文献综述范文8

文献综述范文文献综述范文8 8 文献综述范文 本科毕业设计 论文 文献综述 题目X100大变形管 线钢疲劳裂纹扩展速率的研究 学生姓名李博文院 系 材料科学与 工程学院专业班级金材0901指导教师张骁勇完成时间20 xx年4月14日 文献综述 大变形管线钢是石油天然气运输用重要钢材 大变形管线钢工作条件非常恶劣 不但要承受地层蠕动等而产生的 挫断力 还要承受在高原山地滑坡 崩塌 泥石流等自然灾害发生 时产生的应力 许多管道都是在交变应力下工作的 他们在工作时所承受的应力通 常都低于管材本身的屈服强度 但在变动负荷下经过较长时间工作 而发生突然断裂 通常被称为疲劳断裂 疲劳断裂与静负荷下的断裂不同 无论在静负荷下显示脆性或韧性 的材料 在疲劳断裂时都不产生明显的塑性变形 断裂是突然发生 的 具有很大的危险性 常常造成严重的事故 因此 研究疲劳断裂的原因 测定疲劳裂纹扩展速率da dN 寻找提 高材料疲劳抗力的途径以防止疲劳断裂事故的发生 对于发展国民 经济有着重大的实际意义 为保证管线钢的力学性能 除对冶炼方法 化学成分 轧管工艺和 对管线钢的热处理工艺提出了严格的要求外 对管线钢的抗疲劳性 能也提出了较高的要求 本文通过对疲劳裂纹扩展速率的研究 了解疲劳断裂组织的变化 进一步了解材料在交变应力作用下的性能转变 1 管线钢的发展 管线钢指用于制造石油 天然气输送管道及容器 的热轧板 带钢 1 为提高管道输送效率 降低能耗 减少投资和运营费用 长距离输 送管线向高压 大口径发展己成趋势 这样采用高强度管线钢将更 经济 同时 从管线安全性和焊接施工等方面考虑 对管线用钢的强度 韧性 焊接性和抗腐蚀性等性能不断提出了更高 更严格的要求 冶金技术的进步和微合金化管线钢的发展 使生产具有高强度 高 韧性 良好焊接性及抗腐蚀性的管线钢成为现实 尤其是西部管线 建设发展的需要 长输管线的建设正向大口径 厚壁 高压输送的方向发展 输送介 质从以输油为主向以输气为主转变 2 这将对管线钢提出更高的要求 促进了现代管线建设的发展 随着我国冶金技术的进步 经过10多年的开发和生产 管线钢的产 量逐年上升 并逐渐形成包括高止裂针状铁素体的X70和X 80 抗HIC的X 65 高强度高韧性 铁素体十珠光体组织 的X60和X65等不同等级的 微合金化管线钢成分设计 冶炼和TMCP技术和生产质量控制技术 产品先后应用于我国西气东输工程 X80管线钢应用工程 忠武输气 管线工程 番禺一惠州海底输气管线工程以及海外的印度输油管线 土耳其输气管线等一系列国内外重大长距离油气输送管线工程 随着我国能源结构调整和环保需求 对天然气的需求不断增加 目 前正以平均7 的增长速度增加 预计到20 xx年中国还将新建50000km 的天然气管线 同时 加大海上石油天然气的开采 并不断向深海发展 因此 应该借鉴世界上高等级管线钢已有的经验 进行超高强度管 线钢 抗大应变管线钢 深 海管线用钢 高等级厚壁抗HIC管线钢 和新型HTP管线钢的开发 以满足未来国内外天然气管线建设的需要 从某种意义上讲 管线钢的发展过程 实质上是管线钢显微组织结 构的演变过程 管线钢能够以不同的方式进行分类 从材料显微组织学归类 有四种基本组织类型的管线钢 即铁素体 珠光体管线钢 针状铁素体管线钢 贝氏体 马氏体管线钢和回火索氏体管线钢 前三类管线钢为微合金化控制轧制和控制冷却状态管线钢 是现代 油气管线的主流钢种 第四类管线钢为淬火 回火状态管线钢 由于这类管线钢难以进行 大规模生产 在使用上受到限制 然而在俄罗斯等国和在海洋管线 等领域仍不失使用的实例 3 2 大变形管线钢 大变形管线钢管是近年来油气输送管的一个重要 发展 所谓大变形管线钢管是一种基于管道应变设计的 适用于通过地震 带 沉陷带 冻土带和滑坡带等容易产生地层移动的地质危害地区 的钢管 大变形管线钢的主要性能特征是在保证高强韧性的同时具有低的屈 强比 Rm 高的均匀塑性变形伸长率 UA 和高的形变强化指数 n 大变形管线钢的基本组织结构特征是双相组织 4 大变形管线钢的发展 