提高管線鋼DWTT斷口剪切面積的途徑

劉文月 任 毅 張 帥 王 爽 高 紅 劉 祥

(1.海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國家重點實驗室，遼寧鞍山 114009；2.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧鞍山 114009)

提高管線鋼DWTT斷口剪切面積的途徑

劉文月1,2任 毅1,2張 帥1,2王 爽1,2高 紅2劉 祥2

(1.海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國家重點實驗室，遼寧鞍山 114009；2.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧鞍山 114009)

落錘撕裂試驗(DWTT)被廣泛用于評價管線鋼的抗脆性斷裂能力。因為異常斷口的出現(xiàn)，使API RP 5L3標準的應(yīng)用遇到一定的困難。首先評述了分層裂紋與異常斷口的特點、成因以及異常斷口改進的評判方法。隨后，分析了提高DWTT性能所采用的成分設(shè)計、控軋控冷工藝等技術(shù)方案及其內(nèi)在理論依據(jù)，并給出了提高管線鋼DWTT斷口剪切面積的若干建議。

管線鋼 DWTT 分層裂紋 異常斷口 剪切面積

落錘撕裂試驗(drop weight tear test，DWTT)是一種由Battelle研究院建立并用于評價材料抗脆性斷裂性能的試驗方法[1]。1968年，被美國石油協(xié)會(American Petroleum Institute，API)正式采納，用于預(yù)測和評判管線鋼實際斷裂行為[2]。DWTT剪切面積(shear area，SA)百分數(shù)已成為衡量管線鋼管抵抗脆性開裂能力的最重要指標之一。

作為評判抗脆性開裂能力的指標，API RP 5L3[2]標準不接受異常斷口(abnormal fracture area，AFA)，即脆性斷口不首先出現(xiàn)在DWTT缺口根部，試樣應(yīng)判為無效，復(fù)驗時，可采用人字形缺口試樣。但是，人字形缺口試樣依然不能避免異常斷口重復(fù)出現(xiàn)，而該標準對此卻沒有進一步的應(yīng)對方法，給檢驗和評判造成一定的困難。直至今日，人們尚未找到一種新的缺口類型或改進的試驗方法、試驗設(shè)備，能完全避免異常斷口的出現(xiàn)。

日本JFE開展的氣體爆破試驗表明[1]，出現(xiàn)異常斷口并不改變材料韌脆斷裂曲線隨溫度變化的規(guī)律。不加區(qū)分地將異常斷口一概判為無效是不合理的[3- 4]。國內(nèi)管線領(lǐng)域?qū)＜摇W(xué)者在大量實踐與管體爆破試驗的基礎(chǔ)上，先后提出GB/T 8363[5]、SY/T 6476[6]異常斷口評判方法，成為API RP 5L3的重要支撐文件，為DWTT檢驗和評判提供重要指導(dǎo)。

人類對材料性能改進的需求是無止境的。為了應(yīng)對目前管線鋼對高強度、高韌性的迫切需求，除了正確認識DWTT斷口特征，特別是異常斷口的種類與成因，優(yōu)化DWTT缺口形狀、改進試驗與評價方法，減少人為因素對SA數(shù)值的低估之外，開展優(yōu)化管線鋼成分設(shè)計與控軋控冷工藝制度，提升材料本質(zhì)DWTT韌性，具有更為重要的現(xiàn)實意義?；诖?，本文在簡述DWTT特征的基礎(chǔ)上，綜合現(xiàn)有研究成果，對提高與準確評估管線鋼DWTT剪切面積百分數(shù)提出了若干建議。

1 DWTT斷口特征

DWTT試樣斷裂過程中，宏觀上要承受自上而下的錘頭打擊力、自下而上的支座支撐力以及試樣與樣品支座間的摩擦力[4]。水平摩擦力改變了試樣錘擊起始時刻的三點彎曲狀態(tài)，新增的壓彎、拉彎等力的作用，造成未斷區(qū)承受較大的壓縮應(yīng)變或拉伸應(yīng)變[7]，使材料韌性發(fā)生改變，產(chǎn)生平行斷裂面的解理裂紋(異常斷口)或平行軋制面的分層裂紋。

