X70管线钢冲击韧性实验研究_图文

1、第39卷 第2期 金属孝艟 vo39No.2 2003年2月 159163页 ACTA METALLURGICA SINICA Feb,2003PP.159163杨政 X70管线钢冲击韧性实验研究郭万林-12j 董蕙茹-, 路民旭。】 赵新伟剐 罗金衡。1西安交通大学建筑j.程与力学学院,两安7100492南京航空航天大学飞机工程系,南京2100163中国石油天然气总公一J管材研究中心,西安710065摘 要 通过i:同蛮啦温度下的十同厚腰不同缺口取向含V型缺口试样夏比冲击变验和宏观断口舒圻,研究X70高韧性管 线钢的冲击铷性的厚度.块n取向和温睫分屡裂纹耦台敏应结果表明:X70管线钢且有严重

2、的各向异性明象,其在平行锕板 表面方向和沿钢板厚度方I劬力学性能差异较大分层裂垃丰要是试佯中材料固有的片状缺陷所致,有确定的方向吐,同时与温度又 有密切的K:-毛怛丹层裂纹的产,蜘十X70管线9的冲击鲫性部尼有益的当裂纹扩展舟向与厚度方向的相对方位改变H,分层裂 垃技成亦将改变,宴际的冲击韧性也改变因此.应用单试伴厚度.单一缺几斤向和单一的蛮验温度的表现冲击韧性数据进行管 道结构的鸯全i平定可.;=性段差,必须考虑管道的温度管壁厚摧相辩陷方向的碍合效应关键词X70忤线钢,丹层裂纹,冲击韧性中圈法分类号TC,1】5.5,0346.1文献标识码 A 文章编号 04121961f2003020159

3、05THE CHARPY NoTCH IMPACT TEST oF X70PIPELINE STEEL,以.vG Zhen911,GUO Wanlinl扪,DONG Huiru¨,LU Minxu3.ZHA0Xmweia.u0Jinhe"矿11School of Givil Engineering and Mechanics Xian JiaoLong University,XiD,n 7100492Department of Aircraft Engineering,Nanjing IJniversity of Aeronautics and Astronautics,N

4、anjing 21001631Tubular Goods Research Center of China National Petroleum Corp.Xian 710065Correspondent:YANG Zheng?T!l 7f0292668574。Fz:(0293237910,E-maiL"zyangmail.zltu edu?cn Supported by Tubular Goods Research Centero,Chinationaf Petroleura Corp.Manuscript received 20020424.in revised form 200

5、20驴12ABSTRACT The effects of thickness.notch orientation and delamination on the impacttoughness of X70pipeline steel were investigated experimentally by use of the Charpy notch impact.test at different temperatures The couple eriect of delamination cracks,thickness,notch orientation and temperature

6、 is discovered.The mechanical behaviors of X70pipeline steel vary with the change of orientation The failure model is difierent as the notch orientation of sample changes The reason of delaminating crack is the slice defect of sample The delamination crack has certain direction character.and its num

7、ber is related to the cenlperature.The delamination crack can improve the actual impact toughness of X70pipeline steeThe effeet of delamination cracks and the aetual impact toughness can vary when the angle of the sample notch and the direction of thickness are changed Safe assessment of pipeline by

8、 using test data froln only one tiffckness,one notch orientation or one temperature is not reliable The couple effect of wall thickness.defect orientation and tenlperature of pipeline must be taken into accountKEY WoRDS X70pipeline steel.delamination crack.impact toughness+中国石油天然气曾公司管材研究中心赞助项目收到初稿日期

9、:200204-24,收到修改稿日期:20020912怍青简彳r:两政,男.1964年生,副教授 构的安全设计和评定都是依据现有规范和材料实验标 准,利用实验室获得的标准试样材料性能数据进行的It 21世纪是我国输气管建设的高峰时期.“两气耵输”中的轮 南上海输气管线是我国采用大u径、高压输送管的起 点这条管线全长4167公里,输送压力为】0MPa,管道用 管(约占80%选用螺旋焊管,采用钢级为X70的高强度 高韧性钢材.与一般机械结构相比,管线结构比转简单,但 是随着输送量和输送距离的提高,大订径、高压力成为管 万 方数据 万方数据160金褥学报 39卷线缱设的发展方_向.高等绒高韧性钢的使

