王 博，張驍勇，馬 晶，張靈芝，李輝輝

（西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安710065）

0 前 言

全球石油、天然氣需求量的增加促進(jìn)了管線工程研究的迅速發(fā)展。為了提高輸送效率、降低能耗以及減少投資，長輸管線向高壓、大直徑的輸送方向發(fā)展，并對管線用鋼提出了高強(qiáng)度、高韌性、耐腐蝕性、高焊接性等要求，管線鋼的生產(chǎn)技術(shù)也得到了快速發(fā)展[1]。目前世界上已經(jīng)建成多條X80管線鋼管道[2]，對X80管線鋼的研究取得了全方位的進(jìn)展，但就其焊接接頭疲勞裂紋擴(kuò)展速率及疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值的研究還比較少，所以對X80管線鋼在這一方面的研究十分有意義。

疲勞通常指材料在變動載荷作用下的行為[3]。由于鋼管一般埋于地下，要長期在變動載荷狀態(tài)下工作，一旦形成裂紋源，裂紋易在變動載荷作用下擴(kuò)展直至斷裂，因此有必要對管線鋼疲勞裂紋擴(kuò)展速率進(jìn)行研究。對于焊接鋼管來說，對X80管線鋼焊接接頭疲勞裂紋擴(kuò)展速率的研究具有實(shí)際意義。本研究利用高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)對X80焊接接頭的疲勞裂紋擴(kuò)展速率進(jìn)行了測定，確定焊接接頭在不同應(yīng)力比下的疲勞裂紋門檻值。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)鋼板為國內(nèi)某廠生產(chǎn)的X80管線鋼，板厚18.4mm。試驗(yàn)用X80焊縫采用沿軋制方向埋弧焊接而成，焊縫的化學(xué)成分見表1，焊縫常規(guī)力學(xué)性能見表2。

1.2 試驗(yàn)方法及計(jì)算

1.2.1 疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)備為PLD-10電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)，直流電位法微機(jī)輔助測試系統(tǒng)。根據(jù)GB 9447—1988標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，選取標(biāo)準(zhǔn)SE（B）試樣，試樣尺寸為150mm×25mm×8mm，如圖1所示。

表1 試驗(yàn)焊縫的化學(xué)成分%

表2 試驗(yàn)焊縫力學(xué)性能

圖1 疲勞裂紋擴(kuò)展試樣尺寸

為了模擬管線鋼的實(shí)際受載條件，采用循環(huán)載荷加載，加載的應(yīng)力比R分別為0.1，0.3，0.5，0.7和0.9，加載頻率80～100 Hz。試驗(yàn)中，為測定近門檻區(qū)的裂紋擴(kuò)展速率采用升降法[4]。其步驟為：從某一載荷或應(yīng)力強(qiáng)度因子幅ΔKi（對應(yīng)裂紋擴(kuò)展速率約為10-5m/cycle）開始，逐級降載到裂紋擴(kuò)展速率小于10-7m/cycle。然后，逐級升載到裂紋擴(kuò)展速率約在10-5m/cycle時，進(jìn)行恒載試驗(yàn)直到試件斷裂。裂紋長度監(jiān)測采用直流電位法微機(jī)輔助測試系統(tǒng)，系統(tǒng)的監(jiān)測精度為0.003mm。

1.2.2 裂紋擴(kuò)展速率da/dN的計(jì)算

處理疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)數(shù)據(jù)的常用方法有割線法、人工作圖法、差分法、二參數(shù)冪函數(shù)擬合法和遞增多項(xiàng)式等方法。最常用的為割線法。本試驗(yàn)采用遞增多項(xiàng)式法,通過幾個試驗(yàn)點(diǎn)的擬合，得到一段a-N曲線，然后求導(dǎo)得到（da/dN）。

1.2.3 應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔK的計(jì)算

應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔK實(shí)際上是將應(yīng)力范圍σ和裂紋長度a復(fù)合而來的。即

式中：Kmax，Kmin分別為最大和最小應(yīng)力強(qiáng)度因子值，MPa·m1/2。對應(yīng)于最大與最小載荷的應(yīng)力強(qiáng)度因子，并隨裂紋長度的增加而變化；Y為材料的常數(shù)。

對于三點(diǎn)彎曲試樣SE（跨距為S=4W）有

式中：W為試樣寬度；B試樣厚度；Pmax為循環(huán)載荷中最大載荷；R為應(yīng)力比。

以上計(jì)算疲勞裂紋擴(kuò)展速率（da/dN）若采用遞增多項(xiàng)式法計(jì)算，則式（2）中的a應(yīng)用Ni對應(yīng)的擬合裂紋長度來代替求得。

