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確定管材韌性的小試件實(shí)驗(yàn)

4.1引言

提高鋼材的使用性能已形成愈來(lái)愈強(qiáng)勁的全球化趨勢(shì)书斜。在本世紀(jì)媚瘫，鋼鐵材料仍然是占主導(dǎo)地位的結(jié)構(gòu)材料逛裤。各行各業(yè)的效益砍毡、效率和效能迫使結(jié)構(gòu)材料最大限度地提高其使用性能水平。以石油天然氣輸送管道的應(yīng)用為例脊腺，屈服強(qiáng)度由448MPa(X65）提高到690MPa(Xl00)姓拂，經(jīng)濟(jì)效益提高了20%。
21世紀(jì)中期峦爪，我國(guó)鋼材需求量可能超過(guò)2億噸／年嫁慌，即需要在目前基礎(chǔ)上再增加1億噸／年的生產(chǎn)能力，需再投入10000億元辅蜡。國(guó)家的財(cái)力爆始、能源、資源迅撑、環(huán)境门贫、運(yùn)輸?shù)染鶡o(wú)法承受。提高鋼的使用性能顶质，使一噸能夠頂幾噸使用淮超，是我國(guó)鋼鐵工業(yè)的主要出路。
提高鋼的使用性能必須提高其使用強(qiáng)度與斷裂韌性的水平旺订。為滿足社會(huì)發(fā)展的要求弄企，西方發(fā)達(dá)國(guó)家和我國(guó)都制訂了面向21世紀(jì)的“超級(jí)鋼”研究計(jì)劃。

日本1997年提出STX21超級(jí)鋼研究計(jì)劃区拳，為期10年拘领，總費(fèi)用高達(dá)1000億日元。其目標(biāo)為普通鋼屈服強(qiáng)度達(dá)到80OMPa樱调，高強(qiáng)度鋼抗拉強(qiáng)度達(dá)到驚人的300OMPa约素；
我國(guó)973項(xiàng)目“新一代鋼鐵材料的重大基礎(chǔ)研究”，為期5年笆凌，前兩年投入1500萬(wàn)元人民幣圣猎，目標(biāo)為碳素結(jié)構(gòu)鋼屈服強(qiáng)度達(dá)到400MPa，低合金鋼屈服強(qiáng)度達(dá)到800MPa乞而，合金結(jié)構(gòu)鋼抗拉強(qiáng)度達(dá)到1500MPa送悔。
國(guó)內(nèi)外“超級(jí)鋼”計(jì)劃包括了石油用鋼的管線鋼、油井管鋼和石油爪模、石化裝備用鋼等欠啤。以管線鋼為例：
日本STX21超級(jí)鋼計(jì)劃將高性能管線鋼作為其中的重要內(nèi)容。發(fā)達(dá)國(guó)家已批量生產(chǎn)供應(yīng)的高鋼級(jí)管線鋼管為X80叮褐，酸性環(huán)境用管為X65称桶，已研制成功開(kāi)始試用的高強(qiáng)度和耐酸性環(huán)境腐蝕的管線管分別為Xl00和X70硬碳，目前正在研制高強(qiáng)度X12O和酸性環(huán)境用的X80管線鋼管。
我國(guó)973中也包含了“高性能管線鋼的重大基礎(chǔ)研究”枚甫，其目標(biāo)是將現(xiàn)有管線鋼的使用壽命延長(zhǎng)一倍祈前，其中包括高強(qiáng)度X80和酸性環(huán)境用X65管線鋼的重大基礎(chǔ)研究。

鋼材的強(qiáng)度與韌性性能決定于材料的成分／結(jié)構(gòu)以及合成/加工仓脓。

在鋼材的成分／結(jié)構(gòu)售微，即材料設(shè)計(jì)方面，超低碳貝氏體鋼和超低碳馬氏體鋼被譽(yù)為21世紀(jì)的管線鋼锨间，其鋼級(jí)為X80～X100（貝氏體）甩腻、Xl00～Xl20（馬氏體）。