10、用日益广泛,现 有的管道,安牟性评估方法俘在诸多方面的缺陷.针对高韧 性管线钢的大量使用和提高管线输气能力的迫切需求,本 艾对X70管线钢在不同温度F不同厚度,不同缺口取向 的v型缺口冲山试样进行了实验研究,分析了在不同温 度条件下厚度、缺【=1取向对冲击韧性的影响,厚度与分层 裂纹耦合效应对冲击韧性的影响,为建立客观的材料韧性 指标和更有效的安全分析提供依据1实验方法实验用材料取自西气东输管线X7(3焊管实验用卷板 的中部,成分(质量分数,%为:C 006,Si 019,Mn1.58,P 0014,S 0.002,Cr 0.024,Mo 0.24,Ni 0.176, Nb 0.05、V 0.

11、046,Ti O.019,Cu 013室温下屈服强度 为604MPa,抗拉强度为753MPa冲击试佯及缺口取 向见图l,图中T L为缺n沿厚度方向,眦Side表示; TS为缺口平行表面方向,以Up表示.试样用机加工 方次加工,制备过程中为避免由于加工硬化或过热而影响 材料的冲击性能,卷板未经展平,直接从板体中部横向取 样,试样位于板厚中间,两面等厚,按C-B/T2291994“金属夏比缺口冲击实验方法”吲的规定加工.冲击实验采用夏比V型缺口试样pH】,缺VI方向分别 取沿厚度方向(Side和平面板材表面(Up方向,采用 10mill×10mm×55mm和5mm×1

12、0mm×55inln 两个厚度的试佯.分别进行温度为213,253和293K下 夏比冲击实验,采用的控温介质为酒精加液氮,在规定温 度溶液中保持足够长的时间以保证试样表面与内部温度 敛,测温用热电偶温度计.试样从液体介质中移至打击 的Hc r目l+F 2s.采用吴忠材料实验机厂和华山机器厂联 台研制生产的冲击实验机,其标准打击能量为300J,打 击瞬问摆锤的冲。H速度为512m/s2实验结果及分析讨论围1X70管线钢板材中冲击试伴受缺n取向Fig.1Geometry aad notch orientation of Charpy impact specimen of pipeline

13、 steel X70 厚度冲击载荷 位移关系实验曲线,从图2中可以看 不同厚度的试件,在不同温度下冲击载荷位移曲线的上升 段非常接近,试件破坏的弹性功非常接近说明试样的厚10152025,mm围2载荷一位穆f|线Fig.2Loaddisplacement curves of steel X70(口293K,o 253K,213K(athickness口=i0iilm,notch type:Up (b B=5tnlll,notch type:Up (c0=10n1TI,nmch type Side (dB-5mm,notch type:Sidet 万 方数据万方数据2期场政等:X70管线钢冲击韧

14、性实验研究161度、试样缺口的取向以及实验温度对单位厚度冲。旨载荷一 位移实验曲线上升段影响较小,而主要是对曲线的下降段 有明显的影响无论是10和5mm的试样随着温度的降 低,冲击载荷最大值增大,但冲击韧性降低通过对厚度 为lO和5mm试样实验曲线比较,町以看出作实验温度 较高时,厚度较大试样的冲由载荷位移实验曲线载荷峰值为一较长的平台,f台长度随温度的降低而减小;厚度 较小试佯的冲占载荷位移实验曲线载荷峰值区有一振对实验曲线影响较明显,当缺口沿厚度方向时,试样在冲 击载荷一位移曲线的上升阶段突然断裂,而缺口沿表面方 向时,试样达到冲击载荷位移曲线的最大值并维持一段距离后突然断裂,因此,在低温

15、条件下缺El平行表面方向 试样的冲击韧性比缺口沿厚度方向试样的冲击韧性好. 2.2;中击试样破坏断口出于厚度不同、实验环境温度不同以及缺口的取向不 同,冲击试样破坏断口的宏观图像呈现明显的不同从图 3可以看出,无论是缺口沿厚度方向冲击试洋断口或是缺 口沿平行表面方向冲击试样断口均出现分层现象,但缺口 取向不同分层裂纹表面方向与试样缺口方向不I刮缺I=1滑 厚度方向冲击试样断口的分层裂纹垂直于缺口方向,而缺 圈3不同实验温度冲击试样破坏斯nFig3Fractographsof Charpyimpacttestat293(a,d,g,j,253(b,e,h,kand213K(c,t i,1fors

