dc試樣異常斷口形貌分析

dc試樣異常斷口形貌分析

0異常斷口問題原油和天然氣行業(yè)廣泛采用沉降軸（ddtt）試驗(yàn)，研究了管道鋼的沉降性能。根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,有效試樣是指整個(gè)斷裂面呈現(xiàn)延性斷裂的試樣或缺口根部呈現(xiàn)解理斷裂的試樣。如果缺口下的斷裂為延性斷裂接著轉(zhuǎn)化為解理斷裂,則試樣無效,其斷口稱為異常斷口。高強(qiáng)度、高韌性管線鋼在用DWTT試驗(yàn)方法進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí),異常斷口時(shí)有發(fā)生。自20世紀(jì)70年代出現(xiàn)DWTT試樣的異常斷口問題以來,研究人員對其產(chǎn)生的原因和消除方法已進(jìn)行了大量的研究,提出了許多消除異常斷口的辦法,雖然在一定程度上可以減少異常斷口的產(chǎn)生,但限于斷裂理論的發(fā)展,并未找出產(chǎn)生異常斷口的真正原因,問題未獲得圓滿的解決,常常是不加區(qū)別地將異常斷口試樣作為無效試樣,將其從試驗(yàn)結(jié)果中剔除。采用這種處理方法得到的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行管線設(shè)計(jì)和安全評定,會存在很大的事故隱患。近年來隨著輸氣管線用管的直徑越來越大,輸送工作壓力越來越高,對管材的強(qiáng)度和韌性要求也越來越高,異常斷口問題又成為管道安全評價(jià)中的一個(gè)突出問題。如何對異常斷口進(jìn)行客觀地評價(jià),準(zhǔn)確地判斷管材的止裂能力,對保證大直徑、高輸送壓力管線的安全具有重要意義。筆者基于三維斷裂理論,考慮試樣變形、材料性能和斷裂的耦合作用,對高性能管線鋼DWTT試樣異常斷口進(jìn)行了詳細(xì)的試驗(yàn)研究分析。1異常斷口形貌DWTT試樣有較長的裂紋擴(kuò)展路徑,試樣會出現(xiàn)不同的斷裂類型。常規(guī)鋼材,壓制缺口使缺口周圍材料脆化足以使其脆性起裂;韌性較高的材料,即使壓制缺口過程使材料脆化,也不能使試樣在缺口根部脆性起裂。韌性起裂是異常斷口產(chǎn)生的先決條件,只有管線鋼的韌性超過一定水平后,DWTT試樣缺口根部才可能韌性起裂。不同壁厚的高強(qiáng)度、高韌性管線鋼DWTT試樣均有可能產(chǎn)生異常脆性斷口,圖1為X70級不同壁厚管材DWTT試樣的異常斷口。異常斷口中缺口根部附近沒有發(fā)生脆性斷裂,斷裂面上斷裂的形式由韌性轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈?。圖2為X70級管線鋼不同缺口形式試樣出現(xiàn)的異常脆性斷口。高強(qiáng)度、高韌性管線鋼在實(shí)際試驗(yàn)中,“人”字型缺口并不能完全抑制異常斷口的產(chǎn)生,即使更尖銳的線切割缺口也不能完全消除異常斷口的產(chǎn)生。試驗(yàn)也表明:含有背槽DWTT試樣,背槽的存在并不能減小試樣的起裂功,僅對載荷位移曲線的尾部有明顯的影響,在一定程度上減小了錘擊側(cè)的三維應(yīng)力約束,降低了產(chǎn)生解理斷裂的可能性。但由于填充背槽的高強(qiáng)鋼墊片直接作用于背槽底部,使錘頭作用的影響深度更大,又使其產(chǎn)生解理斷裂的可能性增大。所以,無論是壓制缺口或是人字型缺口,均可產(chǎn)生異常斷口。因此,在試樣背部加背槽對消除異常斷口是無效的。根據(jù)DWTT試樣斷口中脆性區(qū)產(chǎn)生的原因不同,常見的異常斷口形貌可分為三類:第一類異常斷口是試樣韌性起裂后,經(jīng)歷較長的韌性穩(wěn)定擴(kuò)展,在韌性裂紋擴(kuò)展接近錘擊邊時(shí),僅在錘擊區(qū)域產(chǎn)生孤立的脆性斷裂形貌區(qū),如圖3(a)所示。