馬秋榮，張 騰，李 鶴，劉小峰

（1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安710065；2.西安交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安710049；3.中國(guó)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(lái)制備輸送石油、天然氣的鋼管，有些石油、天然氣產(chǎn)地分布在寒冷的極地、高原凍土地帶，這對(duì)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(yīng)變能力等。

裂紋尖端張開(kāi)位移（CTOD）是評(píng)價(jià)鋼材斷裂韌性的一個(gè)重要參量［1］。CTOD的大小反映了材料抵抗開(kāi)裂的能力［2－3］，與試樣厚度、試驗(yàn)溫度、裂紋取向和加載速率有關(guān)。一般而言，隨著試驗(yàn)溫度的降低材料的韌性下降，發(fā)生脆斷的機(jī)率變大。除此之外，人們發(fā)現(xiàn)當(dāng)試樣的厚度發(fā)生變化時(shí)，CTOD也會(huì)發(fā)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(guò)程中往往處于彈塑性范圍，不同的試樣厚度，測(cè)得的CTOD（斷裂韌性特征值δ0.2）也可能不同，這就會(huì)對(duì)判斷裂紋的穩(wěn)定擴(kuò)展、失穩(wěn)擴(kuò)展等產(chǎn)生影響。X100管線鋼是我國(guó)新開(kāi)發(fā)的管線鋼，有關(guān)此方面的研究還不全面，為此，作者研究了試樣厚度對(duì)其斷裂韌性特征值δ0.2的影響。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料選用國(guó)產(chǎn)X100直縫埋弧焊管，其尺寸為φ1 016mm×18.6mm，化學(xué)成分如表1所示，力學(xué)性能如表2所示。

用裂紋尖端張開(kāi)位移試驗(yàn)測(cè)定裂紋尖端阻止裂紋擴(kuò)展的能力。CTOD試樣取自鋼管管體，取樣方向?yàn)楣荏w橫向，在室溫條件下進(jìn)行試驗(yàn)。在預(yù)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(yù)制出裂紋，預(yù)制裂紋長(zhǎng)度為3mm，如圖1所示。

表1 X100直縫埋弧焊管的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of X100SAWL pipe（mass）%

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

圖1 不同厚度CTOD試樣及預(yù)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(yù)制好疲勞裂紋的試樣采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)方法在CSS－88100型材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，加載速度為0.5mm·min－1，通過(guò)夾式引伸計(jì)采集裂紋尖端兩側(cè)的張開(kāi)位移。試驗(yàn)中將試樣分別加載到所需的位移，然后停機(jī)，將試樣壓斷，測(cè)量斷口上的初始裂紋長(zhǎng)度a0和擴(kuò)展后的裂紋長(zhǎng)度a，求出裂紋擴(kuò)展量Δa；通過(guò)試驗(yàn)過(guò)程中的載荷和位移曲線及P－V曲線計(jì)算得出CTOD值；最后擬合出裂紋擴(kuò)展阻力曲線（δR－Δa），根據(jù)擬合的阻力曲線得出斷裂韌性特征值δ0.2。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 裂紋擴(kuò)展阻力曲線及斷裂韌性特征值

根據(jù)圖2可以擬合出裂紋擴(kuò)展阻力曲線公式，然后計(jì)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(kuò)展阻力曲線擬合的函數(shù)關(guān)系。

圖2 不同厚度試樣的裂紋擴(kuò)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(kuò)展阻力曲線擬合的函數(shù)關(guān)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(wěn)試樣斷口和未失穩(wěn)試樣斷口。由圖3可見(jiàn)，未失穩(wěn)試樣的斷口由四部分組成，分別為黑色的機(jī)加工缺口、灰色的預(yù)制疲勞裂紋區(qū)、較深色的鈍化及穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展區(qū)和銀白色的壓斷區(qū)。鈍化區(qū)及穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展區(qū)可用肉眼分辨出來(lái)。

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(guān)系

試樣的厚度影響裂紋尖端附近的應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而會(huì)影響裂紋開(kāi)始擴(kuò)展時(shí)的應(yīng)力強(qiáng)度因子臨界值（即斷裂韌度）Kc。試驗(yàn)證明，當(dāng)試樣足夠厚時(shí)，除兩個(gè)自由表面一小部分處于平面應(yīng)力狀態(tài)外，絕大部分處于平面應(yīng)變狀態(tài)，平面應(yīng)力狀態(tài)所占比例極小，可以略去不計(jì)，所以可認(rèn)為試樣全部處于平面應(yīng)變狀態(tài)。用這種試樣所測(cè)得的斷裂韌度稱為平面應(yīng)變斷裂韌度，對(duì)于I型裂紋用KIC表示，如圖4所示［4］。當(dāng)試樣厚度B較小時(shí)，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(kāi)位移δ與應(yīng)力強(qiáng)度因子KI有如下關(guān)系［4］

式中：υ為泊桑比；E為材料彈性模量；σys為屈服強(qiáng)度。

2.4 斷裂形式的厚度效應(yīng)