双相大变形管线钢不同于传统的管线钢 也 不同于一般意义上的双相钢 它通过低碳 超低碳的多元微合金化 2 设计和控制轧制 加速冷却 技术 在较大的厚度范围内获得以低碳贝氏体为主的多种形态的复 相组织 目前 可通过临界区加速冷却 低于贝氏体转变开始温度的延迟加 速冷却和高于贝氏体转变终止温度的在线加热等工艺方法分别获取 PF M GF BF 和 AF M A 等不同类型的双相组织 研制和开发大变形油气管线钢的一个重要原因 是高强度管道结构 服役安全可靠性的需要 在过去10 20年内 随着石油和天然气长输管线向高压 大口径方向的发展 通过微合金化 超纯净冶炼和现代控轧 控冷技术的实施 管线钢 的强韧性水平得到了很大提高 在研制和开发这种高级别管线钢的实践中 人们注意到 采用控轧 控冷技术制造的微合金化管线钢 其屈服强度的增幅明显大于抗 拉强度的增幅 因而与传统的热轧态或淬火 回火态低合金高强度钢 相比 现代高强度管线钢有较高的屈强比 Y T 5 7 据统计 在过去10年内 管线钢的屈强比己从增加至或以上 6 8 过高的Y T限制了管线钢的极限塑性变形能力 从而对管道结构的安 全服役造成影响 如研究表明 当管道累积塑性应变超过2 时 要求 屈强比不应超过 9 因此 以较低屈强比为特征的大变形管线钢的兴起已成为管道结构 安全服役 尤其是应变控制载荷下的安全服役的必然趋势 二十世纪七十年代初 低合金高强度钢的研究取得了一个重要突破 这就是双相钢的产生与发展 双相钢的第一个专利是19xx年在美国提出的 10 但是直到19xx年 Hayami和Furukawa对这类钢的显微组织 化学成 分 机械性能和成形性做了完整的描述之后 双相钢的巨大潜力才 被人们所认识 通常双相钢是指主要由马氏体和铁素体所构成的一类高强度高延性 低合金钢 它的出现不只把低合金高强度钢的发展推向一个新的强度与延性的 综合平衡阶段 而且由于它的特殊性能以及国内外物理冶金学者对 描述这类钢的组织和性能关系的新概念 新机制和新模型所进行的 大量的工作 从而大大丰富了物理和力学冶金的内容 确切的说双相钢是指低碳钢或低碳合金钢经过临界区热处理或控制 轧制工艺而得到的主要由铁素体 F 十少量 体积分数制变形模式 强化原理及断裂特性进行研究 目前为止 我国已开发成功了抗拉强度级分别为540MPa 590MPa和6 40MPa等级别的双相钢 11 大变形管线钢的国内外研究现状 国外研究现状 大变形管线钢不同 于传统的管线钢 也不同于一般意义上的双相钢 它通过低碳 超低碳的多元微合金化设计和控制轧制 加速冷却等 技术 在较大的厚度范围内获得以低碳贝氏体为主的多种形态的复 相组织 从而满足管道工程的高强度 大韧性和优良的变形能力的 要求 目前 只有日本和加拿大等少数几个国家进行了有关大变形钢前期 的理论研究和初步的工程开发工作 如加拿大通过控轧 CR 加速冷却 ACC 在线加热 HOP 技术 研制了一种大变形X100管线钢 日本在双相钢的生产方面目前处于领先地位 因为日本拥有先进的轧钢和热处理设备 特别是大型连续退火生产 线 起初日本以生产热处理双相钢为主 其钢种多系低碳钢或碳锰钢 在连续退火生产线上生产 后来开始研制低合金热轧双相钢 以满足汽车工业对一些厚规格双 相钢的要求 目前日本至少有5个钢铁公司已经生产出双相钢 其中有川崎制铁 神户制铁 日本钢管 住友金属和新日铁 日本发展出了X65 X120系列强度级的抗大变形管线钢 具有高的应 变硬化性能和低屈强比 对所制成钢管进行压缩和弯曲试验 表明其抗挤毁性能良好 日本NKK和JFE这两家公司生产的部分常规管线钢和F B组织抗大变形 管线钢的力学性能 抗大变形管线钢具有圆屋顶形的应力应变曲线 加工硬化系数n值都 不小于 屈强比都低于 北美 美国和加拿大 生产的热处理双相钢含有一定的合金元素 多以周期退火炉生产 热轧双相钢以美国克里马克斯铝公司开发的Mn Si Cr Mo系为代表 美国开发的Fe Si C系的FERMAR牌号的双相钢筋在预应力混凝土中使用时 由于其延性 好而在混凝土中具有良好的相容性和能量吸收能力 12 可提高强 