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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勁的全球化趨勢。在本世紀，鋼鐵材料仍然是占主導地位的結構材料。各行各業(yè)的效益、效率和效能迫使結構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用為例，屈服強度由448MPa(X65）提高到690MPa(Xl00)，經(jīng)濟效益提高了20%。

21世紀中期，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)達國家和我國都制訂了面向21世紀的“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，總費用高達1000億日元。其目標為普通鋼屈服強度達到80OMPa，高強度鋼抗拉強度達到驚人的300OMPa；

我國973項目“新一代鋼鐵材料的重大基礎研究”，為期5年，前兩年投入1500萬元人民幣，目標為碳素結構鋼屈服強度達到400MPa，低合金鋼屈服強度達到800MPa，合金結構鋼抗拉強度達到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)達國家已批量生產(chǎn)供應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研究”，其目標是將現(xiàn)有管線鋼的使用壽命延長一倍，其中包括高強度X80和酸性環(huán)境用X65管線鋼的重大基礎研究。

鋼材的強度與韌性性能決定于材料的成分／結構以及合成/加工。

在鋼材的成分／結構，即材料設計方面，超低碳貝氏體鋼和超低碳馬氏體鋼被譽為21世紀的管線鋼，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化。

現(xiàn)代冶金技術和加工成型工藝的進展主要包括：超純凈鋼冶煉技術，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，包括連續(xù)過程的電磁攪拌、連續(xù)板坯緩慢壓縮（soft reduction）技術等；控制軋制、控制冷卻、強制加速冷卻，超細晶粒（可達1μm左右），沉淀硬化，以保障得到預期的組織結構；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：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，因此在防止結構脆性破壞或延性裂紋擴展的評價上得到廣泛的應用。

實驗裝置和參數(shù)示意圖如圖4-1所示。

GB2106-80和ASMME23-96規(guī)定試樣標準尺寸為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60年代，管線鋼管開始使用控軋或熱機械加工工藝鋼生產(chǎn)。這種工藝導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。這一結果實際上產(chǎn)生了低合金鋼復合結構。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，并導致產(chǎn)生平行于鋼管表面的開裂，這種剝離被認為在軸向擴展的裂紋尖端產(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%剪切面積對應的最小夏比能稱為CV100。當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小于韌性斷裂，因而當環(huán)境溫度接近或低于材料的韌脆轉化溫度時，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%撕裂面積對應的轉化溫度。

斷口分離的發(fā)生情況與溫度有關。隨著試樣溫度的升高，當鋼材成分中的馬氏體/貝氏體層達到其上臺能時，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)歷了韌脆轉化和斷口分離，對上述結論給予了證實，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遠低于實際裂紋的擴展速度，同時試件厚度偏薄，使得測到的CVN能量不能嚴格反映裂紋擴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確性。在這種背景下，DWTT實驗得到了廣泛的重視與應用。

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