1.1 分層裂紋

分層裂紋(也稱斷口分離)是DWTT斷口上最典型的特征形貌之一，主要出現(xiàn)在試樣厚度的1/2與1/4位置。它是試樣內(nèi)部受力變形時，薄弱界面(如{100}<011>織構(gòu))受到三維應(yīng)力作用而分離的結(jié)果[8]。分層裂紋產(chǎn)生與否受材料的力學(xué)性能、溫度和應(yīng)力狀態(tài)等因素的影響，是典型的三維力學(xué)問題[3]。分層裂紋出現(xiàn)于形成DWTT斷口的主裂紋起裂或加速擴展之前，主裂紋穩(wěn)定擴展或減速時不會產(chǎn)生新的分層裂紋。分層裂紋表面雖為解理形貌，但總出現(xiàn)在韌性斷口區(qū)域[3]。因此，楊政等[3]建議，任何形狀的分層裂紋所在區(qū)域均應(yīng)視為韌性區(qū)。

改變?nèi)笨谛螤?，分層裂紋形狀也會發(fā)生改變[9]。壓制缺口試樣的分層裂紋短而淺且成行分布，人字形缺口試樣則表現(xiàn)為深而長的單條分層裂紋；人字形缺口試樣的裂紋張開程度大于壓制缺口試樣。隨著試驗溫度的降低，分層裂紋的長度、數(shù)量及張開寬度先增大后減小，直至消失。

1.2 異常斷口

異常斷口僅出現(xiàn)在韌性超過一定水平的材料中，不同厚度、不同缺口形狀的DWTT試樣都有可能形成異常斷口[4,10]。DWTT試樣斷裂過程中，首先在缺口根部塑性變形區(qū)形成剪切裂紋。裂紋受錘頭作用與試樣中儲存的彈性應(yīng)變能的雙重驅(qū)動，首先沿壓制缺口形成的加工硬化區(qū)擴展。硬化區(qū)內(nèi)裂紋尖端應(yīng)力高，裂紋擴展速度快，驅(qū)動裂紋擴展的能量以彈性應(yīng)變能為主。隨著試樣中存儲的彈性應(yīng)變能的降低，裂紋尖端鈍化，裂紋減速或停止。然后，錘頭作用再次凸顯，試樣中的彈性應(yīng)變能增加，試樣再次脆性或塑性起裂。裂紋重起方式取決于裂紋尖端應(yīng)力狀態(tài)、材料力學(xué)性能與試樣有效厚度(分層裂紋降低試樣有效厚度)之間的耦合作用。如果試驗機的錘頭輕或試樣韌性區(qū)足夠長，上述裂紋止裂- 起裂- 擴展過程可以重復(fù)多次，形成如圖1所示的斷口形貌。根據(jù)斷口上脆性區(qū)的位置特點[3- 4,10]，可將異常斷口分為三類(見表1)。

圖1 多次止裂- 起裂斷口形貌[4]Fig.1 Marks of crack arresting- reinitiating on fracture surface[4]

表1 異常斷口特征、成因及預(yù)防措施[4]Table 1 Characteristic, produced condition and prevention of abnormal fracture surface[4]

異常斷口的成因及預(yù)防措施如表1所示。對于第I類異常斷口，研究人員已經(jīng)基本達成共識，認為它是在裂紋到達之前，由錘頭打擊引起的加工硬化與試樣厚度改變造成的[1]。對于第II類、第III類異常斷口的成因尚未達成統(tǒng)一意見。JFE、POSCO[1,4]認為，出現(xiàn)異常斷口是材料韌性好的表現(xiàn)，評判時可將脆性區(qū)忽略不計。

