高性能管線鋼的分層裂紋及其對(duì)斷裂作用的機(jī)理

以學(xué)科發(fā)展和我國(guó)特大型油氣輸送管道建設(shè)中急需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題為背景，針對(duì)高性能管線鋼的分層斷裂行為，通過實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬和理論分析，研究了分層裂紋的產(chǎn)生及其對(duì)斷裂的作用機(jī)理，本研究的主要工作如下： 對(duì)裂紋和不同形式缺口端部彈塑性三維應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行了有限元分析，分析缺陷尺寸、缺陷距離以及試樣厚度之間的耦合關(guān)系。進(jìn)行了X70和X80管線鋼以及X80熱擠壓成型大口徑三通不同部位和取向材料拉伸性能和沖擊韌性實(shí)驗(yàn)，研究管線鋼的力學(xué)性能及其力學(xué)性能的分布規(guī)律。分別對(duì)T-S取向和T-L取向的含V型缺口三點(diǎn)彎曲試樣分層裂紋出現(xiàn)前后的缺口根部三維應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行有限元分析計(jì)算，研究分層裂紋對(duì)管線鋼斷裂性能的影響。基于影響分層裂紋的兩大因素——材料特性與裂尖三維應(yīng)力場(chǎng)兩方面，采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究含裂紋管線鋼試樣分層裂紋產(chǎn)生的機(jī)理及規(guī)律。在分析材料弱界面特性的基礎(chǔ)上，針對(duì)含裂紋管線鋼模型中屬于脆性斷裂的分層裂紋和屬于韌性斷裂的主裂紋，分別選取不同的斷裂準(zhǔn)則作為判定主裂紋和分層裂紋斷裂的標(biāo)準(zhǔn)。采用有限元方法分析分層裂紋產(chǎn)生與材料的力學(xué)性能、試樣厚度、主裂紋形式的耦合關(guān)系，得出管線鋼中分層裂紋產(chǎn)生的規(guī)律。根據(jù)不同規(guī)格X80大口徑熱擠壓成型三通爆破壓力下的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)、爆破現(xiàn)象及斷口形貌，對(duì)X80大口徑熱擠壓成型三通全尺寸爆破斷口分層裂紋的產(chǎn)生機(jī)理及條件進(jìn)行分析。 本研究系統(tǒng)地研究了材料斷裂行為和材料性能耦合作用，建立基于應(yīng)力場(chǎng)和材料性能耦合作用斷裂特征量的表征方法。描述及模擬管線鋼含分層裂紋斷裂的破壞過程，揭示材料力學(xué)性能分布與分層斷裂宏觀力學(xué)行為間的關(guān)系及其在斷裂過程中的演化，為我國(guó)大型油氣輸送管線的設(shè)計(jì)與安全評(píng)定提供理論依據(jù)。探索了合理利用斷裂過程中產(chǎn)生的分層裂紋提高管材實(shí)際韌性的新途徑，為高性能管線鋼材料的研制提供新思路。 2100433B

以學(xué)科發(fā)展和我國(guó)特大型油氣輸送管道建設(shè)中急需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題為背景，針對(duì)高性能管線鋼的分層斷裂行為，對(duì)其所涉及的力學(xué)、材料學(xué)跨學(xué)科的前沿問題開展規(guī)范化、系統(tǒng)化的深入研究。通過實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬和理論分析，研究分層裂紋的產(chǎn)生及其對(duì)斷裂的作用機(jī)理。突破現(xiàn)有斷裂理論的局限性，系統(tǒng)地發(fā)展斷裂行為和材料性能耦合作用的理論及方法，建立基于應(yīng)力場(chǎng)和材料性能耦合作用斷裂特征量的表征方法。描述及模擬管線鋼含分層裂紋斷裂的破壞過程，揭示材料微觀結(jié)構(gòu)或組織與分層斷裂宏觀力學(xué)行為間的關(guān)聯(lián)及其在斷裂過程中的演化。提出基于應(yīng)力場(chǎng)和材料性能耦合作用的斷裂準(zhǔn)則，為我國(guó)大型油氣輸送管線的設(shè)計(jì)與安全評(píng)定提供理論依據(jù)。探索合理利用斷裂過程中產(chǎn)生的分層裂紋提高管材實(shí)際韌性的新途徑，為高性能管線鋼材料的研制提供新思路。本研究不僅對(duì)學(xué)科發(fā)展具有重要意義，也對(duì)保證我國(guó)大型油氣輸送管道的安全具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

