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第四章  確定管材韌性的小試件實驗

4.1  引言

提高鋼材的使用性能已形成愈來愈強(qiáng)勁的全球化趨勢。在本世紀(jì)，鋼鐵材料仍然是占主導(dǎo)地位的結(jié)構(gòu)材料。各行各業(yè)的效益、效率和效能迫使結(jié)構(gòu)材料最大限度地提高其使用性能水平。以石油天然氣輸送管道的應(yīng)用為例，屈服強(qiáng)度由448MPa(X65）提高到690MPa(Xl00)，經(jīng)濟(jì)效益提高了20%。

21世紀(jì)中期，我國鋼材需求量可能超過2億噸／年，即需要在目前基礎(chǔ)上再增加1億噸／年的生產(chǎn)能力，需再投入10000億元。國家的財力、能源、資源、環(huán)境、運(yùn)輸?shù)染鶡o法承受。提高鋼的使用性能，使一噸能夠頂幾噸使用，是我國鋼鐵工業(yè)的主要出路。

提高鋼的使用性能必須提高其使用強(qiáng)度與斷裂韌性的水平。為滿足社會發(fā)展的要求，西方發(fā)達(dá)國家和我國都制訂了面向21世紀(jì)的“超級鋼”研究計劃。

日本1997年提出STX21超級鋼研究計劃，為期10年，總費(fèi)用高達(dá)1000億日元。其目標(biāo)為普通鋼屈服強(qiáng)度達(dá)到80OMPa，高強(qiáng)度鋼抗拉強(qiáng)度達(dá)到驚人的300OMPa；

我國973項目“新一代鋼鐵材料的重大基礎(chǔ)研究”，為期5年，前兩年投入1500萬元人民幣，目標(biāo)為碳素結(jié)構(gòu)鋼屈服強(qiáng)度達(dá)到400MPa，低合金鋼屈服強(qiáng)度達(dá)到800MPa，合金結(jié)構(gòu)鋼抗拉強(qiáng)度達(dá)到1500MPa。

國內(nèi)外“超級鋼”計劃包括了石油用鋼的管線鋼、油井管鋼和石油、石化裝備用鋼等。以管線鋼為例：

日本STX21超級鋼計劃將高性能管線鋼作為其中的重要內(nèi)容。發(fā)達(dá)國家已批量生產(chǎn)供應(yīng)的高鋼級管線鋼管為X80，酸性環(huán)境用管為X65，已研制成功開始試用的高強(qiáng)度和耐酸性環(huán)境腐蝕的管線管分別為Xl00和X70，目前正在研制高強(qiáng)度X12O和酸性環(huán)境用的X80管線鋼管。

我國973中也包含了“高性能管線鋼的重大基礎(chǔ)研究”，其目標(biāo)是將現(xiàn)有管線鋼的使用壽命延長一倍，其中包括高強(qiáng)度X80和酸性環(huán)境用X65管線鋼的重大基礎(chǔ)研究。

鋼材的強(qiáng)度與韌性性能決定于材料的成分／結(jié)構(gòu)以及合成/加工。

在鋼材的成分／結(jié)構(gòu)，即材料設(shè)計方面，超低碳貝氏體鋼和超低碳馬氏體鋼被譽(yù)為21世紀(jì)的管線鋼，其鋼級為X80～X100（貝氏體）、Xl00～Xl20（馬氏體）。

在鋼材的合成／加工，即冶煉和加工成型工藝方面，主要的工作是保障預(yù)期的組織狀態(tài)，并使鋼有超高純凈度、高的均勻性和晶粒的超細(xì)化。

現(xiàn)代冶金技術(shù)和加工成型工藝的進(jìn)展主要包括：超純凈鋼冶煉技術(shù)，保證鋼材中的各元素比例N≤20ppm,O≤10ppm,H≤1.0ppm；高均勻性的連鑄技術(shù)，包括連續(xù)過程的電磁攪拌、連續(xù)板坯緩慢壓縮（soft reduction）技術(shù)等；控制軋制、控制冷卻、強(qiáng)制加速冷卻，超細(xì)晶粒（可達(dá)1μm左右），沉淀硬化，以保障得到預(yù)期的組織結(jié)構(gòu)；TiO處理等。

一般來說，對天然氣管線有兩種韌性要求。首先是要求全壁厚落錘撕裂實驗，要求在最低設(shè)計溫度下的最小剪切面積為85%，以保證不發(fā)生脆性斷裂；其次是夏比沖擊韌性的要求，以保證管線鋼有足夠的韌性，能夠延性止裂。規(guī)定的夏比韌性值與下述相關(guān)：所有試件的平均值等于最小延性止裂的計算值。

本章采用我們同中國石油天然氣集團(tuán)公司西安石油管材研究所（CNPC）合作項目測定的高韌性管線鋼CVN、DWTT沖擊能量數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納比較，旨在確定現(xiàn)有X7O鋼級鋼材的物理性能及其中的規(guī)律，并為數(shù)值模擬動態(tài)斷裂擴(kuò)展中參數(shù)的確定提供依據(jù)。