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

塑性區(qū)的大小取決于裂紋尖端附近的應(yīng)力狀態(tài)。平面應(yīng)變情況下的塑性區(qū)比相應(yīng)的平面應(yīng)力情況下的塑性區(qū)要小，這是因?yàn)椴牧系臄嗔秧g度和斷裂前能夠發(fā)生塑性變形的材料的體積有關(guān)，而該體積又和試樣的厚度有關(guān)，所以斷裂韌度也與厚度有關(guān)，如圖4所示。當(dāng)試樣厚度很?。ㄈ绾穸葹锽0）時(shí)，作用于裂紋尖端處的塑性約束很小，平面應(yīng)力狀態(tài)占優(yōu)勢(shì)，材料表現(xiàn)出最大的斷裂韌度；隨著試樣厚度進(jìn)一步增加，斷裂韌度將逐漸下降，因?yàn)榭梢晕账苄宰冃文艿牟牧象w積更少了。如果增加厚度以便在裂紋尖端處產(chǎn)生塑性約束和平面應(yīng)變狀態(tài)，那么斷裂韌度也將急劇下降到平面應(yīng)力情況下的三分之一（或更少）。這個(gè)低水平斷裂韌度（平面應(yīng)變斷裂韌度KIC）的一個(gè)重要特點(diǎn)是它不再隨著厚度的再增大而進(jìn)一步下降。因此，在任何工程應(yīng)用中，都可以把這個(gè)值當(dāng)作材料斷裂韌度的保守下限。對(duì)于某種材料來(lái)說(shuō)，一旦在實(shí)驗(yàn)室中用厚度至少為Bs的試樣測(cè)出了KIC，那么比Bs厚得多的工程構(gòu)件的斷裂韌度也應(yīng)是KIC。簡(jiǎn)言之，平面應(yīng)力斷裂韌度KC和材料的冶金參數(shù)有關(guān)，也和試樣的幾何尺寸有關(guān)，而平面應(yīng)變斷裂韌度KIC只依賴于材料的冶金參數(shù)。根據(jù)材料各自固有的斷裂韌度水平來(lái)比較不同厚度材料的最好辦法是比較它們的KIC值，因?yàn)檫@樣可以避免厚度的影響。

由于應(yīng)力狀態(tài)對(duì)斷裂韌度的影響和塑性區(qū)相對(duì)于厚度的大小有關(guān)，所以用ry／B來(lái)表示應(yīng)力狀態(tài)的變化具有實(shí)際意義，其中ry是用下式給出的平面應(yīng)力塑性區(qū)公式計(jì)算得到的［4］。

式中：ry為塑性區(qū)尺寸；K為應(yīng)力強(qiáng)度因子；σys為屈服強(qiáng)度。

經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)ry／B≥1時(shí)，平面應(yīng)力狀態(tài)占優(yōu)勢(shì)，斷裂韌度高；當(dāng)ry／B＜1／10時(shí)，將出現(xiàn)平面應(yīng)變狀態(tài)。在這兩種情況下，產(chǎn)生平面應(yīng)力狀態(tài)或平面應(yīng)變狀態(tài)所必須的厚度都和材料的屈服強(qiáng)度有關(guān)，因?yàn)閷?duì)任意給定的應(yīng)力強(qiáng)度因子水平，屈服強(qiáng)度將決定ry。顯然，厚度很小的高屈服強(qiáng)度材料仍然可能產(chǎn)生平面應(yīng)變狀態(tài)，而厚度很大的低屈服強(qiáng)度材料卻可能永遠(yuǎn)不會(huì)產(chǎn)生完全的平面應(yīng)變狀態(tài)。

在許多工程材料中都可發(fā)現(xiàn)斷裂形式的轉(zhuǎn)變。如果斷裂表面完全是平的，則平面應(yīng)變狀態(tài)可能占優(yōu)勢(shì)，測(cè)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(yīng)力狀態(tài)可能占優(yōu)勢(shì)，從而產(chǎn)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(tài)。

對(duì)于管線鋼來(lái)說(shuō)，一般鋼管壁厚較小，材料韌性較高，基本都顯示出平面應(yīng)力狀態(tài)。對(duì)于本試驗(yàn)材料，按照測(cè)試的CTOD值可以計(jì)算出裂紋尖端的塑性區(qū)尺寸基本在12～17mm范圍內(nèi)，塑性區(qū)尺寸的大小與管線鋼厚度基本相當(dāng)，此時(shí)試樣厚度的變化對(duì)測(cè)試得到的結(jié)果影響相對(duì)較大。因此，在測(cè)管線鋼的CTOD值時(shí)，應(yīng)盡量采用與實(shí)際鋼管壁厚相當(dāng)?shù)脑嚇雍穸龋员ＷC測(cè)試值更接近鋼管的實(shí)際情況，這對(duì)判斷鋼管的缺陷容限和斷裂韌度具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

3 結(jié) 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(duì)管線鋼進(jìn)行CTOD測(cè)試時(shí)，應(yīng)盡量采用與實(shí)際鋼管壁厚相當(dāng)?shù)脑嚇樱员ＷC測(cè)試值更接近鋼管的實(shí)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(jié)構(gòu)鋼韌性問(wèn)題與CTOD試驗(yàn)技術(shù)［J］.結(jié)構(gòu)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(jī)械工業(yè)出版社，1995：6－19.