δ5間接測(cè)量法測(cè)試管線鋼止裂韌性CTOA試驗(yàn)研究

劉 冬，李榮鋒，邱保文，陳士華，吳立新

（武漢鋼鐵（集團(tuán)）公司研究院，湖北 武漢 430080）

δ5間接測(cè)量法測(cè)試管線鋼止裂韌性CTOA試驗(yàn)研究

劉 冬，李榮鋒，邱保文，陳士華，吳立新

（武漢鋼鐵（集團(tuán)）公司研究院，湖北 武漢 430080）

為解決多數(shù)實(shí)驗(yàn)室不具備δ5專用夾式引伸計(jì)而無(wú)法實(shí)現(xiàn)δ5間接測(cè)量法對(duì)裂紋尖端張開(kāi)角CTOA的測(cè)試問(wèn)題，該文另辟蹊徑借鑒直接法測(cè)試CTOA中的數(shù)值圖像相關(guān)方法，通過(guò)工業(yè)攝像機(jī)采集試樣撕裂過(guò)程圖像，然后在圖像上直接測(cè)試δ5和裂紋擴(kuò)展量Δa，進(jìn)而求得裂紋尖端張開(kāi)角CTOA。采用該方法重點(diǎn)測(cè)試3件X80管線鋼試樣的穩(wěn)態(tài)裂紋擴(kuò)展階段臨界CTOA值（CTOA）c，并依據(jù)試驗(yàn)斷裂形式從原理上分析試驗(yàn)結(jié)果的有效性，確認(rèn)被測(cè)X80管線鋼的（CTOA）c為10.32°。

固體力學(xué)；裂紋尖端張開(kāi)角；δ5間接測(cè)量法；止裂韌性；管線鋼

0 引 言

20世紀(jì)70年代至今，國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展了大量關(guān)于管線鋼延性斷裂止裂韌性的研究。通過(guò)試驗(yàn)及理論分析發(fā)現(xiàn)，裂紋尖端張開(kāi)角（crack tip opening angle，CTOA），形象直觀，測(cè)試過(guò)程簡(jiǎn)單，可以滿足高強(qiáng)度、高韌性管線鋼止裂韌性預(yù)測(cè)的需要，被認(rèn)為是一種具有發(fā)展前途的止裂韌性參數(shù)[1-3]。目前采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24522—2009《金屬材料 低拘束試樣測(cè)定穩(wěn)態(tài)裂紋擴(kuò)展阻力的試驗(yàn)方法》測(cè)試裂紋尖端張開(kāi)角CTOA；其中，推薦采用的4種CTOA測(cè)試方法為穩(wěn)態(tài)撕裂時(shí)直接測(cè)量法（光學(xué)顯微和數(shù)值圖像相關(guān)方法）、試驗(yàn)后測(cè)量（顯微形貌法）、有限元法和通過(guò)δ5間接測(cè)量。現(xiàn)階段，已有大量采用穩(wěn)態(tài)撕裂時(shí)直接測(cè)量法及有限元法的文獻(xiàn)報(bào)道，但是采用試驗(yàn)后測(cè)量及通過(guò)δ5間接測(cè)量的方法少有研究[4-5]。本文主要采用δ5間接測(cè)量法來(lái)測(cè)試管線鋼止裂韌性CTOA，研究該方法在管線鋼止裂韌性CTOA試驗(yàn)中的適用性。

1 δ5間接測(cè)量法原理

J.Heerens和M.Sch?del[6]研究發(fā)現(xiàn)，δ5-R阻力曲線與CTOA之間存在一定的相關(guān)性。如圖1所示，隨著穩(wěn)態(tài)裂紋擴(kuò)展量Δa的增長(zhǎng)，預(yù)制疲勞裂紋尖端張開(kāi)位移CTOD也在增加，在預(yù)制疲勞裂紋尖端5mm原始標(biāo)距處測(cè)量的位移δ5也相應(yīng)增加。如果δ5的增量與CTOD的增量相等，那么δ5-R曲線的斜率即為裂紋尖端張開(kāi)角CTOA，如式（1）所示：