針對異常斷口的評判問題，國內(nèi)研究人員提出了如下方法[5- 6]：(1)認定帶異常斷口的試樣為有效試樣，按照方法2、3進行評判；(2)優(yōu)先按API RP 5L3確定斷口評定有效截面，按實際面積分別計算有效截面內(nèi)的脆性區(qū)，累加后計算SA；(3)如果SA不合格，允許對有效面積做出調(diào)整，若仍不合格，允許使用人字型缺口或開背槽的方式再行評定，此時出現(xiàn)的異常斷口允許使用方法1～3進行評判。方法3中對有效面積的調(diào)整，有兩種典型做法。第一種，GB/T 8363—2007規(guī)定[5]：對第I類異常斷口，允許忽略不超過從錘擊側(cè)算起的25 mm范圍內(nèi)的孤立脆性區(qū)；對第II、III類異常斷口，可采用有效截面向缺口根部平移的方法，即錘擊側(cè)減1.5倍試樣厚度(最多不超過28.5 mm)，缺口側(cè)減5 mm。SY/T 6476—2013規(guī)定[6]：將整個異常斷口作為有效面積評定區(qū)域或者采用缺口側(cè)減5 mm、錘擊側(cè)減0.5倍試樣厚度(最多不超過19 mm)的方式確定有效面積。方法1～3已經(jīng)成為國內(nèi)管線領(lǐng)域應(yīng)用API RP 5L3標準不可或缺的重要標準性文件。

2 提高材料DWTT剪切面積的措施

為了提高材料本身的DWTT性能，可以從優(yōu)化成分設(shè)計、提升鋼質(zhì)純凈度、降低鑄坯成分偏析、調(diào)整控軋控冷工藝制度與軋后熱處理等方面入手[8,11- 33]，實現(xiàn)細化晶粒尺寸、調(diào)整組織構(gòu)成比例、減少內(nèi)部缺陷與優(yōu)化晶粒微觀取向等效果，實現(xiàn)SA提高的最終目標。為此，國內(nèi)外所采取的技術(shù)手段如表2所示[8,11- 37]。

表2 提高DWTT剪切面積措施及其原因[8,11- 37]Table 2 Improvement methods and causes on DWTT shear area[8,11- 37]

在優(yōu)化成分設(shè)計上，推薦以Mo代Cr[28]，添加Ni等[18,23]。添加Mo元素，可以改善鑄坯的成分偏析程度[19]與抑制熱軋卷精軋階段發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶[18]。

關(guān)于提升鋼質(zhì)純凈度、降低鑄坯成分偏析，則是煉鋼與連鑄工序重點關(guān)注的控制目標?，F(xiàn)代管線鋼，特別是高級別管線鋼均采用了潔凈鋼冶煉技術(shù)、電磁攪拌或輕壓下技術(shù)，鋼中有害元素含量，夾雜物尺寸、數(shù)量與形狀，以及鑄坯成分偏析、中心疏松等缺陷都能得到有效控制。重要的是工藝穩(wěn)定運行，并在實踐過程中，找出最適合企業(yè)自身的工藝控制訣竅與關(guān)注點，如鋼水過熱度、二冷水強度與拉坯速度等。非熱裝熱送鑄坯，通過降低鑄坯預(yù)熱段加熱速度與保溫段保溫時間、保溫溫度，都有利于細化原奧氏體晶粒度，為后續(xù)晶粒細化提供良好的組織基礎(chǔ)[34- 37]。

調(diào)整控軋控冷工藝，可以分成三個階段進行精細控制，即粗軋、精軋與控制冷卻。粗軋時，可以通過提高鑄坯厚度、增加單道次壓下量、降低軋輥轉(zhuǎn)速等手段提高DWTT性能[23,29]。提高鑄坯厚度，可以提高粗軋階段的累計壓下量，對細化再結(jié)晶奧氏體晶粒有利。增加單道次壓下量，不但可以細化奧氏體晶粒，還能使整個軋件厚度方向上變形均勻，晶粒尺寸差異減小(見圖2)。若設(shè)備能力有限，無法提高單道次壓下量，可以通過降低軋輥輥速的方式，提高全厚度變形的均勻度(見圖3)。

圖2 不同壓下率下沿軋件厚度方向 分布的等效應(yīng)變曲線[29]Fig.2 Curves of equivalent strain along the thickness direction under different reductions[29]

精軋時，可以通過增加中間坯厚度、降低始軋溫度、增加累積變形量、增加道次(特別是第一道次)壓下量等手段提高DWTT性能[11,18,23,29]。增加中間坯厚度，可以顯著提高SA。改變壓下量的作用較改變溫度的作用更顯著[23]，但對熱連軋機組來說，單道次壓下量不宜過高，以免發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，對細化晶粒不利[18]。

