厚規(guī)格多相組織X80管線鋼DWTT分離裂紋研究

王慧慧，姜金星，高 燕，左秀榮，尹雨群，霍松波，黃凱龍

(1. 鄭州大學(xué) 材料物理教育部重點實驗室，河南 鄭州 450052； 2. 南京鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210035；3. 鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 機電工程學(xué)院，河南 鄭州 450015)

0 引 言

采用調(diào)控多相組織(軟、硬相)微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想，改變軋制后的冷卻方式，研發(fā)出了由軟相鐵素體和硬相貝氏體構(gòu)成的第三代高強度、高韌性、低屈強比管線鋼[1-2]. 微觀結(jié)構(gòu)中軟相和硬相之間的相互作用，有利于高強度和低溫韌性的良好結(jié)合，同時也可以增大裂紋起始能量和裂紋擴(kuò)展能量，從而提高了低溫韌性[3]. 優(yōu)良的裂紋止裂行為也是高鋼級管線鋼的重要性能之一. 利用落錘撕裂試驗(Drop-Weight Tear Tester, DWTT)研究厚規(guī)格多相組織管線鋼的止裂韌性時，會在斷口表面垂直于主裂紋方向上產(chǎn)生分離裂紋，導(dǎo)致DWTT剪切面積測量不準(zhǔn)確[4].

不僅DWTT試驗，夏比沖擊試驗[5]以及拉伸試驗[6]等力學(xué)性能試驗中也伴隨有分離裂紋的產(chǎn)生. Mintz[7]和Sun[8]等人研究表明拉伸試驗和夏比沖擊試驗中分離裂紋的產(chǎn)生會改變主裂紋尖端的應(yīng)力狀態(tài)，起到增加韌性的作用，提高斷裂韌性； 而Sha[9]和Sang[10]等人分別對DWTT和夏比沖擊試驗中出現(xiàn)的分離裂紋進(jìn)行了研究，研究得出分離裂紋會惡化低溫斷裂韌性. 管線鋼中帶狀組織、夾雜物、馬氏體-奧氏體(Martensite-Austenite, MA)島、晶體織構(gòu)等均可以引起分離裂紋的產(chǎn)生，分離裂紋的影響因素如此復(fù)雜，因此有必要對其產(chǎn)生機理進(jìn)行系統(tǒng)的研究[10].

本文以厚規(guī)格多相組織X80管線鋼為研究對象，進(jìn)行DWTT實驗，并在金相顯微鏡和掃描電鏡下觀察鋼板微觀組織和DWTT分離裂紋形貌，揭示厚規(guī)格多相X80管線鋼微觀組織與分離裂紋之間的關(guān)系. 通過深入地研究分離裂紋，揭示其斷裂機制，以期為生產(chǎn)工藝優(yōu)化奠定基礎(chǔ).

1 實驗材料及方法

實驗材料為熱機械控軋控冷工藝(Thermal Mechanical Control Process, TMCP)生產(chǎn)的多相組織X80管線鋼板. 取不同TMCP工藝下生產(chǎn)的兩塊鋼板，分別為1#和2#鋼板，厚度均為25.7 mm，其化學(xué)成分如表 1 所示. 在JL-100000試驗機上進(jìn)行DWTT，試驗溫度均為-31 ℃. 在兩塊鋼板寬1/4處取橫向試樣，分別進(jìn)行雙面減薄，試樣尺寸為 305 mm×76.2 mm×19.0 mm，采用V型張角45°壓制缺口，試樣尺寸如圖1 所示.

表 1 X80管線鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

垂直于DWTT斷口處取垂直于軋向試樣，試樣經(jīng)打磨拋光后用4%的硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕處理，在金相顯微鏡(OM)和掃描電子顯微鏡(SEM)下觀察鋼板微觀組織以及分離裂紋； 用Lepera試劑對試樣進(jìn)行腐蝕，在OM下觀察分離裂紋附近MA島的分布.