圖1 δ5間接測(cè)量法原理圖

2 試驗(yàn)設(shè)備及材料選擇

試驗(yàn)在MTS810-25型液壓伺服材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。δ5的數(shù)據(jù)采集國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24522—2009中推薦采用一種特殊的δ5夾式引伸計(jì)，需要特別定制，如圖1所示。本文中采用標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)可但并未詳述的一種數(shù)值圖像法測(cè)試δ5，并采用北京航空航天大學(xué)研制的CM-01型穩(wěn)態(tài)裂紋測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)高速攝像機(jī)對(duì)CTOA試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行連續(xù)圖像采集，再通過(guò)采集到的圖像分析δ5的實(shí)時(shí)變化數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)選用材料為X80管線鋼，其力學(xué)性能指標(biāo)分別如表1所示。試樣加工標(biāo)準(zhǔn)緊湊拉伸試樣，參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24522—2009。

表1 試驗(yàn)用X80管線鋼的力學(xué)性能

3 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)前準(zhǔn)備3件加工好的X80管線鋼緊湊拉伸試樣，首先將試樣夾持到MTS810-25型液壓伺服材料試驗(yàn)機(jī)上，通過(guò)COD規(guī)控制預(yù)制5mm疲勞裂紋，然后在預(yù)制疲勞裂紋裂尖上、下2.5 mm處粘貼δ5標(biāo)簽，調(diào)整CM-01型穩(wěn)態(tài)裂紋測(cè)試系統(tǒng)的攝像機(jī)位置，通過(guò)調(diào)焦及調(diào)整放大倍數(shù)，使得裂紋尖端及剩余韌帶部分在視場(chǎng)內(nèi)清晰可辨。設(shè)置圖像采集頻率為3幀/s，通過(guò)位移控制試驗(yàn)加載方式，加載速率為5mm/min。開(kāi)啟拉伸試驗(yàn)程序的同時(shí)開(kāi)啟圖像采集程序，直至拉伸試驗(yàn)結(jié)束，停止圖像采集。試驗(yàn)結(jié)束后，通過(guò)CM-01型穩(wěn)態(tài)裂紋測(cè)試系統(tǒng)自帶裂紋測(cè)量軟件對(duì)各過(guò)程對(duì)應(yīng)照片上裂紋擴(kuò)展量Δa進(jìn)行測(cè)量，δ5的測(cè)量通過(guò)測(cè)試標(biāo)簽兩圓心的間距實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。

圖2 Δa與δ5的測(cè)試示意圖

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3件X80管線鋼緊湊拉伸試樣采用δ5間接測(cè)量法測(cè)試后，對(duì)試樣撕裂全過(guò)程采集圖像進(jìn)行分析測(cè)量，測(cè)得各階段的裂紋擴(kuò)展量Δa及δ5，繪制δ5-R阻力曲線，如圖3所示。從圖中可以看出，在試樣拉伸撕裂過(guò)程中，隨著裂紋擴(kuò)展量Δa的增加，δ5基本呈線性增加趨勢(shì)。試樣S01與試樣S02、S03的變化趨勢(shì)略有不同，其斜率略大于試樣S02、S03。

圖3 X80管線鋼緊湊拉伸試樣的δ5-R阻力曲線

根據(jù)式（1）結(jié)合δ5-R阻力曲線各點(diǎn)原始數(shù)據(jù)，可以求得各階段采集圖片上CTOA值，繪制CTOAΔa阻力曲線，如圖4所示。3件試樣CTOA值在裂紋擴(kuò)展初期均較大，隨著裂紋擴(kuò)展量的增大，CTOA值逐漸趨于平穩(wěn)。標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24522—2009定義該平穩(wěn)階段的CTOA值為穩(wěn)態(tài)裂紋擴(kuò)展階段臨界CTOA值（CTOA）c，用該值表征材料的止裂韌性。同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24522—2009還給定了（CTOA）c的計(jì)算范圍，Δamin為（CTOA）c的下限，為CTOA達(dá)到穩(wěn)定值后的對(duì)應(yīng)的Δa，而Δamax為（CTOA）c的上限，是CTOA測(cè)量不受試樣幾何形狀及厚度影響的最大裂紋擴(kuò)展量，對(duì)于緊湊拉伸試樣，由式（2）求得：