圖3 軋輥轉(zhuǎn)速對軋件厚度方向等效應(yīng)變 分布的影響[29]Fig.3 Influence of rolling speed on the equivalent strain distribution along the thickness direction[29]

在軋后冷卻階段，降低冷卻結(jié)束溫度(或卷曲溫度)、增加冷卻速度有利于提高材料的DWTT性能[22,28,33]。黃少文等[22]將終冷溫度從520 ℃降至400 ℃，顯著降低了X100鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。胡平等[28]將冷速從20 ℃/s增加到45 ℃/s，X100鋼的-30 ℃ SA≥85%。孫昊等[36]將X80鋼的終冷溫度從650 ℃降至550 ℃，也獲得了較好的DWTT性能改善效果。降低終冷溫度、增加冷卻速度，可以使硬質(zhì)相MA細化、數(shù)量減少，降低其作為脆性開裂源點的傾向而提升DWTT性能[13,31]。同樣地，使用相似方式降低粒狀貝氏體GB與上貝氏體UB的尺寸與數(shù)量，也能起到改善DWTT性能的作用。

在組織構(gòu)成控制上，除了減少并細化MA等硬質(zhì)相，還可以通過添加有益相鐵素體F來改善鋼材的DWTT性能[20- 21,25]，這與Liu等[38]提出的多相組織控制技術(shù)改善管線鋼的綜合性能的思路一致。引入鐵素體改善韌性的核心思想是通過添加一定體積分數(shù)的鐵素體，增加基體的大角度晶界密度與細化有效晶粒尺寸。當鋼中分布細小的多邊形鐵素體晶粒時，多邊形鐵素體迫使裂紋分叉、彎曲和轉(zhuǎn)向，導(dǎo)致裂紋的擴展功提高，增加了管線鋼的韌性。當多邊形鐵素體作為第二相存在時，SA隨著多邊形鐵素體體積分數(shù)的增加呈現(xiàn)出先上升后下降的特點；當多邊形鐵素體作為主要基體組織存在時，SA主要受多邊形鐵素體晶粒大小的影響，并且晶粒越細SA越高[20]。多邊形鐵素體增多后，SA下降是有效晶粒尺寸下降造成的[21]。孫瑩等[21]認為X70、X65鋼中鐵素體體積分數(shù)分別為28%、25%時，DWTT性能最好。顯微組織中多邊形鐵素體的出現(xiàn)，還可以降低脆性相MA體積分數(shù)和顆粒尺寸[25]。

除了考慮組織構(gòu)成，還應(yīng)該考慮晶粒的擇優(yōu)取向(即織構(gòu))對材料性能的影響。控軋控冷鋼中常見織構(gòu)的種類、特點及其控制，如表3所示(表3中符號“||”表示后一個織構(gòu)由前一個織構(gòu)轉(zhuǎn)化而成)。在管線鋼中，最不希望出現(xiàn)的織構(gòu)[8]為{100}<011>、{111}<110>，它們是分層裂紋產(chǎn)生的源頭，是韌性降低的深層次原因。從表3中可以看出，變形可以強化這一類織構(gòu)，因此建議不宜采用太低的精軋終軋溫度。最希望出現(xiàn)的織構(gòu)[8]為{110}<112>、{332}<113>，它們能同時改善材料的強度、韌性與塑性，可以通過細化奧氏體晶粒、增加冷卻階段冷速與添加Mn、Ni、Nb等合金元素等手段提高其強度。研究表明[31,39]，{112}<110>、{110}<110>、{111}<112>等織構(gòu)組分的增加，有利于X80鋼止裂性能的提高。有趣的是，王海燕等[39]認為{112}<110>減少有利于低溫韌性的改善，而韓樂等[31]卻持相反的觀點。通過對比該兩項研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，王海燕等可能是因為低估了{001}<110>織構(gòu)組分減少對性能改善的作用而做出的誤判。這些研究結(jié)果中所報道的織構(gòu)與表3中的織構(gòu)有所不同，這是因為表3中的織構(gòu)均為理想織構(gòu)，而現(xiàn)實中每個理想織構(gòu)都存在若干織構(gòu)變體。

