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X70管线钢的断裂韧性
2003年 钢 铁 研 究 学 报 第15
卷
图2 载荷2加载点位移曲线
Fig12 Load2displacement
curves
(a)T=20℃,B=10mm; (b)T=-20℃,B=10mm; (c)T=-60℃,B=10mm;(d)T=20℃,B=3mm; (e)T=-20℃,B=3mm; (f)T=-60℃,B=3mm
图3 不同厚度三点弯曲试样在不同试验温度条件下破坏断口的宏观照片
Fig13 Typicalfracturesurfaceofspecimenswithdifferentthicknesstestedatdifferenttemperatures
裂纹;厚度B=10mm的厚试样中部存在长度和宽度较大的大分层裂纹,在1Π4厚度处存在密集的二次裂纹;B=3mm的试样亦有明显可见的分层裂纹。试样的厚度越小,分层裂纹的尺寸越小。这表明分层裂纹是微小的片状夹杂物或缺陷在较高的离
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面应力作用下开裂、扩展并连接而形成的。出现
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X70管线钢的断裂韧性
第5期 杨 政等:X70管线钢的断裂韧性 10月
分层裂纹的位置与试验温度和材料的韧性有关。当试验温度较高、材料的韧性较好时,分层裂纹先于主裂纹扩展形成于预制裂纹的顶部。随着试验温度降低和材料韧性下降,分层裂纹的形成逐渐滞后于主裂纹的扩展,出现分层裂纹的位置也逐渐远离主裂纹的未扩展处,它对材料断裂韧性的影响也逐渐减小。由此推断:试样的分层断裂行为取决于材料的韧性和内部缺陷,而试样厚度仅影响分层的程度。 由于20℃环境下试样都是韧性断裂,与试样尺寸无关,所以此时所有分层裂纹(不管是厚度较大的10mm试样,还是厚度较小的3);在试验温
),分层裂纹尚无充分张度较低(如-60℃
开,试样已沿主裂纹失稳破坏,即发生脆性断裂,此时断裂韧性值仅与试样厚度有关。
J积分在弹塑性断裂力学分析中起着很重要的作用。它避开直接计算裂纹尖端附近的弹塑性应力应变场,而用J积分作为表述裂纹尖端应变集中特征的平均参数。在韧性材料的断裂韧性试验中,裂
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纹端部的塑性变形较大,应依照ASTME813281和GB2038291计算J积分: J=Je+Jp Je==
E
2[9]
PS3Π2fa2
be和Jp分别为J积分中的弹性分量和塑性分量;E为材料的弹性模量;Ps为外载荷;f(a0ΠW)为修正系数;a0为裂纹初始长度的平均值;b0为初始韧带尺寸(b0=W-a0)。
为了研究温度对X70管线钢断裂韧性的影响,计算了最大载荷所对应的J值(J0)。从试验曲线上可以看出:温度对曲线下降段的影响非常大。为了分析温度对材料整个受力过程的影响,仿照J积分的计算方法,考虑厚度和初始韧带尺寸的影响,用参数Jt来分析温度和厚度对材料韧性的影响:(Bb0) Jt=2UtΠ
3 分析及讨论
在韧性材料的断裂韧性试验中,因裂纹端部的
塑性变形大,基于应力强度因子的线弹性断裂力学方法以及考虑塑性的近似修正方法都有局限性,用它们评价材料断裂韧性时需要用弹塑性分析来证实。311 试验参数 对于带有疲劳预裂纹的试样,在3点弯曲加载条件下自动记录载荷P及裂纹尖端的张开位移COD,然后根据GB4161284标准规定的方法,利用P2COD曲线求出裂纹表观扩展量为2%时的载荷,将此载荷代入三点弯曲试样的KI表达式,计算KIc的条件值Kq: Kq= f
W
3Π2fWBW
式中Ut为P2f曲线所包围的面积,即试样破坏所消耗的功。
312 裂纹长度的影响
图4为Kq、J0、Jt与裂纹相对长度的关系。从图3的破坏断口可以看出,裂纹初始长度对试样分层裂纹的产生有影响。显然,裂纹初始长度越长,韧带越小,试样内离面的约束力越小。而分层裂纹是材料内部层状缺陷在离面应力作用下产生的,因此,裂纹初始长度越长,它对分层效应的影响越小。从试验结果来看表现为Kq、J0和Jt值均减小。这主要是因为断裂韧性与试样的有效厚度和试验温度有关,有效厚度与分层裂纹的产生有关,而分层裂纹的产生又与试样裂纹初始长度、试样厚度和试验温度有关,即裂纹初始长度、试样厚度和试验温度相互关联。因此,分层裂纹的产生给X70管线钢的性能测试带来了诸多困难,因为在测试过程中很难像其它材料那样消除试样几何尺寸对试验结果的影响。313 试样厚度的影响
=3(aΠW)
1Π2
{1199-(aΠW)(1-aΠW)×
2
[2115-3193(aΠW)+217(aΠW)]}÷
3Π2
[2(1+2aΠW)(1-aΠW)]
确定临界载荷Pq是Kq测试中的一个关键性问题。原则上将裂纹稳定扩展量为0102a时所对应的载荷视为临界载荷。由于裂纹稳定扩展量的测量十分困难,因此一般是利用裂纹尖端的张开位移COD与裂纹稳定扩展量之间的关系,在试验获得的P2COD曲线上根据GB4161284的规定确定临界载荷的表观值Pq。
根据GB4161284规定的临界载荷Pq的确定方法,从图2不同试验温度下获得的典型载荷2加载点
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X70管线钢的断裂韧性
2003年 钢 铁 研 究 学 报 第15卷
的Kq值。
图5(b)和图5(c)为J0和Jt与试样厚度的关系。从图中可以看出:裂纹长度对J0和Jt有一定的影响。在-60～20℃的温度范围内,aΠW=012
时测得的J0和Jt值均大于相同温度下aΠW=015时测得的J0和Jt值。试验温度为-20℃和20℃的试样都发生韧性断裂。由于分层裂纹产生于主裂纹的根部
,试样厚度越大,□—20℃; ○—-20℃; △—-60℃
图4 Kq、J0、Jt与裂纹相对长度的关系
Fig14 VariationofKq,J0andJtwithaΠW
位移曲线以及试验所得到的P2COD曲线可以看出,临界载荷Pq均位于曲线的上升段。由于X70管线钢的强度和韧性较好,试验温度和试样厚度对试验曲线的上升段影响较小。分析图3中不同厚度试样的破坏断口可发现,厚度较大的试样产生较大的分
层裂纹(称为一次分层裂纹);在一次分层裂纹两边又会产生长度和宽度较小的二次分层裂纹;而厚度较小的试样仅产生长度和宽度较小的分层裂纹。对于韧性断裂来说,分层裂纹产生于主裂纹扩展之前,因此分层裂纹的出现会削弱主裂纹端部的三维约束。厚试样主裂纹端部的应力状态与薄试样主裂纹端部的应力状态相似。图5(a)是不同裂纹长度试样的Kq与试样厚度的关系。从图中可以进一步看出:试验温度和试样厚度对试验结果的影响较小,即