16、teel X70(a,b,cB=lo mm,notch:Up(d,e,fB=5mm,notch:Up(g,h,io=10mIIl,notch:Side“,k,J口=5ITlmnotch:Side 万 方数据 万方数据162金属学报 39卷订滑平行丧面方向冲山试样断口的分层裂纹平行于缺口 方向因此,不管缺LJ方向如何均产生与板材表面甲行的 分层裂纹从以上的断口分析可以看出,XTO管线钢板在 轧制过程中,产生了严重的各向异性现象.尤其是平行钢 板表面方向和钢板厚度方向力学性能差别较大恨据对断 口的化学成分的分析可知,断LJ分层的起因是夹杂物、偏 析、带状显微组织和织恂等,n:热轧卷板中这些缺陷均呈

17、 平行于钢板表面的片状结构.在垂直于缺陷表面h向的应 力的作增下,在这砦缺陷的尖部产牛非常高的集中应力, 同时由于夹杂物的俘在又降低了厚度方向的强度.所以在 缺口根嗣5附近就会产牛分层裂纹J不同缺n取向试样的断口均出现分层或分离现象,其 裂纹面均1行于钢板的表面,但其产生的机理是不同的 缺口沿厚度方向的冲击试样断口的分层裂纹与缺13方向 垂直,产生在试样的厚度中央,沿垂直缺口方向扩展分 层裂纹产生的原因是试样的厚度效应,由于面内应力的存 n:,巾厚度方向产生离面拉应力,其大小与试样的有效厚 度及E巨有效厚度中心的距离有关,有效厚度越大、距有效 厚度中心距离越近离面应力越大;而缺口平行表面方向冲

18、 击试样断r丁的分层裂纹与缺口方向平行,仅产生于缺口的 根部附近,沿厚度方向扩展,分层裂纹的大小和数量与面 内拉应力的大小有关.缺El沿厚度方向试样,离面应力与 试样的有效厚度有关,在厚度较大的试样中产生一个较人 的分层裂纹,分层裂纹将试样分为两部分,每部分有效厚 度减小,仅产生较小的分层裂纹,与厚度较小的试样产牛 的小分层裂纹类似.如图3所示,缺口平行表面方向(Up, 厚度不管是5或者10mnl.的试样缺13均未发现与缺口 方向垂直的分层裂纹.而缺口沿厚度方向(Side的试样 断口,厚度为10mm的试样断口在试样中面附近有一较 大的分层裂纹,在较大的分层裂纹两边又有许多小的分层 裂纹;而厚度

19、为5rllm的试样在中面附近仅有许多小的 分层裂纹从破坏断口的侧面来看,缺口沿厚度方向的冲击试样 断口破坏面沿缺口前端近似沿直线扩展;而缺口平行表面 方向的冲击试样断口,由于产生垂直于缺口裂纹扩展方向 的分层裂纹,破坏面向前扩展将不沿直线扩展,扩展路径 与实验环境温度及试样厚度有关.试样越厚、实验温度越 低裂纹扩展路径转折越多,如当厚度B=10mm、实验温 度为213K时,破坏面滑大约与裂纹前端直线呈450角 方向扩展.扩展路径为“z”型.虽然不同缺口方向冲击 试样破坏断口的分层或分离产生的机理不同,但裂纹的起 始都是由于钢板内部片状夹杂物在垂直于夹杂表面的应 力作用下,往夹杂的尖端产生应力集

20、中,而夹杂物的存在 又降低r厚度方向的强度.对于缺口沿厚度方向的冲击试 样断n,产牛分层裂纹使试样的有效厚度减小,同时产生 分层裂纹需要消耗附加的能量,从而增加试样破坏时的冲 击功;而缺rT平行表面方向的冲击试样断口,由于产生垂 直缺几破坏扩展方向的分层裂纹,不仅产卡分层裂纹需受 消耗附加的能量,同时分层裂纹还阻止了缺几裂纹扩展, 从而也可以增加试样破坏时的冲击功61因而,不管缺口 沿厚度方向还是缺口沿平行表面方帆由于分层裂纹的产 生,试样破坏时需要消耗更多的功,分层裂纹对X70管 线钢的冲击韧。障都是有益的.图4可以看卅,尢论缺口取向为厚度方向或是平行 表面方向,随着实验温度升高,单f奇厚度

