δ5-R阻力曲線與CTOA之間存在一定的相關性。如圖1所示，隨著穩態裂紋擴展量Δa的增長，預制疲勞裂紋尖端張開位移CTOD也在增加，在預制疲勞裂紋尖端5mm原始標距處測量的位移δ5也相應增加。如果δ5的增量與CTOD的增量相等，那么δ5-R曲線的斜率即為裂紋尖端張開角CTOA，如式（1）所示：

圖1 δ5間接測量法原理圖

2 試驗設備及材料選擇

試驗在MTS810-25型液壓伺服材料試驗機上進行。δ5的數據采集國家標準GB/T 24522—2009中推薦采用一種特殊的δ5夾式引伸計，需要特別定制，如圖1所示。本文中采用標準認可但并未詳述的一種數值圖像法測試δ5，并采用北京航空航天大學研制的CM-01型穩態裂紋測試系統。該系統通過高速攝像機對CTOA試驗過程進行連續圖像采集，再通過采集到的圖像分析δ5的實時變化數據。

試驗選用材料為X80管線鋼，其力學性能指標分別如表1所示。試樣加工標準緊湊拉伸試樣，參照標準GB/T 24522—2009。

表1 試驗用X80管線鋼的力學性能

3 試驗過程

試驗前準備3件加工好的X80管線鋼緊湊拉伸試樣，首先將試樣夾持到MTS810-25型液壓伺服材料試驗機上，通過COD規控制預制5mm疲勞裂紋，然后在預制疲勞裂紋裂尖上、下2.5 mm處粘貼δ5標簽，調整CM-01型穩態裂紋測試系統的攝像機位置，通過調焦及調整放大倍數，使得裂紋尖端及剩余韌帶部分在視場內清晰可辨。設置圖像采集頻率為3幀/s，通過位移控制試驗加載方式，加載速率為5mm/min。開啟拉伸試驗程序的同時開啟圖像采集程序，直至拉伸試驗結束，停止圖像采集。試驗結束后，通過CM-01型穩態裂紋測試系統自帶裂紋測量軟件對各過程對應照片上裂紋擴展量Δa進行測量，δ5的測量通過測試標簽兩圓心的間距實現，如圖2所示。

圖2 Δa與δ5的測試示意圖

4 試驗結果與分析

3件X80管線鋼緊湊拉伸試樣采用δ5間接測量法測試后，對試樣撕裂全過程采集圖像進行分析測量，測得各階段的裂紋擴展量Δa及δ5，繪制δ5-R阻力曲線，如圖3所示。從圖中可以看出，在試樣拉伸撕裂過程中，隨著裂紋擴展量Δa的增加，δ5基本呈線性增加趨勢。試樣S01與試樣S02、S03的變化趨勢略有不同，其斜率略大于試樣S02、S03。

圖3 X80管線鋼緊湊拉伸試樣的δ5-R阻力曲線

根據式（1）結合δ5-R阻力曲線各點原始數據，可以求得各階段采集圖片上CTOA值，繪制CTOAΔa阻力曲線，如圖4所示。3件試樣CTOA值在裂紋擴展初期均較大，隨著裂紋擴展量的增大，CTOA值逐漸趨于平穩。標準GB/T 24522—2009定義該平穩階段的CTOA值為穩態裂紋擴展階段臨界CTOA值（CTOA）c，用該值表征材料的止裂韌性。同時，標準GB/T 24522—2009還給定了（CTOA）c的計算范圍，Δamin為（CTOA）c的下限，為CTOA達到穩定值后的對應的Δa，而Δamax為（CTOA）c的上限，是CTOA測量不受試樣幾何形狀及厚度影響的最大裂紋擴展量，對于緊湊拉伸試樣，由式（2）求得：

圖4 X80試樣有效計算范圍的δ5-R阻力曲線及擬合直線

其中：W——試樣寬度；

a0——試樣初始裂紋長度。

本次試驗預制疲勞裂紋后，測量初始裂紋長度為72.5mm，試樣寬度為150mm。根據式（2）得到Δamax= 19.375mm，Δamin根據3條曲線趨勢判斷約為10mm，對圖3中位于該有效計算區間的測試曲線進行線性擬合，擬合直線斜率分別為0.18，0.16，0.14，換算成角度，得到3件試樣（CTOA）c分別為10.32°，9.17°，8.13°。

3件試樣均為管線鋼X80，且試樣尺寸完全一致，但測試（CTOA）c結果卻存在較大偏差，主要由于試樣在撕裂過程中斷裂形式不一致。理論上講，金屬材料的韌性斷裂過程主要是其中非金屬組成以及第二相顆粒之間的微觀孔隙的成核、生長以及合并的過程。最大塑性應變平面是孔隙合并的優先位置，因此，±45°方向平面是裂紋初始變形最先開始的位置。另外，隨著載荷的增加，0°方向發生頸縮最嚴重，這就加速了裂尖的孔隙合并，從而導致裂紋擴展，因此，試樣最薄的位置也是裂紋擴展的方向之一，即0°方向[7]。

根據這一理論，國內外專家學者得出了管線鋼在撕裂過程中的3種斷裂形式[7-8]：1）平面斷裂（0°方向）；2）剪切斷裂（±45°方向）；3）混合斷裂（既有平面斷裂，又有剪切斷裂）。管線鋼材料在撕裂試驗中可能發生多種形式的斷裂。