裂紋的形成是連鑄過程中力學(xué)因素和冶金特性綜合作用的結(jié)果，從裂紋的形成到出現(xiàn)，必須有作用應(yīng)力，且材料本身不能承受此應(yīng)力。因此，要理解連鑄中各類裂紋的形成過程，就需要了解應(yīng)力源和材料的高溫特性，特別是延展性。而且需要指出的是，裂紋形成不見得均勻進(jìn)行，可能有明顯的裂紋開始和擴(kuò)張階段。下面就幾種典型的表面裂紋和內(nèi)部裂紋的形成機(jī)理進(jìn)行分析。

連鑄坯裂紋表面橫向裂紋的形成機(jī)理

有證據(jù)表明，表面橫向裂紋的早期形成階段，出現(xiàn)在結(jié)晶器內(nèi)的高溫區(qū)，并且與振痕附近的偏析有關(guān)。這些區(qū)域熔點(diǎn)低，且由于向結(jié)晶器的熱傳輸降低，而使溫度較高，從而導(dǎo)致熱扯裂。當(dāng)碳含量達(dá)到出現(xiàn)包晶的程度時(shí)，表面橫向裂紋增加，盡管表面橫向裂紋的早期形成階段，可能位于結(jié)晶器內(nèi)，但這些缺陷變大、變多則是在結(jié)晶器之后的低溫區(qū)，當(dāng)其受到來自各種渠道的應(yīng)力作用，特別是象鑄坯矯直時(shí)那樣的應(yīng)力作用時(shí)，當(dāng)這些應(yīng)力出現(xiàn)在延展性差的溫度范圍內(nèi)，表面橫向裂紋很嚴(yán)重。由于熱延展性受微合金影響強(qiáng)烈，所以有報(bào)道認(rèn)為，這就是微合金元素影響表面橫向裂紋的機(jī)理，除微合金元素析出物在表面橫向裂紋的形核方面起一定作用外，振痕也有利于裂紋的擴(kuò)張。這是由于振痕下的晶粒尺寸較粗大，且凹口形的幾何形狀也會(huì)使應(yīng)力集中。

連鑄坯裂紋表面縱向裂紋的形成機(jī)理

連鑄坯表面縱向裂紋的產(chǎn)生往往與表面縱向凹陷相伴隨。據(jù)認(rèn)為，連鑄坯表面縱向凹陷、裂紋是在結(jié)晶器彎月面附近產(chǎn)生，在二冷區(qū)得到擴(kuò)展，因此，其根源在于鋼水在結(jié)晶器內(nèi)的凝固行為及其影響因素。各種原因?qū)е碌牟痪鶆騻鳠岷筒痪鶆蚰虝?huì)造成鑄坯凹陷，凹陷部位冷卻和凝固速度比其他部位慢，結(jié)晶組織粗化，對(duì)裂紋敏感性強(qiáng)。坯殼出結(jié)晶器后受到噴水冷卻和鋼水靜壓力引起的膨脹作用，在凹陷的薄弱處造成應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂紋。坯殼表面凹陷越深，坯殼厚度不均勻性就越嚴(yán)重，縱裂出現(xiàn)的幾率越大。

成分、結(jié)晶器狀況、過熱度、拉速、保護(hù)渣甚至是操作等導(dǎo)致的不均勻傳熱，都增加了鑄坯產(chǎn)生表面縱向凹陷和裂紋的幾率。

連鑄坯裂紋內(nèi)部裂紋的形成機(jī)理

最初在結(jié)晶器中形成的2-5mm厚的凝固殼為細(xì)小的等軸晶，之后凝固組織變?yōu)橹鶢罹?。柱狀晶的方向基本上與坯殼表面垂直，且平行于熱流方向。隨著凝固的進(jìn)行，S,P等元素發(fā)生偏析，在固液界面前沿及枝晶之間富集。含S,P較高的晶界在大體積材料的固相線溫度Tsol下仍處于液態(tài)，對(duì)于與柱狀晶方向垂直的拉應(yīng)力或拉應(yīng)變而言，處于液相的晶界幾乎沒有塑性。開始出現(xiàn)零塑性的溫度ZDT比固相線溫度低30 ~ 70℃,當(dāng)結(jié)晶器摩擦力引起的應(yīng)力、坯殼鼓肚應(yīng)力、熱應(yīng)力、矯直應(yīng)力、以及由于導(dǎo)輥?zhàn)冃?、不?duì)中引起的附加機(jī)械應(yīng)力作用于凝固前沿時(shí)，凝固界面率先沿柱狀晶晶界開裂形成裂紋，并向固相擴(kuò)展，同時(shí)凝固前沿富含溶質(zhì)元素的鋼水有可能被“抽吸”進(jìn)入裂紋。這就是內(nèi)裂紋有時(shí)伴隨著偏折線一起出現(xiàn)的原因。