21、极限载荷降低, 213203K降低幅度约lO%左右.但213K时厚度 101TIm缺口沿厚度方向试样,由十试样为8詹性破坏在冲 击载荷 位移曲线的上升阶段突然断裂,其椒15硅载荷反 而降低.缺口沿厚度方向试样,当实验温度较高时,试样 厚度10和5mm试样单位厚度极限载倚基本相等随 着实验温度降低,厚度5illln试样的极限载荷逐渐人于 厚度10mm试样单位厚度饭限载荷,在213K时厚度 10rain的试样单位厚度极限载荷约为厚度5mm的试样 单位厚度极限载荷的75%缺口平行表面方向试样,实验 温度变化,试样厚度10和5mm试样单位厚度极限载筒图4单位厚度最大载荷随温度的变化Fig.4Maxim

22、um load of unit thickness(只Il/Ut,S temper* ature(anotch orientation:Side(bnotch orientation:Up 万 方数据 万方数据2期 畅政等:X70管线钢冲击韧岜实验|!;f寇 163基本埘等,与实验温度几乎没有关系2.4;中击韧性与缺口取向及实验温度的关系从图5总的趋蛰可“看,随着温度升高,冲击岳功 升高,冲.打韧性提高缺口方向滑厚度方向试样,在实验 温度较高如293K时,根据断口分析分屡裂纹出现早丁 缺口裂纹的句。展,分层裂纹对试样的冲占韧性影响较大, 厚度大的试样较厚度小的试样内的离面应力大,厚度大的 试样

23、产生较人且数最较多的分曙裂纹.使试样的有效厚度 减小,从罔5a可以舌在293K时厚度10mm的试 样单位厚度的冲击韧性较厚度5mm试样单位厚度冲击 韧性大随着实验温度降低,材料的脆性增加,分层裂纹 对试样的冲。打韧性影响减小,作213K时,全部断口几 乎为放射区,为幢性破坏断口,没有影响试样有效厚度的 分层裂纹产生,因此从图5a可以看出在213K时厚度 10mitt的试样单位厚度的冲击韧性较厚度5mm试样单 位厚度冲击韧胜小.缺口方向平行板材表面方向试样,在实验温度较高如 293K时,根据断口分析吖以看出缺13根部附近产生垂直 十缺口裂纹扩展方向的分层裂纹,该分层裂纹阻止缺口裂 纹的扩展,刘试

24、样的冲击韧性影响较大厚度人的试样较 厚度小的试样产牛的分层裂纹数量多且相对裂纹面大,从r K20阿一 g形薹i2"t3233253273293r K围5单位厚度冲击韧性脏温度的变化Fig.5The(?harpy impact toughness of unit thickness (At/BFs temperature【anotch orientation:Side(bnotch orientation:Up 图5b可以看出在293K时厚度lOfDm的试样单位厚度 的冲击韧性较厚度5lllln试样单ft厚度冲击韧性大.随 着实验温度降低,材料的脆性增JJ,垂直十缺口裂纹扩展 方向的分

25、屡裂纹数量减小,对试样的冲击韧性影响减小, 在213K时,全部断口几乎为放射区,为脆睦破坏断口, 因此从图5h可以看出在213K时厚度10inlfl的试样 单位厚度的冲击韧性较厚度5mill试样单位厚度冲击韧 性小3结论(IX70管线钢板在轧制过程中,产生了严重的各向 异性现象,平行钢板表面方向和钢板厚度方向力学性能差 异较大.试样缺口取向不ld,破坏形式小同(2不管缺口借厚度方向还是缺口平行表面方向,分 层裂纹的产生对XT0管线钢的冲击韧性都是有益的 (3无论缺u沿厚度方向的冲击试样或是缺口平行表 面方向的冲击试样,当温度较高时,厚度较人试样单位厚 度的冲击韧性大于厚度较小试样单位厚度的冲击韧性;当 温度较低时,厚度较人试样单位厚度的冲击韧性小于厚度 较小试样单位厚度的冲击韧性(4分层裂纹以及由分层裂纹产牛的效应主要是材料 固有的片状缺陷或夹朵所敛,有确定的方向性,同时与温度 又育密切的关系,当裂纹扩展方向与厚度方向的相对方位 改变时,分层裂纹效应亦将改变,实际的冲击-韧陛也政变 因此