度20 40 国内研究现状 在国外抗大变形管线钢发展的基础上 中国科学院 金属研究所提出在低碳C Mn Nb V Ti管线钢的成分基础上加入微量钼的成分设计理念 通过合金元素 的综合作用 既提高针状铁素体的形成能力 同时保证在低冷却速 度时可以获得多边形铁素体组织 最终通过工艺控制获得多边形铁 素体 贝氏体铁素体的复相组织 中国科学院金属研究所已在工业化水平上成功地试制出 PF BF 组 织抗大变形管线钢 性能测试结果明 其真应力真应变曲线呈圆屋顶形 具有低的屈强 比 高的加工硬化系数和高的延伸率 具有较低的韧脆转变温度 性能达到国 外X65级抗大变形管线钢的实物水平 满足标准规定的 海底承受塑性变形X65级管线钢要求 目前对大变形管线钢的研究正在进行中 若有所突破将接近或达到 国际先进水平 目前发达国家已广泛使用API X70级大变形管线钢 13 API X80级大变形管线钢也已开始应用 并且API Xl00 120级的大变形管线钢正在研制开发中 14 3 疲劳裂纹扩展速率测定的意义 化工机械 压力容器和电厂设备 等大型机械在实际运行中 其关键部位材料容易产生低周疲劳 从而 影响机器的安全运行 针对这种现象 深入研究建立材料的低周疲劳 裂纹扩展速率预测模型是十分必要的 合理测定疲劳裂纹扩展速率 是进行结构疲劳损伤容限设计与安全评 价的重要基础工作之一 疲劳断裂是油气长输管线比较常见的一种失效形式 管线在服役过 程中往往受到各种交变应力的作用 交变应力一方面于管内输送压力 的波动和气体介质的分层结构 另一方面于管线外部的变动载荷 如 埋地管线上车辆引起的振动 沼泽地管线浮力的波动 沙漠管线流 沙的迁移 穿越管段的卡曼振动 海洋管道承受海浪冲击载荷等 15 16 各种因素产生的交变应力使钢管内部和表面的缺陷发生扩展 最终造 成管道疲劳断裂 若同时受到腐蚀 则会产生腐蚀疲劳断裂 使油气供 应中断 产生严重的后果 17 疲劳断裂往往是突然发生的 没有明显的征兆 因而具有很大的危害 性 尤其对于天然气高压输送管线 一旦发生破坏 将带来不可估量的损 失 因此 管线钢的疲劳行为研究是安全设计的基础 是管道使用寿命评 估的依据 有着十分重要的工程意义 18 4 管线钢疲劳裂纹扩展速率的研究现状 Bussiba等 19 使用全厚度 MT试样测试了6种管线钢 级别从B级到X100级 的疲劳裂纹扩展速率 经测试 6种管线钢疲劳裂纹扩展速率 da dN C Km 系数C为 1 50 4 11 10 9 应力强度因子范围 K指数m为 管线钢的疲劳裂纹扩展速率曲线如图1所示 6种管线钢的疲劳裂纹扩 展门槛值 第一阶段扩展 第二阶段扩展的大部分之间差别不大 而 第三阶段的疲劳应力强度因子范围临界值有所不同 中石油刁顺等 20 通过小试样疲劳试验测试 获得了X60级SSAW H FW UOE焊管母材 焊缝和热影响区的疲劳裂纹扩展速率 其中UOE焊管疲劳裂纹扩展速率最高 SSAW焊管疲劳裂纹扩展速率最 低 K的指数m在 之间 同时 采用油气输送管全尺寸实物疲劳试验系统 对含裂纹类缺陷X60 级SSAW焊管进行了水压疲劳试验 得到了疲劳裂纹扩展速率 da dN 6 219 10 10 K 3 5388 疲劳裂纹扩展阶段裂纹端口张开位移 CMOD 与裂纹扩展深度 a t 之 间存在 CTOD t 0 1358 1 一定的对应关系 当a t采用式 1 在表面裂纹扩展过程中 可以通过检测裂纹端口张开位移的大小 来对裂纹沿深度方向的扩展进行控制 2 在试验过程中 应力幅在循环周次13000处开始下滑 在循环周次 14000处达到循环稳定时应力幅的80 材料表现出循环软化现象 中科院金属研究所钟勇等 22 研究了韧性对管线钢疲劳行为的影响 结果表明 高韧性管线钢的疲劳裂纹扩展速率明显降低 具有较高的 疲劳裂纹扩展抗力 这是因为高韧性管线钢具有良好的组织 改变了裂纹扩展的路径 增 加了用于产生新 裂纹表面的能量 并导致裂纹闭合 其次 高密度的 晶界阻碍了位错的运动 提高了裂纹扩展抗力 而且 在高韧性管线钢 的板条铁素体晶界上分布着奥氏体或马氏体 