夏比沖擊功結(jié)合剪切面積評價管線鋼管韌性的意義

吳金輝 李云龍 李記科 張鴻博 王長安 楊專釗 余大濤 高建忠

中國石油天然氣集團公司 管材研究所 （陜西 西安 710065）

夏比沖擊功結(jié)合剪切面積評價管線鋼管韌性的意義

吳金輝 李云龍 李記科 張鴻博 王長安 楊專釗 余大濤 高建忠

中國石油天然氣集團公司 管材研究所 （陜西 西安 710065）

描述了夏比沖擊宏觀斷裂過程，并對管線鋼管材料在沖擊載荷作用下發(fā)生斷裂全過程力的變化以及沖擊吸收能量與宏觀斷口的關(guān)系進行分析，指出了夏比沖擊功結(jié)合剪切面積評價管線鋼管材料韌性的必要性。

夏比沖擊功 剪切面積 能量變化 管線鋼管

管線鋼管的斷裂韌性是進行管道斷裂評估的重要參數(shù)，斷裂韌性好的管線鋼管在服役條件下不至于突然發(fā)生脆性斷裂，從而使得安全得到保證；夏比沖擊試驗由于其試樣加工簡便、試驗時間短，試驗數(shù)據(jù)對材料組織結(jié)構(gòu)、冶金缺陷等敏感的特點，已成為評價管線鋼管沖擊韌性的重要技術(shù)指標(biāo)[1]。

問題的提出

在焊管生產(chǎn)實驗過程中我們發(fā)現(xiàn)：即使是位置很近的同一材料尤其是焊縫和熱影響區(qū)位置，其Ak值有時相差較大；有時Ak值很接近的兩個試樣，其剪切面積差異卻很大。實驗過程測定的Ak值并沒有明確的物理意義，不能作為表征金屬制件實際抵抗沖擊載荷能力的韌性判據(jù)，例如，兩個試樣沖斷后，一個沖斷力很大，位移很?。涣硪粋€沖斷力很小，但位移很大，二者的沖擊能量可能是相等的（圖1），但是其剪切面積差距卻很大，反映出材料的韌性水平是不同的。

目前，對管線鋼管韌性驗收的技術(shù)條件同時包括沖擊吸收能量和斷口剪切面積兩個指標(biāo)，表1給出了西氣東輸二線管道工程用X70螺旋縫埋弧焊管技術(shù)條件要求－10℃下管體母材和焊縫的夏比沖擊韌性要求[2]。

夏比沖擊斷裂過程宏觀描述

當(dāng)管線鋼受沖擊載荷的作用時，形變速率增加，限制了塑性變形的發(fā)展，使塑性極不均勻，塑性變形的抗力提高，并使局部高應(yīng)力區(qū)形成裂紋；在沖擊力的作用下，試樣的斷裂過程與靜拉伸一樣，仍然表現(xiàn)為彈性變形、塑性變形和斷裂，其不同之處在于變形速度；由于缺口的存在，塑性變形只發(fā)生于缺口的局部范圍，而且缺口越尖銳，參與塑性變形的材料體積越小，得到的沖擊功越低。

采用示波沖擊測定材料沖擊斷裂的力——位移變化全過程

采用示波沖擊試驗機可以測定出材料在沖擊試驗中能量變化的全過程；由于材料在達到?jīng)_擊最大力之前只產(chǎn)生彈塑性變形，隨著塑性變形的發(fā)展逐漸形成裂紋，而一旦有裂紋產(chǎn)生，力將會下降，因此，可以把沖擊最大力作為裂紋形成的判據(jù)：以最大力為分界點，最大力之前是裂紋形成消耗的能量，稱為裂紋形成能量。韌性材料的裂紋擴展能量較大，裂紋擴展很慢，力—位移曲線不存在陡然下降的現(xiàn)象；脆性材料裂紋擴展能量很小，甚至不存在不穩(wěn)定裂紋擴展終止點。

圖2給出了通過示波沖擊測定的力—位移曲線與裂紋擴展過程之間的關(guān)系，一般沖擊試樣的斷口包括纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇區(qū)3個部分，其與曲線的對應(yīng)關(guān)系如下：

曲線上Fgy之前為彈性階段，從Fgy開始，試樣進入塑性變形和形變強化階段；當(dāng)載荷達到Fm時，塑性變形已貫穿整個缺口截面，缺口根部開始橫向收縮，橫截面積減小，試樣承載能力降低，載荷下降；在Fm附近試樣內(nèi)部萌生裂紋，由于缺口根部為三向應(yīng)力狀態(tài)，因此裂紋萌生于距缺口一定距離的試樣內(nèi)部；裂紋形成以后，向兩側(cè)寬度方向和前方深度方向擴展，在裂紋擴展過程中，載荷繼續(xù)下降，載荷達Fu時，裂紋已擴展到缺口根部的整個寬度，中間部分較深，形成缺口前方的腳跟形的纖維區(qū)。

