拉伸速率對高鋼級管線鋼斷裂方式的影響研究

張小立,張振國,范積偉,穆云超,王亮亮

(中原工學院,鄭州 450007)

拉伸速率對高鋼級管線鋼斷裂方式的影響研究

張小立,張振國,范積偉,穆云超,王亮亮

(中原工學院,鄭州 450007)

MA島對裂紋擴展具有阻礙作用,高鋼級管線鋼中裂紋為沿著MA島走;裂紋啟裂位置為晶粒邊界和MA島邊界處.X80管線鋼存在較好的塑性變形能力,當塑性變形區(qū)不斷擴展,并且達到一定程度時,裂紋連接并失穩(wěn)擴展.不同加載速率下的斷口形貌為:慢速加載時韌性斷裂以韌窩為主,速率升高后,斷裂逐漸向脆性方式轉(zhuǎn)變,韌窩變淺.這種由加載速率引起的斷裂方式轉(zhuǎn)化對管線的設(shè)計與運行有重要的參考價值.

高鋼級管線鋼;拉伸速率;MA島;延性;裂紋;斷裂方式

提高輸送壓力意味著高效率,是天然氣輸運技術(shù)發(fā)展的趨勢,但這必須以管道型材的高韌性、高強度作為安全性保障[1].這就為材料設(shè)計提出了更高的要求.目前,鋼鐵作為傳統(tǒng)材料,面臨著其他材料的競爭,鋁、鈦及其合金和塑料逐漸蠶食原本屬于鋼鐵的領(lǐng)地.如果鋼鐵不想退出競爭,就必須保持成本和價格優(yōu)勢,不斷地通過改善鋼材內(nèi)部組織結(jié)構(gòu),來提高性能、迎接挑戰(zhàn)[2].

拉伸試驗方法簡單、過程直觀,試樣易加工,試驗結(jié)果有代表性,是金屬物理性能檢驗工作中最常用的試驗方法之一[3].拉伸試驗結(jié)果的真實性和準確性,既與試樣的材質(zhì)均勻性有關(guān),又受到取樣、試樣加工以及試驗過程的各種因素的綜合影響.長期以來,對于拉伸試驗過程的控制比較隨意,一方面,沒有精確控制試驗過程所需要的硬件條件,另一方面,找不到合理控制試驗過程的科學依據(jù).因此,有必要通過試驗,研究拉伸速率對試驗結(jié)果的影響規(guī)律,了解拉伸速率與高鋼級管線鋼斷裂方式之間的關(guān)系,這對高鋼級管線鋼富氣狀態(tài)下的失效及安全評價有很好的借鑒作用.本文在對拉伸速率與斷裂方式的研究中,選擇拉伸速率為 0.01 mm/s、0.1 mm/s、1 mm/s,分析各管線鋼力學性能的變化,并進行斷口分析,研究拉伸速率對斷裂方式的影響,為材料的使用設(shè)計提供依據(jù).

1 試驗方法及過程

在研究中選擇了不同編號的X80級管線鋼BA8、HA8、JU8、J F8;為了對比研究 ,選擇了一種 X70管線鋼,編號為J F7.拉伸試驗在在S810-15自動拉伸試驗機上進行,拉伸試樣均采用φ12.5 mm試樣,并按ASTM A370-2002標準規(guī)定進行,選擇拉伸速率為0.01 mm/s、0.1 mm/s、1 mm/s.

高鋼級管線鋼的組織研究在S360型掃描電子顯微鏡(SEM)上進行.

2 結(jié)果與討論

2.1 拉伸速率對力學性能的影響

各管線鋼化學成分如表1所示.其中,Ceq=C+Mn/6+(Mo+Cr+V)/5+(Ni+Cu)/15.

從表1可以看出,本試驗中進行比對的5件管線鋼,其中J F7為X70管線鋼,雖然碳當量較低,但碳含量卻是最高的.其余碳當量Ceq相近.

表1 各管線鋼化學成分%

上述管線鋼的掃描組織如圖1所示.可以看出,BA8和HA8 X80管線鋼的鐵素體形狀都顯示被拉長,成細條狀,呈典型的針狀鐵素體形貌,而J F8和JU8 X80管線鋼的鐵素體晶粒呈等軸多邊形;在鐵素體晶內(nèi)和晶粒界面處,以上高鋼級管線鋼都存在由MA島構(gòu)成的貝氏體粒,所不同的是 HA8和JU8的貝氏體粒細小彌散,而其中BA8和J F8的貝氏體粒較為粗大,成片狀.同以上各X80管線鋼相比,J F8的貝氏體組織所占比例很高.因而由以上可見,HA8和JU8 X80鋼應該擁有極佳的力學性能,而J F8 X80應該擁有較高的強度和硬度.

