X80管线钢断裂韧性测试方法探讨

赵天娆，张 华，李丽锋，罗金恒，赵新伟

(1.西安石油大学 材料科学与工程学院，西安 710065；2.中国石油集团石油管工程技术研究院，西安710077)

X80管线钢断裂韧性测试方法探讨

赵天娆1，张 华2，李丽锋2，罗金恒2，赵新伟2

(1.西安石油大学 材料科学与工程学院，西安 710065；2.中国石油集团石油管工程技术研究院，西安710077)

采用GB/T 21143—2007规定的钝化线方法测试了X80管线钢延性断裂韧度JIC，并与采用微观断口裂纹伸张区方法确定的表观启裂韧性Ji对比。结果表明：GB/T 21143—2007规定的左边界线判定条件存在数据有效性误判情况，用钝化线方法确定的X80管线钢断裂韧性值偏高，建议在X80管线钢延性断裂韧性测试时保留GB/T 21143—2007中的钝化线形式，左边界线由钝化线偏置量0.1mm调整为0.03mm，钝化线偏置量由0.2mm调整为0.035mm。

管线钢；断裂韧性；阻力曲线；伸张区宽度；钝化线

0 前 言

近年来，随着天然气管道向着大直径、高压、大壁厚的方向发展，由于裂纹尖端应力应变状态的变化，管道发生断裂的风险也在不断提高，管材的断裂控制就显得至关重要。合适的管线钢断裂韧性表征在管道设计、安全评价中有着重要意义。J积分作为弹塑性断裂力学参量被提出后，广泛应用于研究和解决工程实际问题[1-8]。在材料领域，关于J积分测试和表达方法取得了一些进展，也颁布了一系列标准，但在启裂点的确定上，已有的标准还是存在一些差异。到目前为止，对延性金属由钝化到启裂过程的认识以及启裂点的确定方法仍处于不断完善之中[9-11]。笔者依据GB/T 21143—2007《金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法》，采用J积分测试方法测定X80管线钢断裂韧性，并与采用微观断口裂纹伸张区(SZW)方法确定的表观启裂韧性进行了验证对比，同时对基于钝化线的X80管线钢JIC确定方法提出了改进建议。

1 断裂韧性试验

试验材料为X80管线钢，其常规力学性能见表1。试验采用多试样法，试样为三点弯曲标准试样，共7个，试样尺寸如图1所示。制样时先在试样长度中心划线，在线切割机上用0.12mm的钼丝沿宽度方向加工长为16mm，宽为0.12mm的机械缺口，然后预制疲劳裂纹。预制疲劳裂纹的加载载荷为正弦波形的循环应力，初期的最大载荷Ffmax=20 kN，最小载荷Ffmin=2 kN；最后阶段的Ffmax=17 kN，Ffmin=1.7 kN，应力循环的总周次11 000～16 000。预制疲劳裂纹长度4mm，使a/W 约为0.5。试验依据 GB/T 21143—2007在MTS810疲劳试验机进行，分别对7个三点弯曲试样按照预先设定的各不相同的裂纹扩展量进行加载。

表1 试验用X80管线钢的常规力学性能

图1 三点弯曲试样示意图

1.1 试验结果及分析

根据GB/T 21143—2007规定的J积分值计算公式(1)，分别计算7个X80管线钢三点弯曲试样的不同裂纹扩展量对应的J积分值，其中塑性变形功UP根据各试样的施力点位移曲线计算，结果见表2。

式中：F—试验力；

S—三点弯曲加载装置两支撑辊之间跨距，S=4W±0.2W；

BN—开侧槽试样两侧槽之间的净厚度，对无侧槽试样BN=B；

v—泊松比；

E—弹性模量；

Up—塑性变形功；

Δa—裂纹扩展量。

有效的数据点是正确拟合R阻力曲线的前提。根据GB/T 21143—2007规定的上、左、右界限及数据间距有效性判定后，只有6＃试样的数据点在左界限以外。即根据这一判定，6＃试样的数据点是无效的。

