第四章  确定管材韧性的小试件实验

4.1  引言

提高钢材的使用性能已形成愈来愈强劲的全球化趋势。在本世纪，钢铁材料仍然是占主导地位的结构材料。各行各业的效益、效率和效能迫使结构材料最大限度地提高其使用性能水平。以石油天然气输送管道的应用为例，屈服强度由448MPa(X65）提高到690MPa(Xl00)，经济效益提高了20%。

21世纪中期，我国钢材需求量可能超过2亿吨／年，即需要在目前基础上再增加1亿吨／年的生产能力，需再投入10000亿元。国家的财力、能源、资源、环境、运输等均无法承受。提高钢的使用性能，使一吨能够顶几吨使用，是我国钢铁工业的主要出路。

提高钢的使用性能必须提高其使用强度与断裂韧性的水平。为满足社会发展的要求，西方发达国家和我国都制订了面向21世纪的“超级钢”研究计划。

日本1997年提出STX21超级钢研究计划，为期10年，总费用高达1000亿日元。其目标为普通钢屈服强度达到80OMPa，高强度钢抗拉强度达到惊人的300OMPa；

我国973项目“新一代钢铁材料的重大基础研究”，为期5年，前两年投入1500万元人民币，目标为碳素结构钢屈服强度达到400MPa，低合金钢屈服强度达到800MPa，合金结构钢抗拉强度达到1500MPa。

国内外“超级钢”计划包括了石油用钢的管线钢、油井管钢和石油、石化装备用钢等。以管线钢为例：

日本STX21超级钢计划将高性能管线钢作为其中的重要内容。发达国家已批量生产供应的高钢级管线钢管为X80，酸性环境用管为X65，已研制成功开始试用的高强度和耐酸性环境腐蚀的管线管分别为Xl00和X70，目前正在研制高强度X12O和酸性环境用的X80管线钢管。

我国973中也包含了“高性能管线钢的重大基础研究”，其目标是将现有管线钢的使用寿命延长一倍，其中包括高强度X80和酸性环境用X65管线钢的重大基础研究。

钢材的强度与韧性性能决定于材料的成分／结构以及合成/加工。

在钢材的成分／结构，即材料设计方面，超低碳贝氏体钢和超低碳马氏体钢被誉为21世纪的管线钢，其钢级为X80～X100（贝氏体）、Xl00～Xl20（马氏体）。

在钢材的合成／加工，即冶炼和加工成型工艺方面，主要的工作是保障预期的组织状态，并使钢有超高纯净度、高的均匀性和晶粒的超细化。

现代冶金技术和加工成型工艺的进展主要包括：超纯净钢冶炼技术，保证钢材中的各元素比例N≤20ppm,O≤10ppm,H≤1.0ppm；高均匀性的连铸技术，包括连续过程的电磁搅拌、连续板坯缓慢压缩（soft reduction）技术等；控制轧制、控制冷却、强制加速冷却，超细晶粒（可达1μm左右），沉淀硬化，以保障得到预期的组织结构；TiO处理等。

一般来说，对天然气管线有两种韧性要求。首先是要求全壁厚落锤撕裂实验，要求在最低设计温度下的最小剪切面积为85%，以保证不发生脆性断裂；其次是夏比冲击韧性的要求，以保证管线钢有足够的韧性，能够延性止裂。规定的夏比韧性值与下述相关：所有试件的平均值等于最小延性止裂的计算值。

本章采用我们同中国石油天然气集团公司西安石油管材研究所（CNPC）合作项目测定的高韧性管线钢CVN、DWTT冲击能量数据进行归纳比较，旨在确定现有X7O钢级钢材的物理性能及其中的规律，并为数值模拟动态断裂扩展中参数的确定提供依据。

4.2  V型缺口夏比冲击实验（Charpy V-Notch Impact Test)

CVN(Chary V-Notch）实验又称三点弯曲夏比冲击实验，是一种传统的评价材料断裂韧性的实验方法。它通过摆锤式冲击实验机对含V型缺口的小型试件的冲击破坏实验测量在此过程中的耗散功，即夏比冲击功，来评价材料的断裂韧度。

该实验简便易行，且有大量的数据积累，因此在防止结构脆性破坏或延性裂纹扩展的评价上得到广泛的应用。

实验装置和参数示意图如图4-1所示。

GB2106-80和ASMME23-96规定试样标准尺寸为10×10×55mm，缺口深度为2mm。对于2/3尺寸试样，厚度减为6.67mm，截面尺寸不变，如图4-2。

HLP组织提到冲击功大致与试样厚度的1.5次方成正比，由此得到全尺寸冲击功和2/3尺寸冲击功的近似关系：

C_2/3=0.544C_KV                        （4-1）

式中C_KV和C_2/3分别表示全尺寸试样和2/3试样的夏比冲击功。

在20世纪60年代，管线钢管开始使用控轧或热机械加工工艺钢生产。这种工艺导致壁厚中的带状组织，其内含有马氏体和贝氏体晶粒薄层。这一结果实际上产生了低合金钢复合结构。马氏体钢和贝氏体钢在对材料韧性方面有一定的好处，但这些薄的马氏体和贝氏体晶粒薄层比厚的铁素体/珠光体层还要脆，并导致产生平行于钢管表面的开裂，这种剥离被认为在轴向扩展的裂纹尖端产生。在裂尖附近的钢将明显的存在一系列的孤立的分层。这些分层多被归类为分离，并应与条带夹杂物，如MnS夹杂区分开来。壁厚的减薄将减低韧脆转化温度，所以只需添加少量的合金，材料便可具有更高的抵抗脆断的能力。断口分离现象可以从试样的断裂表面观察到，如图4-3所示。

对于断口上有分离的材料，随温度的升高，分离将最终消失，这是因为马氏体和贝氏体带也达到了上平台温度。图4-4表示典型控轧钢的夏比能量随温度的变化。夏比冲击试样上100%剪切面积对应的最小夏比能称为CV100。当所有的分离都消失时，上平台能CVP出现，其大小可能高于CV100。

图4-5给出了某种控轧钢的CVN冲击能量随温度的变化。由于在脆性断裂行为中冲击韧性值远小于韧性断裂，因而当环境温度接近或低于材料的韧脆转化温度时，测得的CVN值会明显降低。图4-6中的系列试样经历了韧脆断裂过程的转变。一般定义SA为韧性撕裂所占断口面积比，85%SATT表示韧性占85%撕裂面积对应的转化温度。

断口分离的发生情况与温度有关。随着试样温度的升高，当钢材成分中的马氏体/贝氏体层达到其上台能时，断口分离会逐渐减少直至消失。分离对上平台韧性的影响是：钢中分层越薄，韧性断裂的抗力越低。因此，材料中分离多时，其韧性比大高温下无分离的相同材料的韧性低。

图4-7选择的管线钢在实验温度范围内同时经历了韧脆转化和断口分离，对上述结论给予了证实，并可以看到发断口分离的试件的韧性稍低于未发生断口分离的试件。

夏比冲击实验的缺点是摆锤的冲击速度远远低于实际裂纹的扩展速度，同时试件厚度偏薄，使得测到的CVN能量不能严格反映裂纹扩展过程中受到的材料韧性的影响。近年来人们开始注意选择不同的韧性测定实验以提高止裂评价的准确性。在这种背景下，DWTT实验得到了广泛的重视与应用。

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