圖4 X80試樣有效計(jì)算范圍的δ5-R阻力曲線及擬合直線

其中：W——試樣寬度；

a0——試樣初始裂紋長(zhǎng)度。

本次試驗(yàn)預(yù)制疲勞裂紋后，測(cè)量初始裂紋長(zhǎng)度為72.5mm，試樣寬度為150mm。根據(jù)式（2）得到Δamax= 19.375mm，Δamin根據(jù)3條曲線趨勢(shì)判斷約為10mm，對(duì)圖3中位于該有效計(jì)算區(qū)間的測(cè)試曲線進(jìn)行線性擬合，擬合直線斜率分別為0.18，0.16，0.14，換算成角度，得到3件試樣（CTOA）c分別為10.32°，9.17°，8.13°。

3件試樣均為管線鋼X80，且試樣尺寸完全一致，但測(cè)試（CTOA）c結(jié)果卻存在較大偏差，主要由于試樣在撕裂過(guò)程中斷裂形式不一致。理論上講，金屬材料的韌性斷裂過(guò)程主要是其中非金屬組成以及第二相顆粒之間的微觀孔隙的成核、生長(zhǎng)以及合并的過(guò)程。最大塑性應(yīng)變平面是孔隙合并的優(yōu)先位置，因此，±45°方向平面是裂紋初始變形最先開(kāi)始的位置。另外，隨著載荷的增加，0°方向發(fā)生頸縮最嚴(yán)重，這就加速了裂尖的孔隙合并，從而導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展，因此，試樣最薄的位置也是裂紋擴(kuò)展的方向之一，即0°方向[7]。

根據(jù)這一理論，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者得出了管線鋼在撕裂過(guò)程中的3種斷裂形式[7-8]：1）平面斷裂（0°方向）；2）剪切斷裂（±45°方向）；3）混合斷裂（既有平面斷裂，又有剪切斷裂）。管線鋼材料在撕裂試驗(yàn)中可能發(fā)生多種形式的斷裂。

圖5～圖7分別為試樣S01、S02、S03裂紋擴(kuò)展量達(dá)到約17.5mm時(shí)裂紋輪廓形貌。從3幅圖中可以看出，3件試樣斷裂形式均為混合斷裂，在裂紋擴(kuò)展初期均發(fā)生了±45°方向的剪切斷裂，試樣S01剪切斷裂階段很短，迅速轉(zhuǎn)入平面斷裂形式，而試樣S02、S03剪切斷裂階段較長(zhǎng)，基本上在裂紋擴(kuò)展量超過(guò)10mm后才進(jìn)入平面斷裂形式。剪切斷裂形式的長(zhǎng)期存在導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展路徑發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，偏離了初始預(yù)制裂紋平面，圖5～圖7中橫線為初始預(yù)制平面，裂紋擴(kuò)展約17.5mm后，裂紋尖端所處平面與初始預(yù)制疲勞裂紋平面偏轉(zhuǎn)角分別為0.79°，19.66°，22.39°。對(duì)照之前3件試樣（CTOA）c測(cè)試結(jié)果可以看出，裂紋擴(kuò)展平面與初始預(yù)制疲勞裂紋平面偏轉(zhuǎn)角越大，裂紋上、下輪廓線彎曲越嚴(yán)重，測(cè)試臨界CTOA值（CTOA）c越小。由此可以判斷，這種偏轉(zhuǎn)嚴(yán)重影響了（CTOA）c的測(cè)試準(zhǔn)確性，為保證測(cè)試結(jié)果的有效性，該偏轉(zhuǎn)角不能過(guò)大。標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24522—2009指出：“當(dāng)初始平直疲勞預(yù)制裂紋面與偏離的擴(kuò)展裂紋面夾角超過(guò)10°時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果無(wú)效。”本次試驗(yàn)結(jié)果恰好驗(yàn)證了標(biāo)準(zhǔn)中該條列提出的合理性，同時(shí)可以確定試樣S01測(cè)試結(jié)果滿足該測(cè)試有效性判據(jù)，為管線鋼X80試樣測(cè)試（CTOA）c有效值。

