拉伸速率对高钢级管线钢断裂方式的影响研究

张小立,张振国,范积伟,穆云超,王亮亮

(中原工学院,郑州 450007)

拉伸速率对高钢级管线钢断裂方式的影响研究

张小立,张振国,范积伟,穆云超,王亮亮

(中原工学院,郑州 450007)

MA岛对裂纹扩展具有阻碍作用,高钢级管线钢中裂纹为沿着MA岛走;裂纹启裂位置为晶粒边界和MA岛边界处.X80管线钢存在较好的塑性变形能力,当塑性变形区不断扩展,并且达到一定程度时,裂纹连接并失稳扩展.不同加载速率下的断口形貌为:慢速加载时韧性断裂以韧窝为主,速率升高后,断裂逐渐向脆性方式转变,韧窝变浅.这种由加载速率引起的断裂方式转化对管线的设计与运行有重要的参考价值.

高钢级管线钢;拉伸速率;MA岛;延性;裂纹;断裂方式

提高输送压力意味着高效率,是天然气输运技术发展的趋势,但这必须以管道型材的高韧性、高强度作为安全性保障[1].这就为材料设计提出了更高的要求.目前,钢铁作为传统材料,面临着其他材料的竞争,铝、钛及其合金和塑料逐渐蚕食原本属于钢铁的领地.如果钢铁不想退出竞争,就必须保持成本和价格优势,不断地通过改善钢材内部组织结构,来提高性能、迎接挑战[2].

拉伸试验方法简单、过程直观,试样易加工,试验结果有代表性,是金属物理性能检验工作中最常用的试验方法之一[3].拉伸试验结果的真实性和准确性,既与试样的材质均匀性有关,又受到取样、试样加工以及试验过程的各种因素的综合影响.长期以来,对于拉伸试验过程的控制比较随意,一方面,没有精确控制试验过程所需要的硬件条件,另一方面,找不到合理控制试验过程的科学依据.因此,有必要通过试验,研究拉伸速率对试验结果的影响规律,了解拉伸速率与高钢级管线钢断裂方式之间的关系,这对高钢级管线钢富气状态下的失效及安全评价有很好的借鉴作用.本文在对拉伸速率与断裂方式的研究中,选择拉伸速率为 0.01 mm/s、0.1 mm/s、1 mm/s,分析各管线钢力学性能的变化,并进行断口分析,研究拉伸速率对断裂方式的影响,为材料的使用设计提供依据.

1 试验方法及过程

在研究中选择了不同编号的X80级管线钢BA8、HA8、JU8、J F8;为了对比研究 ,选择了一种 X70管线钢,编号为J F7.拉伸试验在在S810-15自动拉伸试验机上进行,拉伸试样均采用φ12.5 mm试样,并按ASTM A370-2002标准规定进行,选择拉伸速率为0.01 mm/s、0.1 mm/s、1 mm/s.

高钢级管线钢的组织研究在S360型扫描电子显微镜(SEM)上进行.

2 结果与讨论

2.1 拉伸速率对力学性能的影响

各管线钢化学成分如表1所示.其中,Ceq=C+Mn/6+(Mo+Cr+V)/5+(Ni+Cu)/15.

从表1可以看出,本试验中进行比对的5件管线钢,其中J F7为X70管线钢,虽然碳当量较低,但碳含量却是最高的.其余碳当量Ceq相近.

表1 各管线钢化学成分%

上述管线钢的扫描组织如图1所示.可以看出,BA8和HA8 X80管线钢的铁素体形状都显示被拉长,成细条状,呈典型的针状铁素体形貌,而J F8和JU8 X80管线钢的铁素体晶粒呈等轴多边形;在铁素体晶内和晶粒界面处,以上高钢级管线钢都存在由MA岛构成的贝氏体粒,所不同的是 HA8和JU8的贝氏体粒细小弥散,而其中BA8和J F8的贝氏体粒较为粗大,成片状.同以上各X80管线钢相比,J F8的贝氏体组织所占比例很高.因而由以上可见,HA8和JU8 X80钢应该拥有极佳的力学性能,而J F8 X80应该拥有较高的强度和硬度.