表2 X80管线钢三点弯曲试验数据

1.2 伸张区方法确定Ji

韧性金属的裂纹在开裂之前会先产生钝化，在扫描电镜下观察断口所显示的裂纹扩展量Δa，不但包括裂纹的真实扩张量，也包括裂纹钝化形成的伸张区(SZW)。当伸张区宽度达到饱和时，裂纹启裂，这时的伸张区宽度也称为钝化区。因此，用饱和伸张区宽度确定的表观启裂韧性被认为最接近材料的真实断裂韧性[12-13]。

对加载后的试样进行二次疲劳后压断，断面如图2所示，分为初始裂纹区(线切割+疲劳裂纹区)、伸张区(SZW)、延性稳定扩展区(DZW)和压断区。裂纹扩展量Δa=aSZW+aDZW。采用扫描电镜放大试样断口测量伸张区宽度，结果见表3。根据GB/T 21143—2007，裂纹扩展量 Δa＜aSZW+0.2mm的数据点不能用于饱和伸张区宽度ΔaSZW的计算。6＃试样的数据不符合上述要求，如图3所示，在计算饱和伸张区宽度ΔaSZW计算时去掉该点。用剩余数据点计算平均有效饱和伸张区宽度结果ΔaSZW=0.134mm。

图2 1#试样伸张区微观形貌 200×

表3 断裂伸张区宽度测量数据

图3 6#试样伸张区微观形貌 200×

根据国标左、右、上界限及数据间距有效性判定和裂纹扩展量Δa＜aSZW+0.2mm的数据点不能用于饱和伸张区宽度ΔaSZW的计算的规定都将6#试样数据点排除，从表面上看，GB/T 21143—2007的有效条件严密合理。但是6#试样的裂纹扩展量 Δa=0.19mm，而用符合 GB/T 21143—2007规定的测量数据计算出的饱和伸张区宽度ΔaSZW=0.134mm小于0.19mm，从这个意义上讲裂纹扩展量0.19mm也发生了启裂，并扩展了0.056mm，即存在误判情况。

因此，6#试样的裂纹扩展数据应判定为有效，重新计算饱和伸张区宽度ΔaSZW=0.127mm。用所有的数据点拟合R阻力曲线，曲线公式见式(2)。如图4所示，在阻力曲线坐标系中平行于纵坐标轴通过平均饱和伸张区宽度的平均值作一条直线，与R曲线的交点所对应的J值Ji=226.981 kJ/m2，经计算验证Ji符合GB/T 21143—2007的有效性要求。所以，X80管线钢表观启裂韧性Ji=226.981 kJ/m2。

图4 X80管线钢表观启裂韧性确定

1.3 钝化线偏置确定JIC

用饱和伸张区宽度确定的表观启裂韧性虽真实可信，但需多次测量每个断口显微照片的裂纹长度，方法相对繁琐[5]。GB/T 21143—2007规定钝化线向右偏置0.2mm与R阻力曲线的交点对应的J0.2BL(B)值，在符合有效性验证条件和非尺寸敏感性判据时，记为J0.2BL即材料的断裂韧度JIC。但需注意的是，GB/T 21143—2007中判断J0.2BL(B)为J0.2BL的非尺寸敏感性判据不合理，应将“等号”修改为“小于等于”[11]。经验证符合有效性条件和非尺寸敏感性条件，依照GB/T 21143—2007确定的X80管线钢延性断裂韧性 J0.2BL,即 JIC为418.450 kJ/m2，如图5所示。

图5 钝化线偏置确定JIC

2 分析讨论及改进建议

用钝化线确定断裂韧性时有三个关键因素，即R阻力曲线、钝化线和钝化线偏置量。在R阻力曲线已确定和符合有效性条件的前提下，钝化线的斜率和钝化线偏置量成为影响JIC确定的关键因素。