圖1 DWTT試驗試樣尺寸示意圖Fig.1 Dimensions of DWTT specimen

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 DWTT斷口形貌分析

分離裂紋普遍存在于管線鋼DWTT斷口上，為能準(zhǔn)確全面地分析分離裂紋，對兩試樣DWTT斷口中不同位置處分離裂紋進(jìn)行了研究. 剪切面積分別為92%和75%的1#、2# DWTT試樣宏觀斷口形貌如圖2 所示，從圖中可以看出，不同位置處分離裂紋形貌不同，1#、2#試樣厚度1/2處分離裂紋深度較深、開口程度大，而厚度1/4處分離裂紋深度淺，開口程度小，同時剪切面積為92%的1#試樣斷口表面分離裂紋數(shù)量明顯少于剪切面積為75%的2#試樣.

圖2 1#和2# DWTT試樣宏觀斷口形貌Fig.2 Macroscopic fracture morphology of DWTT samples 1 and 2

DWTT試驗時，因試樣壓制缺口處材料韌性劣化以及根部處彈性變形受缺口的約束，這將導(dǎo)致裂紋起裂時厚度方向變形量較小，形成的離面應(yīng)力也較小，以至于無法引起分離裂紋的產(chǎn)生，從而缺口根部處主裂紋優(yōu)先起裂擴(kuò)展. 隨著主裂紋不斷擴(kuò)展，裂紋穿過缺口材料劣化區(qū)域后，裂紋尖端變形量開始增大，形成較大的離面應(yīng)力，在試樣厚度1/2處開始產(chǎn)生分離裂紋. 由于試樣厚度較大，分離裂紋在厚度1/2處產(chǎn)生后，相繼地，厚度1/4處產(chǎn)生了分離裂紋. 隨著主裂紋在裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段的擴(kuò)展，分離裂紋在試樣厚度1/2和1/4處交替出現(xiàn). 主裂紋擴(kuò)展至裂紋非穩(wěn)定擴(kuò)展階段，由于壓頭和彎曲的作用，形成剪切唇，導(dǎo)致此處試樣厚度較原始厚度增大，受到其它部位材料的約束，從而產(chǎn)生沿厚度方向的壓應(yīng)力，因此在試樣斷口的最后階段，沒有分離裂紋的產(chǎn)生[11].

2.2 微觀組織觀察分析

圖3 為1#和2#試樣不同厚度處微觀組織照片，從圖中可以看出，1#和2#試樣微觀組織均由軟相多邊形鐵素體 (polygonal-like ferrite, PF)、準(zhǔn)多邊形鐵素體 (quasi-polygonal-like ferrite, QPF)、針狀鐵素體 (acicular ferrite, AF)和硬相粒狀貝氏體(granular bainite,GB)、貝氏體鐵素體 (bainitic ferrite, BF)、MA島構(gòu)成. 在鋼板厚度方向上不同位置處微觀組織有所差異，即從厚度1/4至厚度1/2，1#試樣PF和AF體積分?jǐn)?shù)逐漸增大，而GB、QPF和BF減少； 而2#試樣組織中PF、AF、BF體積分?jǐn)?shù)逐漸增大，GB、QPF減少. 兩試樣GB和PF體積分?jǐn)?shù)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他組織，其中2#試樣GB體積分?jǐn)?shù)高于1#試樣，而1#試樣PF體積分?jǐn)?shù)高于2#試樣.

圖3 1#和2#試樣不同厚度處組織SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM micrographs of sample 1 and sample 2 in different thickness

3 分離裂紋產(chǎn)生機理研究

兩試樣受錘擊應(yīng)力時，因應(yīng)力集中，發(fā)生三維塑性變形，主裂紋尖端處于三維應(yīng)力狀態(tài)，其中離面應(yīng)力造成分離裂紋的產(chǎn)生. 當(dāng)弱界面處的抗拉強度小于離面應(yīng)力時，弱界面自身則會被離面應(yīng)力拉開形成分離裂紋. 弱界面通常是一些帶狀組織、夾雜物等缺陷處，因與基體組織之間存在強度差異，易成為分離裂紋起始位點[11-12].

在圖2中1#和2#DWTT斷口表面畫線部分六個位置處，沿畫線方向取垂直于軋向試樣，試樣經(jīng)4%硝酸酒精溶液腐蝕后，觀察到的分離裂紋周圍帶狀組織分布如圖4 所示. 圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)分別對應(yīng)圖2中1#試樣abc畫線位置處，圖4(d)、圖4(e)、圖4(f)分別對應(yīng)圖2中2#試樣abc畫線位置處. 從圖中可以看出，不同位置處帶狀組織有所不同，分離裂紋多產(chǎn)生于1#, 2#試樣厚度1/4，1/2處，且位于帶狀組織區(qū)域，也即分離裂紋多產(chǎn)生于帶狀組織較嚴(yán)重的部位，并沿帶狀組織擴(kuò)展，這說明斷口分離的發(fā)生與帶狀組織密切相關(guān).