在鋼材的合成／加工婿芝，即冶煉和加工成型工藝方面昭仲，主要的工作是保障預(yù)期的組織狀態(tài)，并使鋼有超高純凈度挨让、高的均勻性和晶粒的超細(xì)化枚冗。
現(xiàn)代冶金技術(shù)和加工成型工藝的進(jìn)展主要包括：超純凈鋼冶煉技術(shù)，保證鋼材中的各元素比比例N≤20ppm,O≤10ppm,H≤1.0ppm蛇损；高均勻性的連鑄技術(shù)赁温，包括連續(xù)過(guò)程的電磁攪拌、連續(xù)板坯緩慢壓縮（soft reduction）技術(shù)等淤齐；控制軋制股囊、控制冷卻、強(qiáng)制加速冷卻更啄，超細(xì)晶粒（可達(dá)1μm左右）稚疹，沉淀硬化，以保障得到預(yù)期的組織結(jié)構(gòu)祭务；TiO處理等内狗。
一般來(lái)說(shuō)，對(duì)天然氣管線有兩種韌性要求义锥。首先是要求全壁厚落錘撕裂實(shí)驗(yàn)柳沙，要求在最低設(shè)計(jì)溫度下的最小剪切面積為85%，以保證不發(fā)生脆性斷裂拌倍；其次是夏比沖擊韌性的要求赂鲤，以保證管線鋼有足夠的韌性，能夠延性止裂饿遏。規(guī)定的夏比韌性值與下述相關(guān)：所有試件的平均值等于最小延性止裂的計(jì)算值医狡。

本章采用我們同中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司西安石油管材研究所（CNPC）合作項(xiàng)目測(cè)定的高韌性管線鋼CVN殊纫、DWTT沖擊能量數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納比較替熊，旨在確定現(xiàn)有X7O鋼級(jí)鋼材的物理性能及其中的規(guī)律肿车，并為數(shù)值模擬動(dòng)態(tài)斷裂擴(kuò)展中參數(shù)的確定提供依據(jù)。
4.2 V型缺口夏比沖擊實(shí)驗(yàn)（Charpy V-Notch Impact Test)

CVN(Chary V-Notch）實(shí)驗(yàn)又稱三點(diǎn)彎曲夏比沖擊實(shí)驗(yàn)掘顾，是一種傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)材料斷裂韌性的實(shí)驗(yàn)方法到讽。它通過(guò)擺錘式?jīng)_擊實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)含V型缺口的小型試件的沖擊破壞實(shí)驗(yàn)測(cè)量在此過(guò)程中的耗散功，即夏比沖擊功累踱，來(lái)評(píng)價(jià)材料的斷裂韌度保媒。
該實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)便易行，且有大量的數(shù)據(jù)積累惫借，因此在防止結(jié)構(gòu)脆性破壞或延性裂紋擴(kuò)展的評(píng)價(jià)上得到廣泛的應(yīng)用辟昏。
實(shí)驗(yàn)裝置和參數(shù)示意圖如圖4-1所示。
GB2106-80和ASMME23-96規(guī)定試樣標(biāo)準(zhǔn)尺寸為10×10×55mm堰洛，缺口深度為2mm获列。對(duì)于2/3尺寸試樣，厚度減為6.67mm蛔垢，截面尺寸不變击孩，如圖4-2。

 

