管線鋼DWTT評定影響因素分析

劉云峰，王 晶

（山鋼股份萊蕪分公司，山東 萊蕪271104）

1 前 言

管線鋼產(chǎn)品是中厚板企業(yè)生產(chǎn)的重點(diǎn)產(chǎn)品，該系列產(chǎn)品的落錘撕裂性能是評判其韌性的重要指標(biāo)。落錘撕裂試驗(yàn)是檢驗(yàn)管線鋼性能的重要試驗(yàn)項(xiàng)目，主要用于防止管道鋼管在使用過程中由于脆性破壞而突然發(fā)生事故造成嚴(yán)重后果。管線鋼在使用過程中的安全系數(shù)取決于落錘撕裂試驗(yàn)的準(zhǔn)確性［1］。落錘撕裂試驗(yàn)是通過對試樣斷口形貌進(jìn)行分析和測量，從而判定材料的斷裂韌性，不同的試驗(yàn)過程及評判方法就會(huì)產(chǎn)生不同的試驗(yàn)結(jié)果［2］。山鋼股份萊蕪分公司自2009年起研發(fā)試制了多個(gè)級別的管線鋼，在進(jìn)行落錘撕裂試驗(yàn)的過程中，出現(xiàn)了多種迥異的試樣，如何采用科學(xué)的方法正確進(jìn)行評價(jià)，從而指導(dǎo)生產(chǎn)并提高用戶使用安全性具有重要的意義。

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)備采用JL-50000落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，主機(jī)高度5.7 m，工作高度為2 m，最大沖擊能量20 000～50 000 J，錘頭基本重量1 700 kg，4塊配重鉈，砧座跨距254 mm，砧座圓弧半徑15.5 mm，錘頭圓弧半徑25 mm，錘頭硬度HRC 58～HRC 65，有對中裝置，可實(shí)現(xiàn)試樣的自動(dòng)對中，錘擊速度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

試驗(yàn)材料為萊鋼生產(chǎn)的X70管線鋼，鋼板厚度21 mm，，采用TMCP工藝生產(chǎn)。落錘試樣加工成305 mm×76.2 mm的全厚度橫向試樣，壓制缺口，試樣放入-15℃的酒精低溫槽中冷卻并保溫25 min，迅速取出10 s內(nèi)打斷試樣。落錘性能采用剪切面積百分比表示，即從用于評定斷口的凈截面面積中減去脆性斷裂區(qū)面積，再除以凈截面面積，用百分?jǐn)?shù)表示。為了能夠相互比較，對比試驗(yàn)進(jìn)行50頻次，通過歸類分析，發(fā)現(xiàn)了其中的一些規(guī)律。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 沖擊能量的影響

落錘試驗(yàn)的沖擊能量取決于錘體的質(zhì)量及工作高度，根據(jù)公式 獲得。由公式得知，錘體的質(zhì)量越大，工作高度越高，其沖擊能量越大。試驗(yàn)中對于相同材料采用相同溫度、不同的沖擊能量進(jìn)行錘擊（本試驗(yàn)不改變錘體質(zhì)量，依靠增加工作高度獲得不同的沖擊能量），得出了不同的剪切面積比，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，繪折線圖如圖1所示。

表1 不同沖擊能量下的試驗(yàn)結(jié)果

如表1、圖1所示，沖擊能量過小，不能將試樣一次打斷，此時(shí)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定作為無效試樣，而隨著沖擊能量的加大，試樣的剪切面積反而減小，并且試驗(yàn)中多次出現(xiàn)異常斷口，給評定工作帶來影響。落錘試驗(yàn)過程即為鋼材動(dòng)態(tài)斷裂的過程，裂紋的擴(kuò)展是在多個(gè)裂紋的擴(kuò)展、止裂和起裂中交替進(jìn)行的，沖擊能量過大時(shí)會(huì)使受重錘沖擊的一面所產(chǎn)生的脆性斷裂區(qū)擴(kuò)展，容易使缺口下的延性斷裂轉(zhuǎn)化為解理斷裂，脆性斷裂區(qū)增大，使評出的剪切面積比偏小，不能真實(shí)地反映出材料的斷裂韌性指標(biāo)。反之，如果錘斷能量過小，無論錘頭的質(zhì)量或提升的高度不夠，不能一次錘斷試樣（如本試驗(yàn)中的1號試樣），進(jìn)行第二次錘斷時(shí)會(huì)造成嚴(yán)重的加工硬化，使脆性斷裂區(qū)擴(kuò)展，應(yīng)視為無效試樣。

GB/T 8363—2007規(guī)定了試驗(yàn)機(jī)沖擊能量的選用，應(yīng)參照鋼材夏比V型缺口標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣沖擊吸收能量與缺口形狀的近似關(guān)系曲線圖，選用原則是能打斷試樣即可，無需過多設(shè)定［2］。