圖5～圖7分別為試樣S01、S02、S03裂紋擴展量達到約17.5mm時裂紋輪廓形貌。從3幅圖中可以看出，3件試樣斷裂形式均為混合斷裂，在裂紋擴展初期均發生了±45°方向的剪切斷裂，試樣S01剪切斷裂階段很短，迅速轉入平面斷裂形式，而試樣S02、S03剪切斷裂階段較長，基本上在裂紋擴展量超過10mm后才進入平面斷裂形式。剪切斷裂形式的長期存在導致裂紋擴展路徑發生了偏轉，偏離了初始預制裂紋平面，圖5～圖7中橫線為初始預制平面，裂紋擴展約17.5mm后，裂紋尖端所處平面與初始預制疲勞裂紋平面偏轉角分別為0.79°，19.66°，22.39°。對照之前3件試樣（CTOA）c測試結果可以看出，裂紋擴展平面與初始預制疲勞裂紋平面偏轉角越大，裂紋上、下輪廓線彎曲越嚴重，測試臨界CTOA值（CTOA）c越小。由此可以判斷，這種偏轉嚴重影響了（CTOA）c的測試準確性，為保證測試結果的有效性，該偏轉角不能過大。標準GB/T 24522—2009指出：“當初始平直疲勞預制裂紋面與偏離的擴展裂紋面夾角超過10°時，試驗結果無效。”本次試驗結果恰好驗證了標準中該條列提出的合理性，同時可以確定試樣S01測試結果滿足該測試有效性判據，為管線鋼X80試樣測試（CTOA）c有效值。

圖5 試樣S01裂尖相對試樣中心線偏轉角圖解

圖6 試樣SO2裂尖相對試樣中心線偏轉角圖解

圖7 試樣SO3裂尖相對試樣中心線偏轉角圖解

這種裂紋擴展路徑的偏移嚴重影響了（CTOA）c的測試，帥健、陳福來等[9]研究發現，對試樣進行減薄可以盡可能避免裂紋擴展路徑的偏移。但管線鋼材料往往表面強度及韌性等性能優于內部，如果對試樣減薄后測試，得到的（CTOA）c不能真實反映管線鋼材料實際使用時的止裂韌性，導致測試結果偏于保守。因此必須考慮在保證測試結果真實有效反映材料止裂性能的前提下，盡可能得到較長的穩定的裂紋擴展階段。今后的研究重點將考慮從試樣幾何形態設計及試驗加載方式等方面進行改進，以保證讓原板厚CTOA試樣裂紋擴展路徑盡量不發生偏移。

5 結束語

1）有別于國外采用專門的δ5引伸計測試CTOA，本文采用光學方法，通過數值圖像測試δ5，從而實現管線鋼X80的CTOA測試。

2）采用δ5間接測量法測試CTOA過程中，隨著裂紋擴展量Δa的增加，δ5基本呈線性增加趨勢。在有效測試區間內，測試得到3件X80管線鋼試樣穩態裂紋擴展階段臨界CTOA值（CTOA）c分別為10.32°，9.17°，8.13°。

3）通過3件管線鋼X80試樣撕裂試驗過程中斷裂形式的分析，確定剪切斷裂形式的存在導致裂紋擴展平面相對初始預制疲勞裂紋平面發生了偏轉，影響了（CTOA）c測試結果的準確性。依據國標GB/T 24522—2009中規定，該偏轉角大于10°時，試驗結果無效，由此確定試樣S01測試結果滿足有效性判據，10.32°為管線鋼被測X80試樣測試（CTOA）c有效值。

[1]帥健，張宏，王永崗，等.輸氣管道裂紋動態擴展及止裂技術研究進展[J].石油大學學報：自然科學版，2004，28（3）：129-135.

[2]馬秋榮，霍春勇，馮耀榮.管線斷裂控制參量的研究[J].焊管，2002，25（4）：15-20.

[3]李紅克，張彥華.CTOA在管線鋼延性斷裂評定中的應用[J].焊管，2004，27（2）：15-19.

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[5]Rudland D L，Wilkowski G M，Feng Z，et al.Experimental investigation of CTOA in linepipe steels[J].Engineering Fracture Mechanics，2003（70）：567-577.

[6]Heerens J，Sch?del M.On the determination of crack tip opening angle，CTOA，using light microscopy and measurement technique[J].Engineering Fracture Mechanics，2003（70）：417-426.

[7]Wang J Q，Shuai J.Measurement and analysis of crack tip opening angle in pipeline steels[J].Engineering Fracture Mechanics，2012（79）：36-49.

[8]Liang X，Tomasz W.Numerical simulation of fracture mode transition in ductile plates[J].International Journal of Solids and Structures，2009（46）：1423-1435.

[9]帥健，陳福來，劉梅玲，等.X70管道鋼裂紋擴尖端張開角的試驗研究[J].工程力學，2008，25（7）：201-205.

CTOA measurement experimental study on δ5indirect measurement method in pipeline steel

LIU Dong，LI Rong-feng，QIU Bao-wen，CHEN Shi-hua，WU Li-xin
（Research and Development Center of Wuhan Iron and Steel Group CORP，Wuhan 430080，China）

Since a lot of labs didn't have specialδ5clip gage，theδ5indirect measurement for CTOA （crack tip opening angle）testing was hardly carried out.A new method was tried to complete theδ5indirect measurement.In the new method，industrial camera was used for photo collection during the tearing test period，in order to testδ5and Δaof each photo.By a series ofδ5and Δawere achieved，the CTOA was easy calculated.In this paper，the steady-state critical（CTOA）C of three X80 pipeline samples were tested.Simultaneity，the validity of the results was inspected by the fracture modes of samples.As a result，the （CTOA）C of X80 pipeline was assured to be 13.09°.

solid mechanics；crack tip opening angle；δ5indirect measurement；arrest toughness；pipeline steel

TG111.91；TG115.5+7；TH871；TP274+.2

：A

：1674-5124（2014）05-0032-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.05.008

2014-01-17；

：2014-03-12

劉 冬（1985-），男，湖北武漢市人，工程師，碩士，主要從事金屬材料力學性能測試與研究。