HLP組織提到?jīng)_擊功大致與試樣厚度的1.5次方成正比鹏漆，由此得到全尺寸沖擊功和2/3尺寸沖擊功的近似關(guān)系：

C_2/3=0.544C_KV                                                        （4-1）

式中C_KV和C_2/3­分別表示全尺寸試樣和2/3試樣的夏比沖擊功巩梢。

在20世紀(jì)60年代，管線鋼管開(kāi)始使用控軋或熱機(jī)械加工工藝鋼生產(chǎn)艺玲。這種工藝導(dǎo)致壁厚中的帶狀組織括蝠，其內(nèi)含有馬氏體和貝氏體晶粒薄層。這一結(jié)果實(shí)際上產(chǎn)生了低合金鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)板驳。馬氏體鋼和貝氏體鋼在對(duì)材料韌性方面有一定的好處又跛，但這些薄的馬氏體和貝氏體晶粒薄層比厚的鐵素體/珠光體層還要脆，并導(dǎo)致產(chǎn)生平行于鋼管表面的開(kāi)裂若治，這種剝離被認(rèn)為在軸向擴(kuò)展的裂紋尖端產(chǎn)生慨蓝。在裂尖附近的鋼將明顯的存在一系列的孤立的分層。這些分層多被歸類為分離端幼，并應(yīng)與條帶夾雜物缩髓，如MnS夾雜區(qū)分開(kāi)來(lái)。壁厚的減薄將減低韌脆轉(zhuǎn)化溫度王捧，所以只需添加少量的合金学释，材料便可具有更高的抵抗脆斷的能力。斷口分離現(xiàn)象可以從試樣的斷裂表面觀察到匹忙，如圖4-3所示粱思。

對(duì)于斷口上有分離的材料，隨溫度的升高，分離將最終消失槐芹，這是因?yàn)轳R氏體和貝氏體帶也達(dá)到了上平臺(tái)溫度海拾。圖4-4表示典型控軋鋼的夏比能量隨溫度的變化。夏比沖擊試樣上100%剪切面積對(duì)應(yīng)的最小夏比能稱為CV100填阅。當(dāng)所有的分離都消失時(shí)眉脖，上平臺(tái)能CVP出現(xiàn)，其大小可能高于CV100茶壹。

圖4-5給出了某種控軋鋼的CVN沖擊能量隨溫度的變化头趴。由于在脆性斷裂行為中沖擊韌性值遠(yuǎn)小于韌性斷裂，因而當(dāng)環(huán)境溫度接近或低于材料的韌脆轉(zhuǎn)化溫度時(shí)咆蒿，測(cè)得的CVN值會(huì)明顯降低东抹。圖4-6中的系列試樣經(jīng)歷了韌脆斷裂過(guò)程的轉(zhuǎn)變。一般定義SA為韌性撕裂所占斷口面積比沃测，85%SATT表示韌性占85%撕裂面積對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)化溫度府阀。

斷口分離的發(fā)生情況與溫度有關(guān)。隨著試樣溫度的升高芽突，當(dāng)鋼材成分中的馬氏體/貝氏體層達(dá)到其上臺(tái)能時(shí)试浙，斷口分離會(huì)逐漸減少直至消失。分離對(duì)上平臺(tái)韌性的影響是：鋼中分層越薄寞蚌，韌性斷裂的抗力越低田巴。因此，材料中分離多時(shí)挟秤，其韌性比大高溫下無(wú)分離的相同材料的韌性低壹哺。

圖4-7選擇的管線鋼在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)同時(shí)經(jīng)歷了韌脆轉(zhuǎn)化和斷口分離，對(duì)上述結(jié)論給予了證實(shí)艘刚，并可以看到發(fā)斷口分離的試件的韌性稍低于未發(fā)生斷口分離的試件管宵。

夏比沖擊實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)是擺錘的沖擊速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實(shí)際裂紋的擴(kuò)展速度，同時(shí)試件厚度偏薄悲尝，使得測(cè)到的CVN能量不能嚴(yán)格反映裂紋擴(kuò)展過(guò)程中受到的材料韌性的影響宇涵。近年來(lái)人們開(kāi)始注意選擇不同的韌性測(cè)定實(shí)驗(yàn)以提高止裂評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。在這種背景下吐梗，DWTT實(shí)驗(yàn)得到了廣泛的重視與應(yīng)用突仆。
4.3落錘撕裂實(shí)驗(yàn)（Drop Weight Tear Test)