圖1 落錘沖擊能量與剪切面積比關(guān)系

3.2 錘擊速度的影響

根據(jù)物體自由落體速度公式22，速度與高度有直接關(guān)系，即高度提升越高，最終速度越大。上述試驗(yàn)中單純依靠增加錘體的提升高度來增加沖擊能量，在獲得高能量的同時(shí)也獲得了越來越大的速度，得出的試樣的剪切面積卻越來越?。ㄒ妶D1）。所以速度越大，材料表現(xiàn)出來的脆性也越大，也就越容易形成異常脆性斷口，對于試樣剪切面積的評定有較大的影響。

錘體自高處落下，速度逐漸加大，至接觸試樣之前最終速度達(dá)到最大，在接觸試樣的一瞬間速度開始降低，試樣則沿應(yīng)力集中處（即缺口處）開始裂紋擴(kuò)展，試樣的吸收能量越大，錘體速度越小。裂紋擴(kuò)展的速度是錘頭功和試樣的內(nèi)能共同作用的結(jié)果，錘頭對試樣所做的功使試樣裂紋擴(kuò)展、塑性變形增大，同時(shí)內(nèi)能相應(yīng)增加，裂紋擴(kuò)展速度越慢即試樣的止裂能力越強(qiáng)，則錘頭對試樣的作用力就越大。如果試樣材料本身韌性差，其斷裂面大多數(shù)具有脆性特征，形變強(qiáng)化區(qū)和其后的撕裂區(qū)成為一個(gè)脆性整體，載荷將隨著試樣的起裂、裂紋擴(kuò)展直至試樣完全斷裂逐步降低為零。裂紋脆性起裂后在極短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到非常高的擴(kuò)展速度，裂紋由彈性應(yīng)變能驅(qū)動(dòng)快速擴(kuò)展，錘頭脫離試樣且速度不再降低，錘頭的最終速度與試樣吸收的功有關(guān)［3］。

通過對上述試驗(yàn)中各組試樣斷口的分析比較得出，試樣錘斷速度對斷口有很大影響，試樣不同沖擊能量（速度）的典型斷口比較如圖2所示。資料表明所有材料都有一個(gè)臨界受載速度，在臨界速度以下，材料呈現(xiàn)正常的性能，而在臨界速度以上，材料呈現(xiàn)類似玻璃的脆性，雖然采用相同的錘斷能量，但高度不同，自由落體后的錘斷速度不同，其斷口形貌也不同［4］。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定沖擊時(shí)試驗(yàn)錘的速度應(yīng)在5～9 m/s，根據(jù)本試驗(yàn)機(jī)的錘體質(zhì)量和自由落體公式計(jì)算得出，錘體高度應(yīng)在1.25～4.05 m，而本試驗(yàn)機(jī)最大錘頭提升高度為2.0 m（能量50 000 J），故只要錘頭提升高度超過1.25 m（即能量32 000 J），就可以符合標(biāo)準(zhǔn)對試驗(yàn)沖擊速度的要求。所以試驗(yàn)時(shí)盡量通過加大錘頭的配重、減小錘頭上升的高度來增加錘斷能量，這樣可以降低出現(xiàn)異常脆性斷口的頻率［5］。

圖2 不同沖擊速度的典型試樣斷口形貌

3.3 試樣對中裝置的影響

試驗(yàn)設(shè)備帶有對中裝置，人工放置試樣，依靠試樣缺口對試樣定位和對中，自動(dòng)送樣至試驗(yàn)位置。同夏比沖擊試驗(yàn)類似，落錘沖擊試驗(yàn)同樣對錘刃中心線與試樣缺口中心線及砧座中心線的對中有嚴(yán)格的要求，三線對中，任何偏差超出允許范圍，均會(huì)影響最終試驗(yàn)結(jié)果。如果試樣與錘頭的對中性不能保證，試驗(yàn)過程中試樣所受到的應(yīng)力狀態(tài)就會(huì)發(fā)生改變，使裂紋擴(kuò)展的韌脆狀態(tài)和方向發(fā)生變化，導(dǎo)致斷口形貌不能真實(shí)反映材料的性能，進(jìn)而影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。再者，錘頭經(jīng)受長期大載荷沖擊會(huì)造成錘頭松動(dòng)，錘頭和試樣缺口中心距變大、超差；試樣的支撐裝置在小能量和低頻率的使用情況下一般不會(huì)發(fā)生變化，如果試樣多、厚度規(guī)格大且吸收能量高，在大量動(dòng)載荷的沖擊作用下，會(huì)造成底座松動(dòng)、移位，兩砧座的距離加大等，超出標(biāo)準(zhǔn)的要求，從而影響試驗(yàn)準(zhǔn)確性。

為了保證設(shè)備良好的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)室應(yīng)根據(jù)設(shè)備的使用情況，及時(shí)對支座間距離、錘頭和缺口的中心距做定期測試和調(diào)整。