阻碍了裂纹的扩展 中科院韩玉梅等 23 采用不同应力比在不同环境下对X56级管线钢 进行了疲劳试验 结果表明 X56级管线钢在人工海水中不存在疲劳极限 而在空气中则 存在疲劳极限 当应力比为时 在较大的应力水平下 高于空气中的疲劳极限 空气 中和腐蚀环境下的S N曲线的斜率基本相同 疲劳寿命也基本一致 说明此时环境对疲劳寿 命几乎没有影响 疲劳寿命主要由力学因素控制 当应力水平较低时 低于空气中的疲劳极限 腐蚀疲劳寿命要比在空 气中低得多 随着应力水平的降低 腐蚀介质作用时间增加 这时力学和化学的共 同作用控制着疲劳寿命 当应力比为 1 应力水平较高时 循环次数小于2 104次 由于腐蚀介质作用的时 间较短 控制疲劳寿命的仍然主要是力学参量 因此 同等应力水平下腐蚀疲劳寿命与空气中的疲劳寿命相当 而当应力水平较低时 腐蚀疲劳寿命要比在空气中低得多 而且随着 应力水平的降低 腐蚀介质的作用时间增加 两者的差别也越来越大 在腐蚀环境中的S N曲线直到循环周次达107时 仍以较大的斜率直线降低 且不存在疲 劳极限 此外 国内外对X60级管线钢腐蚀疲劳研究表明 24 26 加载频率10Hz时 在较低应力强度因子幅范围内 近门槛区 3种 腐蚀介质 NaCl 以及 NaCl H2SO4均不同程度地加速裂纹扩展 从加速程度看 3 5 NaCl NaCl 但在裂纹扩展中部区 K 30MPa m1 2 3种腐蚀介质及实验室大气 中的裂纹扩展速率没有明显的差异 从3种腐蚀介质中裂纹扩展速率随应力强度因子幅 K的变化规律看 均呈真疲劳特征 即在近门槛区 裂纹扩展速率随 K增大而快速增大 而在中部区裂纹扩展速率随 K增大而缓慢增大 5 疲劳裂纹扩展速率测定方法和数据分析方法的现状 测定方法 目 前比较著名的有以下四个公式 19xx年 美国人Paris提出了计算恒幅载荷下裂纹扩展寿命的Paris 公式da dN C K m 由于Paris公式未反映平均应力对裂纹扩展速率的影响 也未反映 K趋近于临界值时裂纹加速扩展的效应 因此 Forman提出裂纹扩展速率的又一表达式da dN C K m 1 R KIC K ZhengXiulin和Hirt设计了一个较为合理的裂纹扩展模型 可以称为 裂尖钝化开裂模型 在此模型基础上推导出了Zheng Hirt公式da dN B K Kth 2 王泓等通过大量实验 给出了描述三个区扩展总体规律的裂纹全程 扩展公式da dN E2 K Kth 1 2 1 K 1 1 R KC 3 2 27 数据分析方法 割线法 用于计算裂纹扩展速率的割线法 仅适用于 在a N曲线上计算连接相邻两个数据点的直线斜率 通常表示如下 da a ai 1 ai Ni 1 Ni 3 dN 由于计算的da dN是增量 ai 1 ai 的平均速率 故平均裂纹 长度a ai 1 ai 2只用来计算 K值 递增多项式法 推荐递增多项式方法进行局部拟合求导以确定疲劳 裂纹扩展速率和裂纹长度的拟合值 对任一试验数据点i即前后各n点 共 2n十1 个连续数据点 采用如 下二次多项式进行拟合求导 点数n值可取 2 3 4 一般取3 ai b0 b1 式中 1 Ni C1N C12 b2 i 4 C2C2Ni C1 1C2 1 Ni n Ni n 2 1C2 Ni n Ni n 2C1 ai n a ai n 5 系数b0b1b2是在式 5 区间按最小二乘法 即使裂纹长度观测值与拟合值之间的偏差平 方和最小 确定的回归参数 拟合值ai是对应于循环数Ni上的拟合裂纹长度 参数C1和C2是用于变换输人数据 以避免在确定回归参数时的数值 计算困难 在Ni处的裂纹扩展速率由式 4 求导而得 2b N C1 bda 6 ai 1 2i 2dNC2C2 利用对应于Ni的拟合裂纹长度ai计算与da dN 值相对应的 K值 6 本次毕业论文的研究内容 本课题采用材料显微分析 力学性能 测试等技术 通过对现有的Xl00普通管线钢进行临界区加速冷却的 热处理工艺 使得普通管线钢在保持原有强度的基础上 具有抗大 变形的特殊性能 主要研究内容为 1 