落錘撕裂實(shí)驗(yàn)DWTT早期主要用于根據(jù)斷口形貌確定鐵素體鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，近年來(lái)也用于評(píng)價(jià)材料的斷裂韌性桐赠。同CVN實(shí)驗(yàn)相比穆垦，它的試樣尺寸較大，錘刃更為厚重涌粱，因而要求試驗(yàn)機(jī)具備更高的沖擊能量辱郑。
圖4-8和圖4-9分別表示DWTT的試樣標(biāo)準(zhǔn)和斷口形貌埃的。

GB 8363-87和ASMM E436規(guī)定試樣外形尺寸為300×75mm，缺口深度為5mm糟糊，厚度即為原板厚度骇诈。

實(shí)驗(yàn)證實(shí)，對(duì)有上臺(tái)能的控軋鋼進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中额前，標(biāo)準(zhǔn)DWTT實(shí)驗(yàn)比夏比沖擊實(shí)驗(yàn)在評(píng)價(jià)延性裂紋擴(kuò)展行為上有更好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。但對(duì)于高韌性的淬火回火鋼牵敷，標(biāo)準(zhǔn)DWTT試樣由于在起裂過(guò)程中吸收了大量的功胡岔，致使裂紋擴(kuò)展的應(yīng)變速度過(guò)低而與真實(shí)擴(kuò)展?fàn)顩r不符。采用靜態(tài)預(yù)制裂紋DWTT試樣或雙試樣DWTT法是解決這一問(wèn)題的兩種方案枷餐，如圖4-10所示靶瘸。

在預(yù)制裂紋DWTT實(shí)驗(yàn)中，起裂功由于預(yù)開(kāi)裂紋的原因基本上被消除了毛肋；在雙試樣DWTT實(shí)驗(yàn)中怨咪，采用了V形槽和DWTT試樣，這種試樣對(duì)V形缺口根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的要求進(jìn)行了修正润匙，在后端加開(kāi)了凹槽诗眨，兩次實(shí)驗(yàn)的開(kāi)槽深度不同，以其DWTT功的差作為最終評(píng)價(jià)的依據(jù)孕讳，有效地抵消了起裂功匠楚。這樣實(shí)驗(yàn)得到的DWTT功只有裂紋擴(kuò)展功，能夠很好地估計(jì)延性裂紋的擴(kuò)展厂财。
DWTT實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也會(huì)發(fā)生斷口分離芋簿，如圖4-11所示。DWTT分離形貌與全尺寸行為在相同溫度下很相似穴眨，CVN則明顯不同扎瞧。

DWTT試樣的斷口分離平行于鋼板表面，垂直于斷一口平面料悟。鋼材從高溫軋制冷卻到接近于低溫相變溫度時(shí)草颤，厚度方向上發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，形成貝氏體或馬氏體板條束墙弛，引起平行于板材平面的方向發(fā)生開(kāi)裂旅峰。板材越厚，裂紋尖端塑性區(qū)的應(yīng)力越大灯狠，越容易發(fā)生斷口分離念距。
隨著裂紋擴(kuò)展成為一系列小的薄片，斷口分離使得軸向傳播的裂紋尖端充分顯露出來(lái)黔晶，從而減小了管子的有效壁厚董容，降低韌脆轉(zhuǎn)化溫度，使材料整體上更適于低溫使用。當(dāng)斷口表面發(fā)生大量分離時(shí)衍震，相應(yīng)的延性斷裂功會(huì)有所降低味滞。為了準(zhǔn)確地測(cè)定材料的斷裂韌性，應(yīng)盡可能避免斷口分離現(xiàn)象的發(fā)生钮呀。與CVN實(shí)驗(yàn)類似剑鞍，DWTT沖擊韌性也隨溫度的升高而增加。圖4-12給出了與圖4-6相對(duì)應(yīng)的具有上臺(tái)能的控軋鋼材標(biāo)準(zhǔn)DWTT吸收功與溫度的變化關(guān)系爽醋。DWTT試樣和夏比試樣的厚度差異導(dǎo)致了兩圖85%SATT不同蚁署。