1.2.4 材料常數(shù)C和m的計(jì)算

對于Paris公式而言，適用于疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線Ⅱ區(qū)（即亞臨界擴(kuò)展階段），式中C和m是材料的常數(shù)，

對式（4）兩邊取對數(shù)有，

由式（5）可以看出， lg（da/dN）與 lgΔK 呈直線關(guān)系，其斜率為m，截距為lgC。計(jì)算出的材料常數(shù)C和m可以檢驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性。

2 結(jié)果與分析

2.1 （da/dN）-ΔK 曲線

試驗(yàn)記錄疲勞循環(huán)次數(shù)、裂紋開裂長度和隨裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)機(jī)載荷相應(yīng)變化的讀數(shù)。對各試件的Ni和ai數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸統(tǒng)計(jì)，得到a-N回歸曲線方程，求導(dǎo)得出（da/dN）曲線方程。根據(jù)斷裂力學(xué)理論，由標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎曲試樣的裂紋尖端強(qiáng)度因子范圍ΔK計(jì)算表達(dá)式（即式（1））求出的Ki與對應(yīng)（da/dN）i數(shù)據(jù)再次進(jìn)行回歸，即得da/dN與ΔK關(guān)系曲線。

圖2所示為不同應(yīng)力比下X80焊接接頭的（da/dN）-ΔK曲線。由圖可看出，隨著應(yīng)力比R的增大，相應(yīng)的擴(kuò)展速率也依次增大，說明隨著應(yīng)力強(qiáng)度因子的提高，應(yīng)力比越大，裂紋擴(kuò)展速率越大。在疲勞裂紋擴(kuò)展過程中，材料組織對低速區(qū)和高速區(qū)的（da/dN）影響比較明顯，而對中速區(qū)的（da/dN）影響不太明顯。通常情況下，晶粒越粗大，其疲勞裂紋門檻值ΔKth就越高（（da/dN）≤10-7mm/cycle）， 同時裂紋擴(kuò)展速率（da/dN）越低[5]。

圖2 不同應(yīng)力比下X80焊接接頭的da/dN-ΔK曲線

如上可知，給Paris公式兩邊取對數(shù)，可得焊接接頭的lg（da/dN）-lgΔK曲線。疲勞裂紋擴(kuò)展速率分低速率區(qū)、中速率區(qū)和高速率區(qū)，疲勞裂紋中速率的lg（da/dN）-lgΔK曲線呈線性關(guān)系，這一點(diǎn)從理論和實(shí)測數(shù)據(jù)上都得以證明。一般認(rèn)為，當(dāng)裂紋擴(kuò)展速率（da/dN）≤10-7mm/cycle時，裂紋不會擴(kuò)展。對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，將中速擴(kuò)展區(qū)直線部分延伸，疲勞裂紋門檻值取擴(kuò)展速率（da/dN）=10-7mm/次時對應(yīng)的ΔK的數(shù)值。該取法較實(shí)際中門檻值小，偏于安全。

由中速擴(kuò)展區(qū)中直線部分?jǐn)?shù)據(jù)回歸可得到直線擬合lg（da/dN）=lgC+mlgΔK的曲線方程，并得到材料常數(shù)C和m見表3。

表3 不同應(yīng)力比下焊接接頭的Paris公式的C和m

通過以上數(shù)據(jù)確定da/dN=C（ΔK）m，可以求出對應(yīng)da/dN≤10-7mm/次時的疲勞裂紋門檻值ΔKth， 見表 4。

表4 不同應(yīng)力比下的ΔKth值和da/dN擬合公式

對比X52管線鋼在應(yīng)力比為0.13，0.35，0.49，0.64和0.75時的疲勞裂紋門檻值分別為6.6，5.1，4.4，3.3和2.2，可知試驗(yàn)鋼X80焊接接頭有較好的疲勞性能。

2.2 顯微組織分析

圖3所示為X80管線鋼焊接接頭及熱影響區(qū)在掃描電鏡下的低倍組織照片。焊縫試樣經(jīng)侵蝕，試樣中發(fā)現(xiàn)有局部夾渣。X80管線鋼在中等焊接熱輸入下（E=20 kJ/cm）焊縫及熱影響區(qū)各區(qū)域低倍組織照片可以看出，X80管線鋼焊縫的顯微組織為針狀鐵素體和多邊形鐵素體，且以針狀鐵素體為主，含有少量多邊形鐵素體。這種針狀鐵素體不同于管線鋼中的鐵素體，組織形態(tài)為針片狀形態(tài)。同時，高密度的位錯亞結(jié)構(gòu)和彌散分布的微合金碳、氮化合物的沉淀析出等組織結(jié)構(gòu)因素，賦予材料優(yōu)良的強(qiáng)韌特性[6]，少量多邊形鐵素體的存在使焊縫的韌性水平有所降低。熱影響區(qū)以粒狀貝氏體為主，組織分布較均勻，這一組織形態(tài)所具有的細(xì)小的有效晶粒、高密度的位錯亞結(jié)構(gòu)和彌散分布的微合金碳、氮化合物的沉淀析出等組織結(jié)構(gòu)因素，使材料具有較好的強(qiáng)韌特性。