不同标准中的钝化线形式见表4。钝化线实际上是一种形式上的线，其斜率在一定范围内变化，取决于材料的强度、塑性和形变强化能力，因此不能用一条特定的钝化线表达所有材料的钝化行为。也就是说，标准规定的钝化线方程并不一定能准确地描述不同材料的钝化行为。GB/T 21143—2007规定，钝化线的斜率为材料抗拉强度的3.75倍，相比旧版标准GB/T 2038—1980和GB/T 2038—1991中的钝化线斜率做了大幅调整，在偏置量均为0.2mm的情况下，GB/T 21143—2007结果最接近真实值，但仍远大于Ji，如图6所示。因此，建议在依据标准GB/T 21143—2007测试X80管线钢断裂韧性时，保留GB/T 21143—2007中的钝化线形式J=3.75RmΔa。

表4 不同标准中的钝化线形式

图6 不同钝化线形式确定的X80管线钢断裂韧性对比

在GB/T 21143—2007未发布前，有文献反映旧版标准GB/T 2038—1991中的钝化线斜率过低，导致数据有效性条件过于苛刻，建议仍采取GB/T 2038—1980规定的钝化线及左边界线[14-16]。对于 GB/T 2038—1980，GB/T 2038—1991以及GB/T 21143—2007规定的左边界线偏置量分别为0.03mm，0.15mm和0.1mm。采用GB/T 21143—2007钝化线形式，对比三种偏置量情况下的左边界线，偏置量为0.15mm和0.1mm时均判定6＃试样的数据为无效数据点，偏置量为0.03mm时，均为有效数据，这与前面分析的结论一致，同时偏置量为0.03mm的左边界线与R阻力曲线的交点对应的裂纹扩展量为0.121mm，小于饱和伸张区0.127mm，如图7所示。为保守起见，建议测试X80管线钢断裂韧性时左边界线采取GB/T 2038—1980中的左边界线偏置量，即将左边界线调整为钝化线向右偏移0.03mm。

图7 不同偏置量的左边界线对比

用GB/T 21143—2007确定的X80管线钢延性断裂韧度J0.2BL与表观启裂韧性Ji=226.981 kJ/m2相差较大，基于GB/T 21143—2007测定的X80管线钢断裂韧性值偏高，主要原因是确定J0.2BL的钝化线偏置量为0.2mm，与R阻力曲线交点处对应的裂纹扩展量Δa为0.374mm，与饱和伸张区宽度0.127mm相比，已启裂并发生一定的裂纹扩展量，因此J0.2BL大于真实的JIC。另外，过(aSZW，Ji)做钝化线的平行线，确定相比钝化线的偏置量为0.035mm，远小于标准中确定J0.2BL的钝化线偏置量0.2mm。因此，建议将钝化线偏置量0.2mm调整为0.035mm。

3 结 语

通过试样断口分析和裂纹伸张区宽度方法确定的X80管线钢断裂韧性JIC与依据GB/T 21143—2007测得JIC存在较大差异。断口分析表明在采用GB/T 21143—2007确定的JIC值处，裂纹已经有了一定的稳定扩展，同时根据标准规定左边界线判定为无效的数据点实际已启裂并有一定的裂纹扩展量。GB/T 21143—2007中JIC值是由钝化线偏置0.2mm与R阻力曲线交点来确定，而钝化线方法不能准确测量X80管线钢断裂韧性JIC。建议在X80管线钢断裂韧性JIC测试时，左边界线由钝化线偏置量0.1mm调整为0.03mm，钝化线偏置量由0.2mm调整为0.035mm。调整后与R阻力曲线交点对应的J值与伸张区方法确定的Ji对应，且裂纹扩展量与裂纹饱和伸张区宽度相吻合。

[1] BELEY J A，LANDS J D.The J integral as a fracture criterion,Fracture toughness[C]//Proceedings of the National Symposium on Fracture Mechanics，Part II，ASTM STP 514.USA： American Society for Testing and Materials，1972：1-20.