圖4-13比較了在延性和脆性斷裂中有無(wú)斷口分離試樣的DWTT韌性值。結(jié)論與CVN實(shí)驗(yàn)類似蚂四，發(fā)生斷口分離的試樣光戈，測(cè)得韌性值略低。

4.4 CVN實(shí)驗(yàn)與DWTT實(shí)驗(yàn)的比較研究

CVN實(shí)驗(yàn)是被廣泛采用的測(cè)定鋼材斷裂韌性的方式遂赠。近二十年來(lái)的研究工作表明久妆，隨著管線輸送技術(shù)的發(fā)展，就高韌性鋼而言跷睦，基于DWTT實(shí)驗(yàn)的結(jié)果比CVN實(shí)驗(yàn)更準(zhǔn)確筷弦。對(duì)于這種現(xiàn)象成因的解釋一般基于以下幾種觀點(diǎn)：

●錘擊速度。CVN和DWTT實(shí)驗(yàn)的錘擊速度均小于全尺寸實(shí)驗(yàn)裂紋的擴(kuò)展速度抑诸，相比之下DWTT實(shí)驗(yàn)的錘擊速度更高戏喊，更接近真實(shí)狀態(tài)。隨著輸送壓力的提高署咸，斷裂擴(kuò)展速度大幅提升躺沽，CVN實(shí)驗(yàn)的擺錘撞擊速度比真實(shí)斷裂速度低引起的能量耗散上的非線性差異更加突出：
●尺寸效應(yīng)。CVN實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試樣厚度小于管道壁厚铜乱，使止裂韌性預(yù)測(cè)發(fā)生偏差满盔；而DWTT實(shí)驗(yàn)測(cè)定止裂韌性一般采用全厚度試樣，這與它用于評(píng)價(jià)韌脆轉(zhuǎn)變溫度時(shí)一致馏舰，裂紋的斷裂路徑比夏比試樣更長(zhǎng)嗡吸，因此完全剪切撕裂破壞可以像全尺寸斷裂行為那樣得到充分的發(fā)展。對(duì)于高韌性材料便浮，CVN實(shí)驗(yàn)中為采用試樣標(biāo)準(zhǔn)厚度而對(duì)原管壁進(jìn)行加工對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響更為顯著哩拒；

●缺口形狀。DWTT試樣的尺寸比CVN試樣寬闊尤痒，利于調(diào)整缺口形狀和性質(zhì)使實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨于精確曾谁。除采用預(yù)開(kāi)裂試件或雙V形槽試件的方法消除起裂功以外，缺口的角度和脆性都對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定的影響悔叽；

●試驗(yàn)機(jī)容量莱衩。CVN和DWTT試驗(yàn)機(jī)的過(guò)剩能容量可以有很大的不同爵嗅，通常DWTT設(shè)備的過(guò)剩能容量是相同的CVN設(shè)備的兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。一般認(rèn)為儀器容量相當(dāng)于最高韌性樣品能量的五倍即是具有足夠的過(guò)剩能量笨蚁。在此范圍之內(nèi)睹晒，過(guò)剩能量的多少是影響CVN和DWTT實(shí)驗(yàn)斷口形貌和韌性數(shù)值的最主要因素。
在已進(jìn)行的大多數(shù)全尺寸實(shí)驗(yàn)中括细，對(duì)鋼材斷裂性能的描述漢限于CVN沖擊能量方面伪很。如果能夠保存實(shí)際止裂點(diǎn)處鋼材的性能，便可制作試樣取得止裂所需的DWTT能量數(shù)據(jù)奋单。實(shí)際上無(wú)法做到這一點(diǎn)锉试，這意味著只有找到DW竹韌性和CVN韌性之間的關(guān)系，已有的裂紋擴(kuò)展全尺寸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)才能用于DWTT吸收功做止裂預(yù)測(cè)辱匿。因而從實(shí)用的角度來(lái)看，應(yīng)該建立同種材料的夏比吸收功和DWTT功之間的大致對(duì)應(yīng)關(guān)系炫彩。
Wilkowski對(duì)老式控軋鋼匾七，包括有無(wú)上臺(tái)能的情況做了檢驗(yàn)，得到標(biāo)準(zhǔn)DWTT韌性和夏比韌性的對(duì)應(yīng)關(guān)系：
d_s=3_cKV+0.63                                    （4-2）