圖4 1#和2#試樣DWTT分離裂紋截面宏觀照片F(xiàn)ig.4 Macroscopic morphology of the cross-sectional area beneath delamination crack of DWTT sample 1 and sample 2

為了進(jìn)一步研究帶狀組織與分離裂紋之間的關(guān)系，在OM下對分離裂紋處帶狀組織進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)分離裂紋處帶狀組織主要分為三種類型： 第一種是分離裂紋位于GB帶區(qū)域，如圖5(a)所示； 第二種是分離裂紋處帶狀組織既有GB帶也存在PF帶，但分離裂紋發(fā)生在GB帶與PF帶之間，并沿GB帶擴(kuò)展延伸形成，如圖5(b)所示； 第三種是分離裂紋處帶狀組織是由GB帶和PF帶相互交織構(gòu)成，如圖5(c)所示. 在圖5(b)中，第二種分離裂紋處GB帶附近存在明顯的PF帶，而分離裂紋沿GB帶形成，表明GB帶較PF帶更容易引起分離裂紋的產(chǎn)生.

圖5 分離裂紋金相照片F(xiàn)ig.5 Optical images of delamination crack

為了研究微觀組織與斷裂行為之間的關(guān)系，對分離裂紋萌生、擴(kuò)展以及裂紋止裂附近組織進(jìn)行OM和SEM觀察. 圖6 為第一種和第三類型的分離裂紋斷裂表面形貌，其帶狀組織分布分別如圖5(a)、圖5(c)所示. 圖6(c)、圖6(d)分別是圖6(a)、圖6(b)中方框放大圖，從圖中可以看出，兩分離裂紋均起始于發(fā)生塑性變形的GB帶處，如圖中箭頭所指. 圖6(e)、圖6(f)分別是兩分離裂紋底部SEM照片，從圖中可以看出，兩處分離裂紋底部形狀圓潤. 從斷裂力學(xué)的角度分析這一分離裂紋出現(xiàn)的條件如下

圖6 分離裂紋SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM micrographs of delamination cracks

因分離裂紋始于貝氏體帶，當(dāng)貝氏體體積分?jǐn)?shù)增大，形成的貝氏體帶增多時，可以作為分離裂紋的起始位點將會增多，形成的分離裂紋數(shù)量也會增多. 1#試樣GB體積分?jǐn)?shù)低于2#，因而分離裂紋數(shù)量少于2#. 分離裂紋深度隨著主裂紋的傳播而增加，開口程度取決于離面應(yīng)力大小以及主裂紋起裂、加速時的應(yīng)力狀態(tài). 厚度1/2處離面應(yīng)力最大，隨距厚度1/2的距離越遠(yuǎn)，離面應(yīng)力越小，表面處離面應(yīng)力為零. 厚度1/2處形成分離裂紋后，試樣被分為兩個薄試樣，繼而在厚度1/4處離面應(yīng)力出現(xiàn)最大值，但厚度1/4處離面應(yīng)力小于厚度1/2處，因此對于同一位置處，厚度1/2處分離裂紋開口寬度大于厚度1/4處.

圖7 為DWTT斷口分離裂紋附近組織SEM照片. 從圖7(a)中可以看出，分離裂紋沿GB帶擴(kuò)展時，裂紋保持近直線的擴(kuò)展路徑，以穿晶斷裂方式從上至下穿過整個GB內(nèi)部，且較多數(shù)量的MA島分布在裂紋處. 硬相GB中MA島以及相鄰亞結(jié)構(gòu)晶界取向差別小，對阻礙裂紋擴(kuò)展的作用較小，因而擴(kuò)展路徑接近平直. 從圖7(b)中可以看出，裂紋穿過GB，遇到大尺寸PF時，擴(kuò)展方向發(fā)生偏折，并沿細(xì)小的PF晶界平滑擴(kuò)展. 因微應(yīng)變多集中于軟/硬相之間，軟相和硬相之間存在硬度差異，兩者之間容易形成裂紋，并沿軟硬相間界面?zhèn)鞑13-14]. 從圖7(c)中可以看出，裂紋擴(kuò)展過程中遇到軟相PF與硬相GB時，由于PF強度低塑性好，而GB強度高、塑性差，將沿二者之間界面形成裂紋. 從圖7(c)和圖7(d)中均可以看出，分離裂紋右側(cè)組織發(fā)生較嚴(yán)重的塑性變形，裂紋多次在PF與GB交界處發(fā)生偏折后，以沿晶斷裂方式沿PF晶界傳播，同時不斷地受大角度PF晶界的阻礙，裂紋連續(xù)偏折，提高了裂紋擴(kuò)展功，最終止裂于GB處.