图1 各高钢级管线钢SEM组织观察

针状铁素体是低碳钢(C<0.15%)典型的贝氏体组织,由带有高位错密度的板条铁素体晶粒组成,若干铁素体板条平行排列构成板条束,一个奥氏体晶粒可形成很多板条束,板条界为小角度晶界,板条束界面则为大角度晶界.针状铁素体所以具有较高的韧性,是因为裂纹在扩展过程中不断受到彼此咬合、互相交错分布的针状铁素体的阻碍.而弥散分布的贝氏体粒,可以起到细晶强化和韧化的作用.这是因为韧性代表了材料抵抗变形和断裂的能力.由于晶粒细小,外力可以由更多细小的晶粒所承受,晶粒内部和晶界附近的应变度相差小,因而材料受力均匀,应力集中较小,裂纹不易形成.即使产生了裂纹,由于晶粒细小、晶界较多,而且相邻晶粒具有不同的位向,于是当塑性变形或微裂纹由一个晶粒穿越晶界进入另一晶粒时,塑性变形或微裂纹将在晶界处受阻.同时,一旦塑性变形或微裂纹穿过晶界后,滑移方向或裂纹扩展方向发生改变,必然消耗更多的能量.以上因素均促使裂纹形成和扩展的能量提高,即表现为韧性的提高.

实际上,由位于晶界的细小弥散贝氏体粒和针状铁素体形成的高钢级管线钢组织,就相当于短纤维增强和颗粒增强的复合材料.短纤维具有使裂纹偏转反射的作用,而位于晶界的硬相-贝氏体粒可以使变形中的位错钉扎,从而使强度进一步提高.

各管线钢慢拉伸试验的力学性能如图2所示.

图2 不同慢拉伸速率条件下管线钢力学性能的变化

从图2可以看出,以上各编号管线钢的延性随着慢拉速率的提高,均在0.1 mm/s拉伸速率下出现一个拐点.延性随着慢拉速率的提高,先增加后降低.强度的变化趋势正好相反.而且从图2(c)可以看出,BA8和J F8拥有最高的强度,这和组织的分析结果是一致的.图2中的3个图表明,细小粒状贝氏体分布和细长的铁素体形态有利于管线钢塑性和延性的提高.当拉伸速率为0.1 mm/s时,管线钢的延性最佳,而对强度的影响不大.这说明在管线钢富气服役状态下,富气压力有一个最佳值.

2.2 拉伸速率与断口和组织的关系

图3所示是273 K时在3个不同加载速率下管线钢的断口形貌.

图3 不同加载速率下的断口形貌

由图3可以看出,慢速加载时韧性断裂以韧窝为主;速率升高后,断裂逐渐向脆性方式转变,韧窝变浅.这种由加载速率引起的断裂方式转化对管线的设计与运行有重要的参考价值.

通常,在加载速率变化的情况下,延伸率和断面收缩率都发生相应的变化,先增加后降低;而对抗拉强度的变化不是很明显.一般认为,断面收缩率比延伸率更能真实地反映材料真实极限变形能力.这是因为MA岛对裂纹扩展具有阻碍作用.其机理如图4所示.从图4(a)可以看到裂纹沿着粒状贝氏体扩展;当塑性变形区不断扩展,裂纹链接后,裂纹便失稳扩展,如图4(b)所示.在该研究中,JU8因为组织的良好形态和弥散分布的粒状贝氏体而拥有较好的极限变形能力.

3 结 语

(1)MA岛对裂纹扩展具有阻碍作用,裂纹为沿着岛走;裂纹启裂位置为晶粒边界和MA岛边界处.X80管线钢存在较好的塑性变形能力,当塑性变形区不断扩展,并且达到一定程度时,裂纹连接并失稳扩展.

(2)不同加载速率下的断口形貌为:慢速加载时韧性断裂以韧窝为主;速率升高后,断裂逐渐向脆性方式转变,韧窝变浅.这种由加载速率引起的断裂方式转化对输送管线的设计与运行有重要的参考价值.

图4 管线钢中裂纹扩展机理

[1] 李鹤林.油气输送钢管的发展动向与展望[J].焊管,2004,27(6):1-11.

[2] 冯耀荣,马秋荣.油气管道失效模式与性能要求的探讨[C].乌鲁木齐:第三届全国管道技术学术会议,2006.

[3] 张小立,庄传晶.X80级管线钢热影响区的局部脆化[J].钢铁,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

博士后基金项目(20060390319)

张小立(1969-),女,甘肃武威人,高级工程师,博士.