這種斷口一般出現(xiàn)在試驗(yàn)溫度高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度,或韌脆轉(zhuǎn)變溫度范圍偏于溫度較高的一側(cè)。其斷口特點(diǎn)是僅在接近錘擊側(cè)時(shí)試樣斷口的展寬急劇增加,脆性斷裂形貌區(qū)從厚度急劇增加處開始。第二類異常斷口是試樣韌性起裂后,經(jīng)歷韌性穩(wěn)定擴(kuò)展,一般在韌性裂紋接近或超過試樣原始部后,轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔阎敝猎嚇悠茐?脆性面積較大,如圖3(b)所示。這種斷口一般出現(xiàn)在韌脆轉(zhuǎn)變溫度附近偏于溫度較低一側(cè)。其斷口特點(diǎn)是脆性斷裂處試樣厚度明顯大于試樣的原始厚度,愈接近錘擊側(cè)試樣厚度增加愈大。這是因?yàn)殄N頭和彎曲作用使試樣錘擊附近產(chǎn)生較大的壓縮變形,并使材料韌性劣化。試樣的斷口表現(xiàn)為韌性起裂,可能是經(jīng)過多次止裂和起裂過程,當(dāng)裂紋進(jìn)入壓縮變形區(qū)后,材料韌性劣化程度足以使斷裂以解理方式重新起裂時(shí),試樣將以解理斷裂形貌重新起裂。由于解理斷裂所需要的能量較小,此時(shí)試樣的內(nèi)能足以使試樣完全斷裂。第三類異常斷口是缺口根部和錘擊側(cè)均為韌性斷裂形貌,僅在試樣中部的核心部位產(chǎn)生脆性斷裂區(qū),如圖3(c)所示。此類異常斷口與前面兩類有本質(zhì)不同,解理斷裂區(qū)出現(xiàn)在接近缺口區(qū),出現(xiàn)脆性斷裂形貌處并不在試樣的受壓區(qū),且錘頭對該處的影響也非常小,試樣厚度并沒有增加。壓制缺口過程使缺口根部材料韌性劣化,并未使試樣脆性起裂,裂紋在試樣的內(nèi)能和錘頭的共同作用下以韌性斷裂方式起裂。隨著裂紋的擴(kuò)展,試樣中的內(nèi)能減小,錘頭作用于試樣的壓力也減小。當(dāng)試樣的內(nèi)能和錘頭所做的功小于裂紋擴(kuò)展所需要的能量時(shí),裂紋止裂。止裂后錘頭繼續(xù)做功,試樣重新起裂,但試樣重新起裂不是以缺口形式起裂,而是以比缺口尖銳得多的裂紋形式起裂。缺口的尖銳度對缺口根部的應(yīng)力狀態(tài)有明顯影響,缺口越尖銳,缺口尖端的應(yīng)力越大,應(yīng)力變化的梯度也越大,從而在裂紋尖端的試樣厚度中部產(chǎn)生非常高的三向拉應(yīng)力狀態(tài)。材料在斷裂過程中的韌脆狀態(tài)與應(yīng)力狀態(tài)有關(guān),越接近試樣表面,裂紋尖端的應(yīng)力三軸性越小,越易產(chǎn)生塑性變形,從而在試樣接近表面處產(chǎn)生延性斷裂形貌,而在試樣厚度中部產(chǎn)生解理斷裂形貌。第二類異常斷口的解理區(qū)主要是裂紋穿過前,試樣材料的韌性劣化所產(chǎn)生的,而第三類異常斷口是由于裂紋擴(kuò)展過程中,裂尖應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化產(chǎn)生的。第二類異常斷口的解理區(qū)面積較大,試樣邊緣剪切唇很小或幾乎不產(chǎn)生剪切唇,試樣一旦產(chǎn)生解理斷裂,止裂的可能性很小,而第三類異常斷口的解理區(qū)一般僅限于試樣厚度的中心部位且面積相對較小,在接近試樣的邊緣有較寬的剪切唇,試樣產(chǎn)生解理斷裂后,由于有較大的剪切斷裂,試樣還有可能經(jīng)過多次止裂、起裂過程,最后試樣才完全斷開。第三類異常斷口試樣的殘余厚度與第二類異常斷口的殘余厚度明顯不同,其大于試樣原始厚度部分比第二類異常斷口小得多,而且也比第一類異常斷口的小,僅限于錘擊側(cè)很小范圍。