圖1 各高鋼級管線鋼SEM組織觀察

針狀鐵素體是低碳鋼(C<0.15%)典型的貝氏體組織,由帶有高位錯密度的板條鐵素體晶粒組成,若干鐵素體板條平行排列構(gòu)成板條束,一個奧氏體晶?？尚纬珊芏喟鍡l束,板條界為小角度晶界,板條束界面則為大角度晶界.針狀鐵素體所以具有較高的韌性,是因為裂紋在擴展過程中不斷受到彼此咬合、互相交錯分布的針狀鐵素體的阻礙.而彌散分布的貝氏體粒,可以起到細晶強化和韌化的作用.這是因為韌性代表了材料抵抗變形和斷裂的能力.由于晶粒細小,外力可以由更多細小的晶粒所承受,晶粒內(nèi)部和晶界附近的應變度相差小,因而材料受力均勻,應力集中較小,裂紋不易形成.即使產(chǎn)生了裂紋,由于晶粒細小、晶界較多,而且相鄰晶粒具有不同的位向,于是當塑性變形或微裂紋由一個晶粒穿越晶界進入另一晶粒時,塑性變形或微裂紋將在晶界處受阻.同時,一旦塑性變形或微裂紋穿過晶界后,滑移方向或裂紋擴展方向發(fā)生改變,必然消耗更多的能量.以上因素均促使裂紋形成和擴展的能量提高,即表現(xiàn)為韌性的提高.

實際上,由位于晶界的細小彌散貝氏體粒和針狀鐵素體形成的高鋼級管線鋼組織,就相當于短纖維增強和顆粒增強的復合材料.短纖維具有使裂紋偏轉(zhuǎn)反射的作用,而位于晶界的硬相-貝氏體?？梢允棺冃沃械奈诲e釘扎,從而使強度進一步提高.

各管線鋼慢拉伸試驗的力學性能如圖2所示.

圖2 不同慢拉伸速率條件下管線鋼力學性能的變化

從圖2可以看出,以上各編號管線鋼的延性隨著慢拉速率的提高,均在0.1 mm/s拉伸速率下出現(xiàn)一個拐點.延性隨著慢拉速率的提高,先增加后降低.強度的變化趨勢正好相反.而且從圖2(c)可以看出,BA8和J F8擁有最高的強度,這和組織的分析結(jié)果是一致的.圖2中的3個圖表明,細小粒狀貝氏體分布和細長的鐵素體形態(tài)有利于管線鋼塑性和延性的提高.當拉伸速率為0.1 mm/s時,管線鋼的延性最佳,而對強度的影響不大.這說明在管線鋼富氣服役狀態(tài)下,富氣壓力有一個最佳值.

2.2 拉伸速率與斷口和組織的關(guān)系

圖3所示是273 K時在3個不同加載速率下管線鋼的斷口形貌.

圖3 不同加載速率下的斷口形貌

由圖3可以看出,慢速加載時韌性斷裂以韌窩為主;速率升高后,斷裂逐漸向脆性方式轉(zhuǎn)變,韌窩變淺.這種由加載速率引起的斷裂方式轉(zhuǎn)化對管線的設(shè)計與運行有重要的參考價值.

通常,在加載速率變化的情況下,延伸率和斷面收縮率都發(fā)生相應的變化,先增加后降低;而對抗拉強度的變化不是很明顯.一般認為,斷面收縮率比延伸率更能真實地反映材料真實極限變形能力.這是因為MA島對裂紋擴展具有阻礙作用.其機理如圖4所示.從圖4(a)可以看到裂紋沿著粒狀貝氏體擴展;當塑性變形區(qū)不斷擴展,裂紋鏈接后,裂紋便失穩(wěn)擴展,如圖4(b)所示.在該研究中,JU8因為組織的良好形態(tài)和彌散分布的粒狀貝氏體而擁有較好的極限變形能力.

3 結(jié) 語

(1)MA島對裂紋擴展具有阻礙作用,裂紋為沿著島走;裂紋啟裂位置為晶粒邊界和MA島邊界處.X80管線鋼存在較好的塑性變形能力,當塑性變形區(qū)不斷擴展,并且達到一定程度時,裂紋連接并失穩(wěn)擴展.

(2)不同加載速率下的斷口形貌為:慢速加載時韌性斷裂以韌窩為主;速率升高后,斷裂逐漸向脆性方式轉(zhuǎn)變,韌窩變淺.這種由加載速率引起的斷裂方式轉(zhuǎn)化對輸送管線的設(shè)計與運行有重要的參考價值.

圖4 管線鋼中裂紋擴展機理

[1] 李鶴林.油氣輸送鋼管的發(fā)展動向與展望[J].焊管,2004,27(6):1-11.

[2] 馮耀榮,馬秋榮.油氣管道失效模式與性能要求的探討[C].烏魯木齊:第三屆全國管道技術(shù)學術(shù)會議,2006.

[3] 張小立,莊傳晶.X80級管線鋼熱影響區(qū)的局部脆化[J].鋼鐵,2007,42(3):69-72.

Study on the Effect of Loading Rate on Fracture Mode of High Grade Pipeline Steels

ZHANG Xiao-li,ZHANG Zhen-guo,FAN Ji-wei,MU Yun-chao,WANG Liang-liang
(Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou 450007,China)

MA island is the obstacles to the propagation of crack,and in high grade pipeline steels the crack walk along these MA.The initiation location of crack are grain boundary and MA island boundary.As to X80 pipeline steels,it has better plastic deformation.When the plastic deformation zone continuously expand to a certain degree,the crack will connect and become to extend unstablly.At the very slowly loading rate,the fracture surface is ductile and dimple ductile exist.When loading rate increased,the fracture mode transformated to brittle type,and own shallow dimples.These loading rate caused transformation of fracture mode will have very important value to the design and operation of pipeline engineering.

high grade pipeline steel;rate of extension;MA island;ductility;crack;fracture mode

TG142.1

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2010.06.001

1671-6906(2010)06-0001-04

2010-10-12

博士后基金項目(20060390319)

張小立(1969-),女,甘肅武威人,高級工程師,博士.