圖5 試樣S01裂尖相對(duì)試樣中心線偏轉(zhuǎn)角圖解

圖6 試樣SO2裂尖相對(duì)試樣中心線偏轉(zhuǎn)角圖解

圖7 試樣SO3裂尖相對(duì)試樣中心線偏轉(zhuǎn)角圖解

這種裂紋擴(kuò)展路徑的偏移嚴(yán)重影響了（CTOA）c的測(cè)試，帥健、陳福來(lái)等[9]研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)試樣進(jìn)行減薄可以盡可能避免裂紋擴(kuò)展路徑的偏移。但管線鋼材料往往表面強(qiáng)度及韌性等性能優(yōu)于內(nèi)部，如果對(duì)試樣減薄后測(cè)試，得到的（CTOA）c不能真實(shí)反映管線鋼材料實(shí)際使用時(shí)的止裂韌性，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果偏于保守。因此必須考慮在保證測(cè)試結(jié)果真實(shí)有效反映材料止裂性能的前提下，盡可能得到較長(zhǎng)的穩(wěn)定的裂紋擴(kuò)展階段。今后的研究重點(diǎn)將考慮從試樣幾何形態(tài)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)加載方式等方面進(jìn)行改進(jìn)，以保證讓原板厚CTOA試樣裂紋擴(kuò)展路徑盡量不發(fā)生偏移。

5 結(jié)束語(yǔ)

1）有別于國(guó)外采用專門的δ5引伸計(jì)測(cè)試CTOA，本文采用光學(xué)方法，通過(guò)數(shù)值圖像測(cè)試δ5，從而實(shí)現(xiàn)管線鋼X80的CTOA測(cè)試。

2）采用δ5間接測(cè)量法測(cè)試CTOA過(guò)程中，隨著裂紋擴(kuò)展量Δa的增加，δ5基本呈線性增加趨勢(shì)。在有效測(cè)試區(qū)間內(nèi)，測(cè)試得到3件X80管線鋼試樣穩(wěn)態(tài)裂紋擴(kuò)展階段臨界CTOA值（CTOA）c分別為10.32°，9.17°，8.13°。

3）通過(guò)3件管線鋼X80試樣撕裂試驗(yàn)過(guò)程中斷裂形式的分析，確定剪切斷裂形式的存在導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展平面相對(duì)初始預(yù)制疲勞裂紋平面發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，影響了（CTOA）c測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。依據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 24522—2009中規(guī)定，該偏轉(zhuǎn)角大于10°時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果無(wú)效，由此確定試樣S01測(cè)試結(jié)果滿足有效性判據(jù)，10.32°為管線鋼被測(cè)X80試樣測(cè)試（CTOA）c有效值。

[1]帥健，張宏，王永崗，等.輸氣管道裂紋動(dòng)態(tài)擴(kuò)展及止裂技術(shù)研究進(jìn)展[J].石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004，28（3）：129-135.

[2]馬秋榮，霍春勇，馮耀榮.管線斷裂控制參量的研究[J].焊管，2002，25（4）：15-20.

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[9]帥健，陳福來(lái)，劉梅玲，等.X70管道鋼裂紋擴(kuò)尖端張開(kāi)角的試驗(yàn)研究[J].工程力學(xué)，2008，25（7）：201-205.

CTOA measurement experimental study on δ5indirect measurement method in pipeline steel

LIU Dong，LI Rong-feng，QIU Bao-wen，CHEN Shi-hua，WU Li-xin
（Research and Development Center of Wuhan Iron and Steel Group CORP，Wuhan 430080，China）

Since a lot of labs didn't have specialδ5clip gage，theδ5indirect measurement for CTOA （crack tip opening angle）testing was hardly carried out.A new method was tried to complete theδ5indirect measurement.In the new method，industrial camera was used for photo collection during the tearing test period，in order to testδ5and Δaof each photo.By a series ofδ5and Δawere achieved，the CTOA was easy calculated.In this paper，the steady-state critical（CTOA）C of three X80 pipeline samples were tested.Simultaneity，the validity of the results was inspected by the fracture modes of samples.As a result，the （CTOA）C of X80 pipeline was assured to be 13.09°.

solid mechanics；crack tip opening angle；δ5indirect measurement；arrest toughness；pipeline steel

TG111.91；TG115.5+7；TH871；TP274+.2

：A

：1674-5124（2014）05-0032-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.05.008

2014-01-17；

：2014-03-12

劉 冬（1985-），男，湖北武漢市人，工程師，碩士，主要從事金屬材料力學(xué)性能測(cè)試與研究。