[2] LANDS J D，BELEY J A.The effect of specimen geometry on JIC,Fracture toughness[C]//Proceedings of the National Symposium on Fracture Mechanics，Part II，ASTM STP 514.USA：American Society for Testing and Materials，1972：24-39.

[3] LANDS J D,BELEY J A.Test results from J-integral studies:an attempt to establish a JICtesting procedure.Fracture toughness[C]//Proceedings of the National Symposium on Fracture Mechanics，Part II，ASTM STP 560.USA：American Society for Testing and Materials，1974：170-186.

[4] 金心全，李印生.J积分测试中Up与(W-a)关系的标定试验[J].西南交通大学学报，1982(02)：23-33.

[5] 杨卓青.907A钢及焊缝金属的J积分测试及剩余强度分析[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2005.

[6] 赵新伟，罗金恒，陆民旭，等.油气管道适用性评价及软件研究进展[J].压力容器,2002,19(05):30-34.

[7] 冯耀荣，李鹤林，杜百平，等.输油管线的安全评价与寿命预测[J].压力容器,1998，15(03)：59-63.

[8] 张华，赵新伟，罗金恒，等.X80管线钢断裂韧性及失效评估图研究[J].压力容器,2009,26(12)：1-4.

[9] 冯苏宁，汪承璞，季思凯.试验确定JIC试验启裂韧度的SZW细观测量法[J].理化检验-物理分册，1995，31(02)：41-42.

[10]伯钟明，魏嘉荃.低温延性断裂韧度JIC测试技术编制说明[J].大庆石油学报,1990,14(03)：100-106.

[11]张立新，韩巍，王伟，等.《金属材料 准静态断裂韧度的统一试验方法》(GB/T 21143—2007)试验标准的研讨[J].工程与试验，2012，52(04)：8-10.

[12] LAI ZUHAN，MA CHANGXIANG.Comparison of several methods of JICdetermination[J].Engineering Fracture Mechanics，1985，22(06)：1117-1119.

[13] TOSAL L，RODRIGUEZ D，BELZUNCE F J，et al.A crack tip blunting analysis in the ductile-brittle transition of a structural steel[J].Fatigue Fract.Engng.Mater.Struct.,2000(03)：365-369.

[14]尹建成，刘瑞堂，杨卓青，等.断裂韧度JIC中的钝化线方程[J].机械强度，2006，28(04)：566-569.

[15]郭浩，李光福，杨瑞鹏，等.X70管线钢断裂韧度的测试分析[J].理化检验-物理分册,2005,41(02):76-78.

[16]王俊，刘瑞堂，杨卓青，等.对J积分测试方法中几个问题的讨论[J].机械强度,2004,26(06):696-700.

Discussion on Test Method of X80 Pipeline Steel Fracture Toughness

ZHAO Tianrao1,ZHANG Hua2,LI Lifeng2,LUO Jinheng2,ZHAO Xinwei2
(1.College of Materials Science and Engineering,Xi’an Shiyou University,Xi’an 710065,China;2.CNPC Tubular Goods Research Institute,Xi’an 710077,China)

Adopting the blunting line method specified in GB/T 21143—2007 Specification to test the ductile fracture toughnessJICof X80 pipeline steel,and compared with macro fracture crackJidetermined by the micro fracture crack extension zone methods.The results showed that the left border line stipulated in GB/T 21143—2007 misjudged the data,the JICvalue of X80 pipeline steel determined by the blunting line method is much higher.It is suggested keep the blunting line form in GB/T 21143—2007 during the ductile fracture toughness test,adjust the left border line offset from 0.1mm to 0.03mm,and adjust the blunting line offset 0.2mm to 0.035mm.

pipeline steel;fracture toughness;resistance curve;stretching zone width;blunting line

TG113.25

A

1001-3938(2015)03-0011-05

赵天娆(1989—)，女，西安石油大学材料与科学工程研究院材料工程专业硕士研究生。

2014-11-05

罗 刚