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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：

2013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X80、抗HIC的X65、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2020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（Rt0.5/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]。

2.1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0.80增加至0.9-0.93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0.85[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1968年在美国提出的[10]。

但是直到1975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<20%）马氏体（M）组成的高强度钢，也称马氏体双相钢。

双相钢的研究与应用，是低碳合金领域的重大发展之一。

双相钢因其具有良好的强塑性匹配及冷变形性能，最早用于汽车冲压件，后来高强度钢筋、非铅淬火高强度钢丝和非调质高强度螺栓等非冲压件采用双相钢的生产亦受到人们的关注。

双相钢最初是采用临界区热处理生产的（后来控轧工艺的发展又产生了轧制双相钢），然而人们对临界区处理和两相组织的力学性能的认识则经历了一段发展过程。

二十世纪四十年代前后，热处理工作者发现，当钢在完全奥氏体化后如果冷却不当，或部分奥氏体化的淬火组织中存在有铁素体等非马氏体组织时，会使钢的强度和冲击韧性，尤其是弹性极限降低。

二十世纪五十年代的试验表明，在临界点温度附近进行摆动热处理，可以细化晶粒，大幅度提高钢的低温韧性，同时经临界区加热淬火后可以抑制钢的回火脆性。

到了二十世纪六十年代，人们对马氏体相变理论和复合材料力学性能的研究有了新的认识和发展，使临界区热处理的应用发生了质的变化。

众所周知，除了应用在腐蚀性的环境之外，要求结构钢应有的主要性能是强度、韧性和延性。

使这些性能尽可能令人满意的主要困难是强度与延性的关系通常是相互矛盾的，即强度的升高往往降低或牺牲其它性能而韧性和延性的增长，常伴随着强度的下降。

解决这些矛盾的重要方法就是应用复合材料概念进行合金设计。

这一方法的基本原理是依靠复合物使得各相的优点得到发挥，同时使它们的缺点由于其它相的存在而减少或消除。

第二相的大小、分布、形状和体积分数影响和控制着双相钢的力学性能，这种灵活性在单相结构和许多沉淀强化材料中是不存在的。

双相钢就是在这种原理下进行合金计设计的一个例子。

双相钢具有屈服点低、初始加工硬化速率高以及强度和延性匹配好等特点，己成为一种强度高成形性好的新型冲压型用钢。

它的出现为发展和生产高强度高延性的低合金高强度钢板指出了一条新的途径。

两相的比例规则视对双相钢综合性能的要求而定。

我国在双相钢的研制方面起步较晚，一些科研、教学和生产单位从1978年开始对双相钢的变形特性、轧制变形模式、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640MPa等级别的双相钢[11]。

2.2大变形管线钢的国内外研究现状

2.2.1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0.10，屈强比都低于0.80。

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%。

2.2.2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APIX70级大变形管线钢[13]，APIX80级大变形管线钢也已开始应用，并且APIXl00/120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,交变应力一方面来自于管内输送压力的波动和气体介质的分层结构,另一方面来自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（ΔKm））系数C为（1.50~4.11）×10-9,应力强度因子范围ΔK指数m为3.14~3.62。

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、HFW、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,ΔK的指数m在3.16~4.30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（ΔK）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）之间存在一定的对应关系。

当a/t<0.8时,两者之间基本上成线性对应关系,线性回归方程为:

CTOD=0.4762a/t-0.1358……………….………..

（1）

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。

中石化李亚平[21]对X60级管线钢进行了低周疲劳试验,得到了应变-寿命（S-N）曲线公式:

Δεt=0.00598（2Nf）-0.1246+0.4293（2Nf）-0.5608…..........………………..

（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0.2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3.5%NaCl、0.1NH2SO4以及3.5%NaCl+0.1NH2SO4均不同程度地加速裂纹扩展。

从加速程度看,3.5%NaCl>3.5%NaCl+0.1NH2SO4>0.1NH2SO4。

但在裂纹扩展中部区ΔK≥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ΔK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ΔK增大而快速增大,而在中部区裂纹扩展速率随ΔK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。

1961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（ΔK）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（ΔK）m/[（1-R）KIC-ΔK]。

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（ΔK-ΔKth）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=4.8/E2×（ΔK-ΔKth）1/2×[1/ΔK-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:

……………………..（3）

由于计算的da/dN是增量

的平均速率，故平均裂纹长度

/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。

……………….（4）

式中：

…………………………………..……（5）

系数

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

是对应于循环数

上的拟合裂纹长度。

参数

和

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

处的裂纹扩展速率由式（4）求导而得:

………………………...（6）

利用对应于

的拟合裂纹长度

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

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