日本HLP委員會(huì)在大量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上針對(duì)淬火回火高韌性鋼進(jìn)行了調(diào)整：

D_s=5.9h^1.5C_KV^0.544                                        （4-3）

上兩式中D_s表示標(biāo)準(zhǔn)DWTT吸收功相應(yīng)的江兢，d_s表示標(biāo)準(zhǔn)DWTT韌性值污涤，即單位面積的DWTT吸收功。C_KV和c_KV分別表示全尺寸試樣的夏比沖擊功和沖擊韌性值昙激，即單位面積的夏比沖擊功狰娱。h為壁厚，mm赤猾。
本文根據(jù)我們最近的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)修正了（4-3）式的系數(shù)：
D_s=3.5h^1.5C_KV^0劈耽。6                                             （4-4）

圖4-14將（4.2）～（4.4）式預(yù)測(cè)的對(duì)應(yīng)關(guān)系同真實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果做了對(duì)比≌湛剩可以看到對(duì)于相近的CVN韌性預(yù)測(cè)結(jié)果拆楣，實(shí)際的DWTT功從低到高在大范圍內(nèi)分布。

由于DWTT實(shí)驗(yàn)和Charpy沖擊實(shí)驗(yàn)存在根本區(qū)別肩降，實(shí)驗(yàn)結(jié)果受試驗(yàn)機(jī)過(guò)剩容量浅仑、斷口分離情況、起裂功比例不同屁样、尺寸效應(yīng)屿扮、錘擊速度差異等因素的直接影響，DWTT實(shí)驗(yàn)和夏比實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的分散性不可避免我衬√痉牛總結(jié)二者之間近似的對(duì)應(yīng)關(guān)系，目的是給通過(guò)DWTT韌性的止裂預(yù)測(cè)提供更多的實(shí)測(cè)參考挠羔。

4.5雙試件DWTT法測(cè)定G_d和（CTOA）c

（CTOA）c可以通過(guò)攝像機(jī)從實(shí)物裂紋擴(kuò)展的照片上觀測(cè)得到许昨，也可同CVN或DWTT實(shí)驗(yàn)建立聯(lián)系懂盐。Wilkowski分別建立了基于CVN和DWTT吸收功的（CTOA）c經(jīng)驗(yàn)算法，模型如圖4-15糕档。另一種方法是通過(guò)測(cè)定作用于試件上的總功莉恼，從裂紋擴(kuò)展能的角度計(jì)算（CTOA）c。

Wilkowski從實(shí)驗(yàn)歸納了夏比沖擊韌性和（CTOA）c之間的關(guān)系：

（CTOA）c=                                     （4-5）

式中k是待定系數(shù)速那，σ_fd是動(dòng)態(tài)流變應(yīng)力（MPa)俐银，σ_fd=1.3σ_f=0.65（σ_y+σ_u），σ_y為屈服應(yīng)力端仰，σ_u為拉伸強(qiáng)度捶惜，c_KV是單位面積的夏比沖擊韌性（J/mm²）。

比較常用的（CTOA）c荔烧。實(shí)驗(yàn)室測(cè)定是雙試樣DWTT法吱七。美國(guó)西南研究院SwRI發(fā)展了這一模型，測(cè)得的（CTOA）c可如下表示：