圖7 分離裂紋附近微觀組織Fig.7 Optical images of microstructure and crack propagation beneath delamination

圖8 為兩分離裂紋處擴(kuò)展階段以及底部末端MA島分布圖. GB上彌散分布著較多的MA島，可以看作是一種由鐵素體和MA島組成的復(fù)相結(jié)構(gòu). 從圖8(a)中可以看出，GB內(nèi)部MA島緊密分布在裂紋邊界處，擴(kuò)展路徑平直. 說明分離裂紋經(jīng)過GB時，沿著MA島與鐵素體界面擴(kuò)展，又由于MA島脆且硬，裂紋也容易發(fā)生在兩個緊密相鄰的MA島之間[15]. 從圖8(b)中可以明顯地看出，裂紋經(jīng)過MA島沿著PF晶界不斷擴(kuò)展. 分離裂紋擴(kuò)展時不僅發(fā)生穿晶斷裂，裂紋平直穿過GB，而且也發(fā)生沿晶斷裂，裂紋沿PF晶界不斷地擴(kuò)展. 分離裂紋擴(kuò)展不是一種簡單的脆性斷裂行為，而是穿晶斷裂和沿晶斷裂同時存在，但是當(dāng)穿晶裂紋遇到PF時，很快被阻礙，擴(kuò)展方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致沿PF晶界擴(kuò)展，這也與Park[16]等人的研究結(jié)果相一致. 從圖8(c)和圖8(d)中可以看出，PF和GB分布在分離裂紋兩側(cè)，裂紋在兩軟硬相組織間擴(kuò)展時，沿該界面?zhèn)鞑ィS著裂紋不斷擴(kuò)展，能量逐漸被消耗，擴(kuò)展至GB內(nèi)部時，眾多MA島逐漸鈍化裂紋尖端，擴(kuò)展受阻，最終能量被完全消耗，停滯向前，形成底部形狀圓潤的分離裂紋.

圖8 分離裂紋附近MA島Fig.8 Optical images of MA constituents beneath delamination

在多相組織X80管線鋼中，分離裂紋通過GB發(fā)生穿晶斷裂，擴(kuò)展中被PF晶界阻止時，發(fā)生沿晶斷裂. 細(xì)小的PF晶粒其界面作為大角度晶界，迫使裂紋分叉和偏折，只有不斷地穿越GB、PF和MA島等微觀組織，以及硬相和軟相之間界面，裂紋才能繼續(xù)擴(kuò)展下去[17]. 穿過界面數(shù)量越多，提高的裂紋擴(kuò)展功就越顯著，韌性越大，DWTT性能越好. 2#試樣PF少于1#，而GB多于1#，形成的分離裂紋數(shù)量多于1#，因此2#試樣剪切面積值低于1#. 多相組織中適量的PF有利于斷裂韌性的提高，但當(dāng)PF過量時，其增強韌性的作用將會消失，反而會降低鋼板的斷裂韌性[18].

4 結(jié) 論

1) 多相組織X80管線鋼微觀組織包括GB、PF、QPF、BF、AF.

2) 分離裂紋起始于GB帶，并沿帶狀組織擴(kuò)展，底部形狀圓潤.

3) 在多相組織中，分離裂紋擴(kuò)展方向多次偏折，最終止裂于GB處，在擴(kuò)展過程中，穿過GB內(nèi)部，發(fā)生穿晶斷裂，路徑平直，說明GB對分離裂紋阻礙作用較小，沿PF發(fā)生沿晶擴(kuò)展，增加了斷裂韌性.

4) 多相組織中少量的GB以及適量的PF有利于減少分離裂紋的產(chǎn)生.