2異常中斷原因2.1斷裂試驗(yàn)結(jié)果的討論加載處塑性區(qū)隨著載荷增加逐漸擴(kuò)大,除沿水平方向擴(kuò)展外,主要沿韌帶向缺口方向擴(kuò)展材料強(qiáng)度越高,韌性越好,缺口起裂載荷越大,塑性區(qū)沿韌帶深度方向越深,距離加載處越近,塑性變形程度越大。錘頭作用點(diǎn)材料的屈服區(qū)大小沿厚度方向是變化的,屈服區(qū)面積在厚度中面最小,隨著離中面距離的增加逐漸增大,試樣表面最大試樣上表面的屈服區(qū)基本在壓頭直接作用的范圍以內(nèi),隨載荷增加,試樣上表面塑性區(qū)增大,同時(shí)沿試樣的韌帶方向擴(kuò)展。當(dāng)載荷增大到一定值時(shí),錘頭的作用面積不再增加,塑性區(qū)主要沿韌帶向下擴(kuò)展。如果試樣材料的強(qiáng)度和韌性很高,試樣起裂前的載荷就很高,加載過程中錘頭作用點(diǎn)的局部壓力就很高,加載點(diǎn)的下方產(chǎn)生很大的塑性區(qū),該塑性區(qū)有可能接近中性層或達(dá)到中性層以下。因此,在試驗(yàn)溫度較高時(shí),高強(qiáng)度、高韌性試樣在斷裂階段裂紋擴(kuò)展所穿越的大部分是已產(chǎn)生很大壓縮變形的區(qū)域,該區(qū)域材料性能已與材料的原始狀態(tài)不同。圖4為DWTT試樣斷裂過程變形和位移的幾何關(guān)系。試樣在斷裂過程中,受到錘頭的沖擊,變形和斷裂主要集中在跨中。試樣在斷裂過程中,由于圖中涂黑部分材料的存在,左右兩部分必然要分別向左右產(chǎn)生水平位移。然而,由于錘頭的作用,支座產(chǎn)生支座反力,并產(chǎn)生與位移方向相反的水平摩擦力。水平方向的作用力使試樣承受水平壓力,試樣產(chǎn)生壓縮變形,厚度增加。韌性起裂試樣在裂紋起裂前,錘頭作用載荷較大且作用時(shí)間較長,試樣承受較大的水平擠壓力,幾何位置變化。試樣除了承受摩擦力引起的水平擠壓力外,更大的擠壓力來自支座對試樣的水平作用。水平擠壓對剩余斷面的擠壓作用越大,產(chǎn)生的材料壓縮程度越大,從而使試樣的剩余斷面產(chǎn)生較大的厚度增加。第一類異常斷口出現(xiàn)在韌脆轉(zhuǎn)變溫度以上,這類斷口的脆性區(qū)與其它種類異常斷口的脆性區(qū)明顯不同,其試樣斷裂的力學(xué)過程也明顯不同于其它種類異常斷口試樣斷裂的力學(xué)過程。由于韌性較高,試樣韌性起裂并擴(kuò)展,斷裂初始進(jìn)入錘擊影響區(qū)時(shí),錘擊對材料產(chǎn)生的形變硬化和厚度的增加還不足以使其裂紋擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)發(fā)生變化,因此,在斷口上可觀察到韌性裂紋進(jìn)入錘擊和彎曲引起的厚度增加區(qū)域(即形變硬化非常大的區(qū)域)。形變硬化和試樣厚度增加,還不足以使其裂紋擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)改變,但此時(shí)試樣已產(chǎn)生了較大的變形。隨著錘頭位移的進(jìn)一步增加,試樣的受力狀態(tài)將發(fā)生改變,試樣斷裂面經(jīng)歷了壓彎、純彎、拉彎和最后的拉伸階段,擠壓使試樣厚度和形變硬化進(jìn)一步增加,但該硬化與錘頭沖擊試樣產(chǎn)生的硬化存在本質(zhì)的不同。最后階段壓頭作用點(diǎn)改變,試樣最后被拉斷。試樣斷面所受到的擠壓與支座的摩擦力和試樣對支座的壓力有關(guān),支座摩擦阻力和支座反力越大,擠壓硬化程度越大,產(chǎn)生第一類異常斷口的可能性越大。這類試樣斷口的最后斷裂區(qū)厚度明顯增大,產(chǎn)生孤立的脆性斷裂區(qū),而試樣與支座接觸面有明顯的劃痕,如圖5所示。2.2錘擊裂裂型大尺寸試樣的自對于韌性較高的材料,試樣韌性起裂,裂紋由錘頭的作用和彈性應(yīng)變能驅(qū)動,首先穿過壓制缺口時(shí)產(chǎn)生的形變硬化區(qū)。