式中 為槽深為a的V形槽DWTT韌性（J/mm²)社殉；a_l陷龟、a₂為V形槽深度（mm)；a_fd是動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力（MPa）扑认。
大量的實(shí)驗(yàn)表明逻事，在高韌性鋼的沖擊實(shí)驗(yàn)中，裂紋成長(zhǎng)大約一個(gè)壁厚以后CTOA即達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)犯舆，穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展持續(xù)到初始韌帶寬度的40%為止畜溺。夏比實(shí)驗(yàn)的韌帶寬度尚不足一個(gè)壁厚，斷裂行為難以得到持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展壮僵。
雙試樣DWTT法測(cè)（CTOA）c因其簡(jiǎn)便易行和結(jié)果可信被廣泛采用理章。據(jù)此對(duì)西氣東輸采用的某管道工況做了止裂性能的靜態(tài)評(píng)價(jià)，列于表4-1和表4-2中清腌。

表4-1列出了一種X7O管材的力學(xué)性能的測(cè)試結(jié)果唐绍，并根據(jù)式（4-8）估算了（CTOA）_max，其中參數(shù)取p=l0MPa,D=1ll8mm幸亭，E=14.7mm仗扬，E=2.1×10⁵MPa。

表4-1 西氣東輸1550×14.7mmX70板材強(qiáng)度

臨界狀態(tài)下蕾额，最大的延性裂紋擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力等于材料的延性裂紋擴(kuò)展阻力早芭，即（CTOA）_max=（CTOA）c。文獻(xiàn)中給出了估算管道裂紋擴(kuò)展中（CTOA）_max的公式：

上式中σ_h是初始管道壓力下的環(huán)向應(yīng)力：σ_h=pD/2h诅蝶，σ_f是材料的流變應(yīng)力退个，E是鋼材的楊氏模量，P是輸送壓力调炬，D是管道直徑语盈，h是管道壁厚舱馅。C、m刀荒、n和q是特定的常數(shù)：C=106代嗤，m=0.753，n=0.778缠借，q=0.65干毅。

表4-2給出了通過(guò)同種管材的雙試樣DWTT實(shí)驗(yàn)，經(jīng)式（4-6）和（3-32）得到的（CTOA）c和G_d的值泼返，并作了止裂預(yù)測(cè)等盏。

表4-2 西氣東輸1550×14.7mmX70板材雙試樣DWTT實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.6對(duì)X70鋼管的韌性評(píng)測(cè)

本節(jié)對(duì)西氣東輸用到的某種國(guó)產(chǎn)X70鋼進(jìn)行CVN和DWTT韌性評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)中的板卷由B鋼廠生產(chǎn)沥卦，鋼管分別由BB缩睛、BQ、BL三家管廠生產(chǎn)辩钢。

4.6.1CVN實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4-16是夏比能與實(shí)驗(yàn)溫度曲線辉召。圖4-17是剪切面積百分比與實(shí)驗(yàn)溫度曲線。三家管廠鋼管的轉(zhuǎn)變曲線和上平臺(tái)能很似吹兴。

圖4-18a骑枯，b盏踢，c給出了三家鋼管的夏比能與剪切面積的關(guān)系施揪，以及85%剪切面積對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)變溫度。圖中CV100表示100%剪切面積時(shí)最低的夏比能赐杏，CVI表示最低夏比平臺(tái)能交某，也稱夏比轉(zhuǎn)變能，CVP表示夏比平臺(tái)能散骚。菱形實(shí)驗(yàn)點(diǎn)表示剪切面積高于90%麻诀，方形實(shí)驗(yàn)點(diǎn)表示低于90%可以看到，剪切面積低于90%時(shí)傲醉，夏比能與剪切面積呈線性關(guān)系蝇闭。

表4-3給出了歸納的夏比沖擊能量值及85%剪切面積對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)變溫度。

表4-3夏比能及85％剪切面積對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)變溫度

4.6.2 DWTT實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖4-19顯示了標(biāo)準(zhǔn)壓制缺口DWTT試樣能量與實(shí)驗(yàn)溫度數(shù)據(jù)硬毕。