4.2  V型缺口夏比沖擊實驗（Charpy V-Notch Impact Test)

CVN(Chary V-Notch）實驗又稱三點彎曲夏比沖擊實驗，是一種傳統(tǒng)的評價材料斷裂韌性的實驗方法。它通過擺錘式?jīng)_擊實驗機(jī)對含V型缺口的小型試件的沖擊破壞實驗測量在此過程中的耗散功，即夏比沖擊功，來評價材料的斷裂韌度。

該實驗簡便易行，且有大量的數(shù)據(jù)積累，因此在防止結(jié)構(gòu)脆性破壞或延性裂紋擴(kuò)展的評價上得到廣泛的應(yīng)用。

實驗裝置和參數(shù)示意圖如圖4-1所示。

GB2106-80和ASMME23-96規(guī)定試樣標(biāo)準(zhǔn)尺寸為10×10×55mm，缺口深度為2mm。對于2/3尺寸試樣，厚度減為6.67mm，截面尺寸不變，如圖4-2。

HLP組織提到?jīng)_擊功大致與試樣厚度的1.5次方成正比，由此得到全尺寸沖擊功和2/3尺寸沖擊功的近似關(guān)系：

C_2/3=0.544C_KV                        （4-1）

式中C_KV和C_2/3分別表示全尺寸試樣和2/3試樣的夏比沖擊功。

在20世紀(jì)60年代，管線鋼管開始使用控軋或熱機(jī)械加工工藝鋼生產(chǎn)。這種工藝導(dǎo)致壁厚中的帶狀組織，其內(nèi)含有馬氏體和貝氏體晶粒薄層。這一結(jié)果實際上產(chǎn)生了低合金鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)。馬氏體鋼和貝氏體鋼在對材料韌性方面有一定的好處，但這些薄的馬氏體和貝氏體晶粒薄層比厚的鐵素體/珠光體層還要脆，并導(dǎo)致產(chǎn)生平行于鋼管表面的開裂，這種剝離被認(rèn)為在軸向擴(kuò)展的裂紋尖端產(chǎn)生。在裂尖附近的鋼將明顯的存在一系列的孤立的分層。這些分層多被歸類為分離，并應(yīng)與條帶夾雜物，如MnS夾雜區(qū)分開來。壁厚的減薄將減低韌脆轉(zhuǎn)化溫度，所以只需添加少量的合金，材料便可具有更高的抵抗脆斷的能力。斷口分離現(xiàn)象可以從試樣的斷裂表面觀察到，如圖4-3所示。

對于斷口上有分離的材料，隨溫度的升高，分離將最終消失，這是因為馬氏體和貝氏體帶也達(dá)到了上平臺溫度。圖4-4表示典型控軋鋼的夏比能量隨溫度的變化。夏比沖擊試樣上100%剪切面積對應(yīng)的最小夏比能稱為CV100。當(dāng)所有的分離都消失時，上平臺能CVP出現(xiàn)，其大小可能高于CV100。

圖4-5給出了某種控軋鋼的CVN沖擊能量隨溫度的變化。由于在脆性斷裂行為中沖擊韌性值遠(yuǎn)小于韌性斷裂，因而當(dāng)環(huán)境溫度接近或低于材料的韌脆轉(zhuǎn)化溫度時，測得的CVN值會明顯降低。圖4-6中的系列試樣經(jīng)歷了韌脆斷裂過程的轉(zhuǎn)變。一般定義SA為韌性撕裂所占斷口面積比，85%SATT表示韌性占85%撕裂面積對應(yīng)的轉(zhuǎn)化溫度。

斷口分離的發(fā)生情況與溫度有關(guān)。隨著試樣溫度的升高，當(dāng)鋼材成分中的馬氏體/貝氏體層達(dá)到其上臺能時，斷口分離會逐漸減少直至消失。分離對上平臺韌性的影響是：鋼中分層越薄，韌性斷裂的抗力越低。因此，材料中分離多時，其韌性比大高溫下無分離的相同材料的韌性低。

圖4-7選擇的管線鋼在實驗溫度范圍內(nèi)同時經(jīng)歷了韌脆轉(zhuǎn)化和斷口分離，對上述結(jié)論給予了證實，并可以看到發(fā)斷口分離的試件的韌性稍低于未發(fā)生斷口分離的試件。

夏比沖擊實驗的缺點是擺錘的沖擊速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實際裂紋的擴(kuò)展速度，同時試件厚度偏薄，使得測到的CVN能量不能嚴(yán)格反映裂紋擴(kuò)展過程中受到的材料韌性的影響。近年來人們開始注意選擇不同的韌性測定實驗以提高止裂評價的準(zhǔn)確性。在這種背景下，DWTT實驗得到了廣泛的重視與應(yīng)用。

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