3.4 異常斷口評定

按照常規(guī)理論，試樣受到錘頭沖擊時(shí)，在缺口處首先脆性起裂，經(jīng)過止裂、重新起裂等系列過程，錘擊側(cè)應(yīng)以韌性斷裂終止［6］。在高強(qiáng)度和高韌性管線鋼實(shí)際落錘試驗(yàn)的過程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)韌性起裂、脆性斷裂終止的逆向斷口（見圖3a）；還有的在斷口上出現(xiàn)分層裂紋（如圖3b所示），在檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的不斷變更中，將此類斷口稱為異常斷口，并作為有效試樣進(jìn)行評定。

圖3 落錘試驗(yàn)試樣異常斷口

分別在逆向斷口試樣和斷口分層試樣上切取試樣做金相分析，斷口金相組織如圖4所示。

圖4a所示的逆向斷口組織表明，雖然試樣呈現(xiàn)異常斷口，但組織細(xì)小均勻無異常，說明異常斷口的產(chǎn)生并不一定是材質(zhì)問題，而是高韌性的材料在錘體沖擊特定條件下形成的。

圖4b顯示，斷口分層試樣的金相組織中存在大片珠光體形成的帶狀組織，管線鋼橫向帶狀組織界面形成了薄弱界面，試樣承受沖擊載荷時(shí)將會(huì)產(chǎn)生明顯的塑性變形并伴隨著裂紋擴(kuò)展。當(dāng)作用于厚度方向的拉應(yīng)力足夠大，帶狀組織的薄弱界面就會(huì)產(chǎn)生裂紋，形成平行于鋼板表面的分層缺陷。又由于試樣斷裂時(shí)，裂紋的擴(kuò)展為剪切方式，作用于分層的斷面上時(shí)，部分裂紋的擴(kuò)展與斷面呈一定的角度。在評定的有效區(qū)內(nèi)，以斷口的投影面為評定面，垂直于投影面的分層區(qū)內(nèi)的脆性斷裂面不作計(jì)算，而與斷面呈一定角度的脆性斷裂面則應(yīng)計(jì)算在內(nèi)［7］。

圖4 落錘試驗(yàn)試樣異常斷口金相組織（橫向）

管線鋼因使用條件惡劣、質(zhì)量要求高，具有高韌性，普通夏比沖擊吸收能量可達(dá)到300～400 J，甚至更高。逆向脆性斷口多出現(xiàn)于高韌性的管線鋼中，由于材料的韌性很高，在錘擊時(shí)雖然從缺口起裂，但錘頭受到的阻力大，試樣斷裂速度減慢，從而使錘擊面受到?jīng)_擊載荷后產(chǎn)生硬化而變?yōu)榇嘈詳嗔眩?］。鋼板越厚，則需要的斷裂能量越大，同時(shí)在撞擊部分由于加工硬化而產(chǎn)生的逆斷口也越大。標(biāo)準(zhǔn)在制定的過程中充分考慮了加工硬化的影響，所以規(guī)定在計(jì)算剪切面積時(shí)，需要在錘擊側(cè)去掉一個(gè)壁厚，而對于一個(gè)壁厚以外的脆性斷口，不能忽略其脆性的存在，應(yīng)按照實(shí)際剪切面積計(jì)算。

對于其他異常斷口，試樣通常采用在錘擊側(cè)扣除1.5倍試樣厚度（＞19 mm時(shí)扣除28.5 mm），缺口根部扣除5 mm后的截面作為評定有效區(qū)，這也是多數(shù)鋼廠采用的比較合理的評定方法。由于試樣錘斷后在厚度和寬度方向均出現(xiàn)明顯的塑性變形，因此應(yīng)事先測量好厚度和寬度尺寸并以此為基礎(chǔ)尺寸進(jìn)行評價(jià)，可大大降低評定區(qū)的測量誤差，提高試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié) 論

綜上所述，進(jìn)行管線鋼落錘撕裂試驗(yàn)剪切面積評定時(shí)，影響評定結(jié)果的因素有：

1）落錘能量的選擇要適中，一般以能打斷試樣為原則，無需過多設(shè)定，否則不能真實(shí)反映材料的斷裂韌性指標(biāo)。

2）錘擊速度在標(biāo)準(zhǔn)中有明確的規(guī)定，但不能單純依靠提升錘體高度來實(shí)現(xiàn)，合理的方法是增加錘體的配重，盡量減低錘體高度，以減少異常斷口的發(fā)生。

3）經(jīng)常檢查試樣對中裝置，及時(shí)對支座間距離、錘頭和缺口的中心距做定期的測試和調(diào)整，保證正確反映材料的斷口形貌。

4）異常斷口作為有效試樣進(jìn)行評定，測量區(qū)內(nèi)的脆性部分均按照實(shí)際剪切面積計(jì)算，對于分層斷口只將與斷面呈一定角度的脆性斷裂面計(jì)算在內(nèi)。

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