圖4-20是剪切面積百分比與實(shí)驗(yàn)溫度的數(shù)據(jù)呻引。
圖4-21a,b,c是能量與剪切面積百分比圖。和前面-樣吐咳，菱形實(shí)驗(yàn)點(diǎn)表示剪切面積高于90%逻悠，方形表示低于90%。與對(duì)CVN數(shù)據(jù)的處理類似韭脊，分別定義DWTT-100表示100%剪切面積時(shí)最低的DWTT能童谒，DWTT-I表示DWTT轉(zhuǎn)變能单旁，DWTT-P表示DWTT平臺(tái)能。由圖4-21可確定DWTT和DWTT-100的值饥伊。

表4-4給出了這些DWTT實(shí)驗(yàn)的特征值和85%剪切面積對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)變溫度象浑。

表4-4DWTT能及85%剪切面積對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)變溫度

4.6.3CVN與DWTT數(shù)據(jù)比較

圖4-22是CVN與DWTT試樣的上臺(tái)能量特征值數(shù)據(jù)圖⌒�盒？偟膩�(lái)說(shuō)庸灶，CVN與DWTT試樣的特征能量比率有較好的一致性。圖中P/100的符合性比P/I更好韩丸，很大程度上是因?yàn)镃V100窘携、DWTT-100比CVN-I、DWTT-I的獲得方法更為明確查新。

從CVN數(shù)據(jù)得到的85%剪切面積轉(zhuǎn)變平均溫度是-42.7℃杀终，而從DWTT數(shù)據(jù)得到的85%剪切面積轉(zhuǎn)變平均溫度是3.7℃。兩種試樣的轉(zhuǎn)變溫度差是39℃批先。這個(gè)轉(zhuǎn)變溫度的變化比Eiber從普通熱軋鋼中得出的結(jié)論更大息聪。通過(guò)Eiber的關(guān)系式得出14.7mm厚的CVN與DWTT試樣的轉(zhuǎn)變溫度差是10℃。正是這種不同使得在高韌性管線鋼中使用CVN能量產(chǎn)生很多不便囤胯。

CVN和DWTT試樣數(shù)據(jù)表明员研，這些鋼均具有很高的上平臺(tái)能。雖然很難準(zhǔn)確地確定上升平臺(tái)行為的程度蚪缚，但這些鋼材斷口分離不明顯阶质，CVP/CV100和DWTT-PDWTT-100均小于1.2，這表明這些鋼的上升平臺(tái)很小米苹。

4.7本章小結(jié)

本章考查了CVN和DWTT兩種動(dòng)態(tài)韌性測(cè)試手段以及二者之間的關(guān)系糕伐。特別是對(duì)具有上臺(tái)能的高韌性鋼，文中詳細(xì)地分析了斷口分離與能量平臺(tái)的形成原因蘸嘶，并結(jié)合具體材料進(jìn)行了實(shí)測(cè)良瞧。
根據(jù)前兩章的需要，本章自行設(shè)計(jì)了雙試件DWTT實(shí)驗(yàn)并測(cè)定了韌性減速機(jī)理和完善止裂判據(jù)所需的偽和（CTOA)c值训唱。
通過(guò)對(duì)國(guó)產(chǎn)X70管線鋼的沖擊實(shí)驗(yàn)褥蚯，發(fā)現(xiàn)這些鋼上升平臺(tái)能很小。相比韌性止裂所需的最小韌性值况增，均有很高的上平臺(tái)韌性赞庶。
DWTT實(shí)驗(yàn)因韌性值與斷口形貌更接近于全尺寸斷裂而被廣泛采用。然而CVN沖擊韌性仍然占領(lǐng)著難以動(dòng)搖的壟斷地位巡通。發(fā)展二者之間的聯(lián)系尘执，同時(shí)尋找（CTOA）c等新的表示管材韌性的物理量是對(duì)高性能鋼進(jìn)行韌性評(píng)估的關(guān)鍵。