該區(qū)域裂紋擴(kuò)展時(shí)裂尖應(yīng)力高,擴(kuò)展速度快,擴(kuò)展過程中所消耗的彈性應(yīng)變能所占比例較大,錘頭對試樣做功相對較小裂紋隨著試樣彈性應(yīng)變能的減小而減速或止裂隨著錘頭繼續(xù)對試樣加載,裂紋尖端鈍化,試樣變形增大,內(nèi)能增加。當(dāng)試樣內(nèi)彈性能增加到一定程度,試樣在錘頭載荷作用下,又以韌性斷裂的方式重新起裂。此時(shí),起裂載荷(或應(yīng)力)和裂紋擴(kuò)展速度與前一次均不同。因?yàn)?韌性裂紋擴(kuò)展速度與試樣中的應(yīng)力有關(guān),應(yīng)力越小,則速度越小如果落錘試驗(yàn)機(jī)錘頭的質(zhì)量較小,且試樣的韌帶足夠長,上述裂紋止裂和起裂及擴(kuò)展過程可能重復(fù)多次。在韌脆轉(zhuǎn)變溫度附近,材料性質(zhì)稍有變化,就可能使斷裂由韌性變?yōu)榇嘈?。在上述裂紋止裂和起裂及擴(kuò)展過程中,根據(jù)裂紋穿過試樣時(shí)裂尖的應(yīng)力狀態(tài)、材料的力學(xué)性能、試樣的有效厚度等因素的不同,可能以韌性發(fā)生起裂,也可能以脆性方式起裂,產(chǎn)生的異常斷口主要是第二類和第三類異常斷口。異常脆性斷裂區(qū)的出現(xiàn)與否,以及出現(xiàn)后脆性區(qū)的大小,與材料本身的組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能以及缺口形式有關(guān)。材料韌性越好,缺口越鈍,試樣在破壞過程中錘頭的沖擊力越大,導(dǎo)致試樣錘擊側(cè)所受的壓應(yīng)力就越大,且高應(yīng)力范圍越大,裂紋達(dá)到前形變硬化區(qū)和硬化程度就越大,錘擊側(cè)脆性斷裂區(qū)就越大。3降低試樣變形硬化程度,減輕試樣起裂載荷壓制缺口試樣比“人”字型缺口試樣更容易產(chǎn)生異常斷口,因?yàn)閴褐迫笨谠嚇颖取叭恕弊中驮嚇悠鹆迅щy,試樣起裂前受到的沖擊力更大,其作用時(shí)間也更長。因此,試樣上部受到的壓縮變形就更大,材料的韌性劣化程度和范圍也越大,錘擊側(cè)更易產(chǎn)生脆性斷裂形貌,形成異常斷口。采用“人”字型缺口或線切割缺口,可以降低試樣斷裂過程中所承受的最大載荷,減小錘擊在試樣背部產(chǎn)生的變形硬化范圍和程度,可以大大降低第二類異常斷口產(chǎn)生的可能性。要減少或消除第一類異常斷口的產(chǎn)生,就要降低試樣斷裂最后階段橫向力對試樣的擠壓硬化程度。采用可轉(zhuǎn)動的圓柱支座代替現(xiàn)有落錘撕裂試驗(yàn)機(jī)的固定圓柱支座,可降低試樣變形過程中的橫向約束。降低試樣的橫向約束還可以降低試樣的起裂載荷,降低和減小試樣起裂前錘擊沖擊力對試樣錘擊側(cè)變形硬化的程度和范圍。第三類異常斷口產(chǎn)生解理斷裂形貌是由于試樣斷裂過程中,裂尖應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生的。這種斷裂形貌的轉(zhuǎn)變在實(shí)際管道斷裂過程中是會產(chǎn)生的。高韌性管線鋼的小尺寸試樣和管道全尺寸試驗(yàn)表明,韌性斷裂過程中裂紋的擴(kuò)展速度不是一成不變的,整個(gè)斷裂過程由許多起裂、擴(kuò)展和止裂的小過程構(gòu)成。即使在韌性遠(yuǎn)低于止裂韌性的管道中,也會出現(xiàn)明顯的裂紋減速和止裂現(xiàn)象。第三類異常斷口的產(chǎn)生是由材料本身的力學(xué)性能所決定的,是材料本身所具有的斷裂特性,在試驗(yàn)過程中沒必要、也是不可能消除的。4考慮尺寸的異常斷口試驗(yàn)異常斷口的產(chǎn)生是落錘的沖擊力和由錘擊力產(chǎn)生的彎曲在錘擊側(cè)形成的形變硬化、試樣有效厚度增加、材料韌性劣化及裂尖三維應(yīng)力狀態(tài)變化等因素造成的。