初始形成的裂紋沿柱狀晶晶界向固相擴(kuò)展，由于溫度逐漸降低，塑性和強(qiáng)度逐漸上升，或遇到表層等軸晶區(qū)，裂紋擴(kuò)展被抑制。在隨后的凝固過程中，如果凝固前沿繼續(xù)受到應(yīng)力或應(yīng)變的作用，則已形成的內(nèi)裂紋將隨著凝固界面的推進(jìn)而連續(xù)“生長(zhǎng)” 。

金屬材料在蠕變過程中可發(fā)生不同形式的斷裂，按照斷裂時(shí)塑性變形量大小的順序，可將蠕變斷裂分為如下三個(gè)類型：沿晶蠕變斷裂、穿晶蠕變斷裂、延縮性斷裂。

蠕變斷裂沿晶蠕變斷裂

沿晶蠕變斷裂是常用高溫金屬材料(如耐熱鋼、高溫合金等)蠕變斷裂的一種主要形式。主要是因?yàn)樵诟邷?、低?yīng)力較長(zhǎng)時(shí)間作用下，隨著蠕變不斷進(jìn)行，晶界滑動(dòng)和晶界擴(kuò)散比較充分，促進(jìn)了空洞、裂紋沿晶界形成和發(fā)展。在垂直于拉應(yīng)力的晶界上，當(dāng)應(yīng)力水平超過臨界值時(shí)，通過空位聚集的方式形成空洞?？斩春诵囊坏┬纬?，在拉應(yīng)力作用下，空位由晶內(nèi)或沿晶界繼續(xù)向空洞處擴(kuò)散，使空洞長(zhǎng)大并相互連接形成裂紋。

蠕變斷裂穿晶蠕變斷裂

穿晶蠕變斷裂主要發(fā)生在高應(yīng)力條件下。其斷裂機(jī)制與室溫條件下的韌性斷裂類似，是空洞在晶粒中夾雜物處形成，并隨蠕變進(jìn)行而長(zhǎng)大、匯合的過程。

蠕變斷裂延縮性蠕變斷裂

延縮性斷裂主要發(fā)生在高溫 (T>0.6Tm)條件下。這種斷裂過程總伴隨著動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，在晶粒內(nèi)不斷產(chǎn)生細(xì)小的新晶粒。由于晶界面積不斷增大，空位將均勻分布，從而阻礙空洞的形成和長(zhǎng)大。因此，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶抑制沿晶斷裂。晶粒大小與應(yīng)變量成反比。在縮頸處晶粒要細(xì)得多，縮頸可伴隨動(dòng)態(tài)再結(jié)晶一直進(jìn)行到截面積減小為零時(shí)為止。2100433B

深部隧道圍巖呈現(xiàn)的許多超常響應(yīng)現(xiàn)象，提出了大量迫切需要研究的新課題。本項(xiàng)目以揭示其中圍巖分層斷裂現(xiàn)象產(chǎn)生機(jī)理并構(gòu)建相應(yīng)支護(hù)方法為目的。在大型地下結(jié)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)上建造基于巖體結(jié)構(gòu)的深部地層模型并在其內(nèi)部安裝模擬隧道開挖的局部卸載裝置。采用聲發(fā)射檢測(cè)定位與光纖光柵傳感技術(shù)聯(lián)合監(jiān)測(cè)開挖導(dǎo)致的圍巖分層斷裂發(fā)生、擴(kuò)展及停止的全過程。通過建立深部巖體力學(xué)的損傷突變破斷分析方法，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，導(dǎo)出表征分層斷裂圍巖分布形態(tài)、力學(xué)狀態(tài)特征的解析公式，揭示圍巖分層斷裂現(xiàn)象的形成機(jī)理。研制基于分層斷裂機(jī)理的數(shù)值功能模塊，將該模塊植入FLAC軟件核心機(jī)構(gòu)，改造并擴(kuò)充其功能，構(gòu)建深部隧道開挖數(shù)值模擬工具?；跀嗔讶Ψ植夹螒B(tài)機(jī)制，利用數(shù)值模擬工具，提出主、次承載拱聯(lián)合支護(hù)原理、設(shè)計(jì)方法及其構(gòu)建技術(shù)。本項(xiàng)目將解決圍巖分層斷裂的有關(guān)問題，有效遏止深部隧道工程的相關(guān)災(zāi)害，為深部地下工程圍巖各種超常破裂現(xiàn)象機(jī)理研究提拱借鑒。