表3 控軋控冷鋼中的典型織構(gòu)及其對材料性能的影響[8]Table 3 Typical textures in TMCP steel and their effects on mechanical properties[8]

DWTT性能不是一個孤立的性能指標，管線鋼還同時要求拉伸、沖擊、板形等技術(shù)參數(shù)。滿足這些參數(shù)要求，會給DWTT帶來不同程度的影響。

中厚板生產(chǎn)過程中，為了改善板形，會增加在線熱矯與冷矯等工藝。矯直過程產(chǎn)生的附加塑性應(yīng)變，會升高材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度(DBTT)。張立英等[32]發(fā)現(xiàn),應(yīng)變量越大，DBTT改變越明顯，且壓應(yīng)力的作用大于拉應(yīng)力。這是制管后材料低溫韌性降低的原因之一。

鋼中常用強化機制，除了細晶強化，通過位錯強化與析出強化，每提高屈服強度9.8 MPa，材料的DBTT分別提高6和4 K，而細晶強化會降低10 K[14]。鐵素體- 珠光體型低碳鋼的DBTT與晶粒尺寸的平方根呈反比[14]，可見除了細化晶粒，其他提高強度的方法都不利于低溫韌性的改善。

3 結(jié)語與建議

人們正日益加深對管線鋼DWTT試驗結(jié)果與實際管體爆破結(jié)果之間關(guān)系的理解，DWTT評價方法也正逐漸完善。GB/T 8363、SY/T 6476與API RP 5L3已經(jīng)成為相輔相成的評價標準，被國內(nèi)各大管線工程所采用。關(guān)于忽略任何形態(tài)的分層裂紋以及視異常斷口為韌性良好標志的觀點，還未被廣為認同并寫進任何標準性文件。為了提高DWTT剪切面積的評價準確性與提高材料自身的本質(zhì)脆性裂紋止裂能力，提出如下建議：

(1)使用大能量的落錘試驗機，避免使用減薄樣進行DWTT剪切面積評定。

(2)改進試驗機支座形式，減輕支座與試樣間的摩擦力，并盡快實現(xiàn)試驗機的標準化。

(3)增加連鑄坯厚度、中間坯厚度，提高軋件全截面上變形均勻性。

(4)增加粗軋、精軋單道次壓下量，提高變形向軋件心部的滲透力，增強晶粒細化效果。

(5)降低精軋終軋溫度、降低終冷溫度、增加冷卻速度，細化并減少有害相，增加有益織構(gòu)組分。

(6)合理添加Ni、Mo、Cr、Mn、Nb等合金元素，優(yōu)化織構(gòu)構(gòu)成，實現(xiàn)良好的強韌性搭配。

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收修改稿日期：2016- 11- 23

MethodsofImprovingDWTTShearAreaofthePipelineSteel

Liu Wenyue1,2Ren Yi1,2Zang Shuai1,2Wang Shuang1,2Gao Hong2Liu Xiang2

(1. State Key Laboratory of Metal Material for Marine Equipment and Application, Anshan Liaoning 114009,China; 2. Institute of Iron and Steel Research, Anshan Iron and Steel Group Corporation, Anshan Liaoning 114009, China)

Drop weight tear test was widely used to evaluate the ability to arrest the propagation of brittle cracks in pipeline steels. Due to the appearance of abnormal fracture area, it is not easy to use the standard API RP 5L3 to judge the kinds of DWTT broken specimens. Improved methods of evaluating DWTT shear area were provided by analyzing the characteristics and causes of the abnormal fracture area and delaminating cracks, respectively. Further, technical procedures, such as design of chemical composition, thermo- mechanically controlled process, etc, used to enhance the DWTT shear area were reviewed, which intrinsic mechanism was analyzed at the same time. Based on those, several suggestions were provided to increase the values of DWTT shear area.

pipeline steel，DWTT，delaminating crack，abnormal fracture，shear area

劉文月，男，工學(xué)博士，高級工程師，從事管線鋼寬厚板產(chǎn)品研發(fā)，Email: wenyue_liu@aliyun.com