根據(jù)對試樣斷口和全尺寸管道爆破試驗(yàn)斷口的比較分析,DWTT試樣第一類和第二類異常斷口的解理斷裂部分,與全尺寸管道爆破試驗(yàn)斷口的解理斷裂存在根本的區(qū)別。全尺寸管道爆破試驗(yàn)的解理斷裂一般發(fā)生在韌脆轉(zhuǎn)變溫度以下,其斷口的塑性變形很小。第一類和第二類異常斷口往往出現(xiàn)在韌脆轉(zhuǎn)變溫度附近或韌脆轉(zhuǎn)變溫度以上,解理斷裂部分受壓塑性變形很大,試樣解理區(qū)厚度明顯大于試樣的原始厚度,如圖6(b)所示。第一類和第二類異常斷口的斷裂現(xiàn)象在實(shí)際管道斷裂中是不可能出現(xiàn)的,DWTT試樣殘余厚度增加是試驗(yàn)過程中,錘頭沖擊、彎曲引起局部壓縮產(chǎn)生的。第三類異常斷口的出現(xiàn)與缺口形式和試驗(yàn)方法無關(guān),表現(xiàn)了材料本身的力學(xué)性能,在實(shí)際管道的斷裂過程中是有可能出現(xiàn)的,改變?nèi)笨谛问胶驮囼?yàn)方法不可能消除此類異常斷口。產(chǎn)生第三類異常斷口的試樣材料的韌性一般比產(chǎn)生第一類和第二類異常斷口試樣材料低,與產(chǎn)生第一類和第二類異常斷口試樣相比,試樣起裂載荷較小,起裂前載荷作用時(shí)間也較短,試樣變形也較小。第一類異常斷口的解理斷裂形貌區(qū)孤立產(chǎn)生于接近錘擊側(cè)區(qū)域,一般面積和范圍較小,通常位于試樣一個(gè)厚度(或19mm)的長度范圍內(nèi),即位于錘擊的影響范圍內(nèi)。因此,可以將第一類異常斷口試樣作為有效試樣,參照現(xiàn)行試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)來處理,錘擊側(cè)的解理區(qū)不包含在有效評價(jià)區(qū)內(nèi),目前在實(shí)際工程中也是這樣處理的。根據(jù)現(xiàn)行的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)無法對第二類異常斷口進(jìn)行評價(jià),因?yàn)楫a(chǎn)生第二類異常斷口的試樣,裂紋穿過時(shí)斷口大部分有效評價(jià)區(qū)已經(jīng)歷過較大的塑性壓縮變形,其材料的力學(xué)性能已發(fā)生變化,不必再評價(jià)材料的性能,而這種變化在實(shí)際管道的斷裂過程中是不存在的。評價(jià)時(shí),必須通過改變試樣的缺口形式或?qū)υ囼?yàn)過程進(jìn)行修正,降低試樣起裂前承受的最大載荷和載荷作用時(shí)間,減小試樣的變形,從而降低試樣壓縮變形的程度,避免出現(xiàn)第二類的異常斷口。第三類異常斷口的解理斷裂形貌區(qū)出現(xiàn)于試樣韌性起裂、裂紋擴(kuò)展一段距離后的重新起裂,該韌性擴(kuò)展段一般較小,最初的韌性擴(kuò)展并不能真正反映材料的止裂能力。而裂紋韌性擴(kuò)展止裂后的重新起裂,裂紋所經(jīng)過的區(qū)域在試樣的斷裂過程中或之前并未承受過大的壓縮變形,其韌脆狀態(tài)與所評估材料的止裂能力有關(guān)。因此,這部分?jǐn)嗫诘募羟忻娣e百分?jǐn)?shù)可以用來評價(jià)材料止裂的能力,而起始階段斷口的剪切面積并不代表材料原始的止裂能力,不應(yīng)計(jì)入評價(jià)斷口有效剪切面積之內(nèi)。斷口評價(jià)時(shí),可將第三類異常斷口試樣作為有效試樣,按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)剔除一個(gè)試樣厚度尺寸的缺口影響區(qū)。一般情況下,缺口根部韌性起裂區(qū)的剪切面積不包含在有效評價(jià)區(qū)內(nèi)。即使缺口根部韌性區(qū)的長度大于試樣的厚度(或大于19mm),大于部分的剪切面積