了解大变形管线钢的最新研究动态 掌握管线钢组织 性能的 特点及研究方法 2 了解金属材料疲劳性能研究的相关标准和资料 掌握金属材料 疲劳性能的测试方法 3 以X100管线钢为研究对象 通过临界区加速冷却的方法获得贝 氏体 铁素体的双相大变形组织 采用升降法等测试方法对普通X100 管线钢和不同两相比例的大变形管线钢的疲劳裂纹扩展速率进行研 究 重点掌握不同相比例对材料疲劳裂纹扩展速率的影响规律 参考文献 1 张靖 冷却方式对X80管线钢组织性能的影响 D 西安 西安石油 大学 xx 2 高惠临 管线钢 组织性能焊接行为 M 西安 陕西科学技术出版社 3 冯耀荣 高 惠临 霍春勇等 管线钢显微组织的分析与鉴别 M 西安 陕西科学 技术出版社 4 11 杨艳 基于临界区加速冷却法的大变形管线钢组织 性能的研究 D 西安西安石油大学 xx 5 Mohr W design guidelinesfor pipelinegirth welds proc of the fourteenthinter offshoreand polarengineering conf xx pp10 17 6 A rationalapproach toweld andpipe materialrequirements fora strain based pipelinedesign pipe dreamer s conferencexx pp121 155 7 Tensile strainlimits andmaterials specificationsfor strain based designof pipeline Seminar forumoftheX100 X120grade highperformance pipesteelsxx pp410 422 8 JinboQu WaelDabboussi FaridHassani Effect ofmicrostructure onthe dynamicdeformation behaviorof dualphase steel J Material Scienceand EngineeringA xx 479 93 104 9 Krauss GThompson Ferrite microstructurein continuanceslycooled low and ultralow carbon steelsISIJ International 1995 pp937 945 10 Werkstoffeim Automobilbau M pp97 98 12 李霄 管线钢及输送管的变形能力 J 大家谈 xx 3 47一50 13 高惠临 管线钢 组织性能焊接行为 M 西安 陕西科学技术出版社 1995 160 14 H illenbrand H Liessem A Knauf G Niederhoff K Bsuer J Prediction ofthe failurepressure forplex corrosiondefects J International Journalof PressureVessels and Piping xx 79 5 279 287 15 潘家华 油气管道断裂力学分析 M 北京 石油工 业出版社 1989 108 133 16 LEVIN SI Causes andFrequency ofFailures onGas Mainsin theUSSR J Pipes Pipelines 91 30 9 13 17 王新虎 某海底输油管道断裂分析 M 北京 石油工业出版 社 xx 513 521 18 WILMOTTM J SUTHERBY RL Role ofPressure andPressure Fluctuationsin theGrowth ofStress CorrosionCracks inLine PipeSteels C Proceeding ofthe2nd InternationalPipeline Conference