圖3 X80管線鋼焊縫及熱影響區(qū)各區(qū)域低倍組織照片

圖4 X80管線鋼焊縫的光學(xué)顯微組織和掃描電子顯微組織

圖4所示為X80管線鋼焊縫的光學(xué)顯微組織和掃描電子顯微組織。這種針狀鐵素體表現(xiàn)為具有一定長寬比的鐵素體片相互交錯。

針狀鐵素體是管線鋼焊縫組織中經(jīng)?？梢姷慕M織形態(tài)，這不僅是因?yàn)楹缚p具有形成中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的冷卻條件，而且還因?yàn)楹缚p中難以避免的夾雜物對針狀鐵素體的形成有著重要的促進(jìn)作用。研究表明，焊縫金屬中的TiO，TiN，BN，Al2O3·MnO，MnS和 SiO2等都可誘發(fā)針狀鐵素體的形核和成長[7]，形成所謂的晶內(nèi)形核針狀鐵素體（IAF，intragranular nucleated acicular ferrite）[8-9]。這種晶內(nèi)形核針狀鐵素體如圖5所示，其中深黑色橢圓形為夾雜物，板條狀針狀鐵素體依附于夾雜物以不同位向呈放射狀生長。

圖5 X80管線鋼焊縫中的晶內(nèi)形核針狀鐵素體

需要指出的是，在焊縫金屬中所出現(xiàn)的針狀鐵素體不同于母材中的針狀鐵素體。焊縫金屬在焊接過程中所形成的針狀鐵素體多是一種以夾雜物誘發(fā)形核的晶內(nèi)形核針狀鐵素體。在焊接組織中，當(dāng)使用針狀鐵素體這一術(shù)語時，人們更傾向于強(qiáng)調(diào)它的非平行的、伸長的、多位向析出的針片狀形態(tài)[10]。如前所述，這種多位向析出的針狀鐵素體賦予X80管線鋼高的強(qiáng)韌性、疲勞性能。

3 結(jié) 論

（1）隨著應(yīng)力比的增加，疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線將向左上方移動，使得疲勞裂紋擴(kuò)展速率（da/dN）增加，疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值呈逐漸降低的趨勢；試驗(yàn)焊接接頭在同一應(yīng)力比水平上獲得了較高的疲勞裂紋門檻值，使焊縫具有較好的疲勞性能。

（2）在中等熱輸入下（20 kJ/cm），X80管線鋼焊縫組織構(gòu)成以針狀鐵素體為主，含少量多邊形鐵素體，賦予材料良好的韌性。

［1］高惠臨.管線鋼與管線鋼管［M］.北京：中國石化出版社，2012.

［2］許洪汛，唐荻，江海濤，等.X80管線鋼組織性能研究［J］.新技術(shù)新工藝，2008（09）：76-78.

［3］賈坤寧，王海東，姜秋月.高強(qiáng)度橋梁鋼焊接接頭疲勞裂紋擴(kuò)展速率的研究［J］.熱加工工藝，2010，39（17）：4-7.

［4］張建宇，李翠萍，郝雪萍.測定薄板疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值的升降法［J］.實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2008，23（02）：175-178.

［5］束德林，陳九磅，鳳儀編.工程材料力學(xué)性能［M］.第 2版，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［6］張驍勇，高惠臨，畢宗岳，等.焊接熱輸入對X80焊管焊縫組織與性能的影響［J］.材料工程，2010（09）：66-70.

［7］尚德禮，呂春風(fēng).微合金鋼中夾雜物誘導(dǎo)晶內(nèi)鐵素體析出行為［J］北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30（08） ：864-869.

［8］LEE J L.Evaluation of the Nucleation Potential of Intragranular Acicular Ferrite in Steel Weldment［J］.Acta Metall，1994，42（10）：3291-3298.

［9］TOMITA Y，SAITO N，TSUZUKI T，et al.Improvement in HAZ Toughness of Steel by TiN-MnS addition[J].IS IJ Int，1994，34（10）：829-835.

［10］余圣甫，雷毅，謝明立，等.晶內(nèi)鐵素體形核機(jī)理［J］.鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2005，17（01）：47-50.