表1 －10℃下夏比沖擊韌性要求

當(dāng)纖維區(qū)的裂紋尺寸增大到臨界尺寸，裂紋在Fu點開始快速失穩(wěn)擴展，形成放射區(qū)，其斷口形貌為以纖維區(qū)為中心呈放射狀，與此對應(yīng)的載荷陡降到Fa。

此時裂紋前沿已進入試樣的壓應(yīng)力區(qū)，尚未斷裂的截面積已比較小，與兩側(cè)一樣已處在平面應(yīng)力狀態(tài)下，變形比較自由，形成二次纖維區(qū)和剪切唇，相應(yīng)的載荷由Fa降到零。其斷口特征為表面光滑，與拉應(yīng)力約成45°。

沖擊吸收能量與宏觀斷口的關(guān)系

對不同的管線鋼材料，其沖擊吸收功可以相同，但他們的裂紋形成功和裂紋擴展功卻可能相差很大。若裂紋形成功所占比例很大，則表明材料斷裂前塑性變形小，裂紋一旦形成就立即擴展直到斷裂，裂紋必然是呈放射狀甚至結(jié)晶狀的脆性斷口；反之，若裂紋擴展功所占比例很大，則斷口是以呈纖維狀為主的韌性斷口。由此可見，沖擊吸收功的大小并不能直接反映材料韌或脆的性質(zhì)，材料韌性的好壞主要取決于裂紋擴展功Wp的大小。

裂紋萌生與缺口處一定范圍的彈、塑性變形有關(guān)，此前消耗的能量，代表裂紋萌生所消耗的能量，稱為裂紋形成能量，以Wi表示；裂紋形成能量是缺口處彈性變形和塑性變形消耗能量的總和，即：

在失穩(wěn)之前消耗的能量稱為裂紋穩(wěn)定擴展能量Wp1，使斷口形成腳跟形的纖維區(qū)；力從圖2所示的Fu降至Fa是裂紋達到臨界尺寸后作快速低能量撕裂的結(jié)果，最后形成了斷口的放射區(qū)，此過程消耗的能量稱為裂紋不穩(wěn)定擴展能量Wp2，表示斷口剪切唇及二次纖維區(qū)的形成；于是有：

沖擊總能量為：Wt=We+Wd+Wp1+Wp2

根據(jù)已有的大量實踐經(jīng)驗，一般來說，沖擊吸收能量可作為中、低強度鋼生產(chǎn)過程中質(zhì)量驗收的標(biāo)準(zhǔn)；低強度材料的裂紋擴展能量占總能量的絕大部分，隨著強度的提高，此部分比例逐漸下降，對高強度鋼裂紋擴展能量可能不足10%；這表明，對于中、低強度鋼沖擊吸收能量能反映材料抵抗裂紋的擴展能力，但對于高強度鋼，就難以從沖擊吸收能量來判斷材料抵抗裂紋動態(tài)擴展的能力，而需要進一步測量裂紋擴展能量在沖擊總能量中的比例，以此來準(zhǔn)確描述材料承受沖擊載荷時的行為特征；而斷口的剪切面積正好反映了材料韌性部分所占的比例，從一定側(cè)面也反映了裂紋擴展能量在沖擊吸收總能量中的比例。

結(jié)語

由于管線鋼材料在受沖擊載荷斷裂時，其沖擊吸收能量由裂紋形成能量和裂紋擴展能量兩部分組成，而且其中的裂紋擴展能量部分對材料的韌性性能起決定性作用，所以不能簡單的以沖擊吸收能量來評價材料的韌性，引入剪切面積這一技術(shù)指標(biāo)，就保證了在準(zhǔn)確描述材料能夠抵抗一定沖擊能量的同時，所具備的抵抗裂紋進一步擴展的能力，所以管線鋼管韌性驗收的技術(shù)條件同時規(guī)定沖擊吸收能量和斷口剪切面積兩個指標(biāo)是必要的。

[1]力學(xué)性能試驗[M].上海:上?？茖W(xué)普及出版社,2003.

[2]Q/SY GJX 0127-2007中國石油管道建設(shè)項目經(jīng)理部企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[S].

Macro-rupture process of Charpy Impact is described first in the paper.Then the analysis focuses on the diversity of force crossing the whole process of pipeline material rupture under impact load and the relations between impact absorbed energy and macro-fracture.At last it is pointed out that it is necessary to combine Charpy Impact Value with shear area in the evaluation of pipeline material toughness.

Charpy Impact Energy;shear area;energy change;pipeline

吳金輝（1983-），男，碩士，主要從事油氣輸送管材料研究工作。

路萍

2010-02-10