钢材韧性及断裂原因
用于各行业的钢材品种达数千种之多。每种钢材都因不同的性能、化学成分或合金种类和含量而具有不同的商品名称。虽然断裂韧性值大大方便了每种钢的选择，然而这些参数很难适用于所有钢材。
主要原因有：
第一，因为在钢的冶炼时需加入一定数量的某种或多种合金元素，成材后再经简单热处理便可获得不同的显微组织，从而改变了钢的原有性能；
第二，因为炼钢和浇注过程中产生的缺陷，特别是集中缺陷（如气孔、夹杂等）在轧制时极其敏感，并且在同一化学成分钢的不同炉次之间，甚至在同一钢坯的不同部位发生不同的改变，从而影响钢材的质量。
由于钢材韧性主要取决于显微结构和缺陷的分散（严防集中缺陷）度，而不是化学成分。所以，经热处理后韧性会发生很大变化。要深入探究钢材性能及其断裂原因，还需掌握物理冶金学和显微组织与钢材韧性的关系。
1.铁素体-珠光体钢断裂
铁素体-珠光体钢占钢总产量的绝大多数。它们通常是含碳量在0.05%～0.20%之间的铁-碳和为提高屈服强度及韧性而加入的其它少量合金元素的合金。
铁素体-珠光体的显微组织由BBC铁（铁素体）、0.01%C、可溶合金和Fe3C组成。在碳含量很低的碳钢中，渗碳体颗粒（碳化物）停留在铁素体晶粒边界和晶粒之中。但当碳含量高于0.02%时，绝大多数的Fe3C形成具有某些铁素体的片状结构，而称为珠光体，同时趋向于作为“晶粒”和球结（晶界析出物）分散在铁素体基体中。含碳量在0.10%～0.20%的低碳钢显微组织中，珠光体含量占10%～25%。
尽管珠光体颗粒很坚硬，但却能非常广泛地分散在铁素体基体上，并且围绕铁素体轻松地变形。通常，铁素体的晶粒尺寸会随着珠光体含量的增加而减小。因为珠光体球结的形成和转化会妨碍铁素体晶粒长大。因此，珠光体会通过升高d-1/2（d为晶粒平均直径）而间接升高拉伸屈服应力δy。
从断裂分析的观点看，在低碳钢中有两种含碳量范围的钢，其性能令人关注。一是含碳量在0.03%以下，碳以珠光体球结的形式存在，对钢的韧性影响较小；二是含碳量较高时，以球光体形式直接影响韧性和夏比曲线。
2.处理工艺的影响
实践得知，水淬火钢的冲击性能优于退火或正火钢的冲击性能，原因在于快冷阻止了渗碳体在晶界形成，并促使铁素体晶粒变细。
许多钢材是在热轧状态下销售，轧制条件对冲击性能有很大影响。较低的终轧温度会降低冲击转变温度，增大冷却速度和促使铁素体晶粒变细，从而提高钢材韧性。厚板因冷却速度比薄板慢，铁素体晶粒比薄板粗大。所以，在同样的热处理条件下厚板比薄板更脆性。因此，热轧后常用正火处理以改善钢板性能。
热轧也可生产各向异性钢和各种混合组织、珠光体带、夹杂晶界与轧制方向一致的定向韧性钢。珠光体带和拉长后的夹杂粗大分散成鳞片状，对夏比转变温度范围低温处的缺口韧性有很大影响。
3.铁素体-可溶合金元素的影响
绝大多数合金元素加入低碳钢，是为了生产在某些环境温度下的固溶体硬化钢，提高晶格摩擦应力δi。但目前还不能仅用公式预测较低屈服应力，除非已知晶粒尺寸。虽然屈服应力的决定因素是正火温度和冷却速度，然而这种研究方法仍很重要，因为可以通过提高δi预测单个合金元素可降低韧性的范围。
铁素体钢的无塑性转变（NDT）温度和夏比转变温度的回归分析至今尚无报导，然而这些也仅限于加入单个合金元素对韧性影响的定性讨论。以下就几种合金元素对钢性能的影响作简要介绍。
1）锰
绝大多数的锰含量约为0.5%。作为脱氧剂或固硫剂加入可防止钢的热裂。在低碳钢中还有以下作用。
◆含碳量0.05%钢，空冷或炉冷后有降低晶粒边界渗碳体薄膜形成的趋势。
◆可稍减小铁素体晶粒尺寸。
◆可产生大量而细小的珠光体颗粒。
前两种作用说明NDT温度随着锰量的增加而降低，后两种作用会引起夏比曲线峰值更尖。
钢含碳量较高时，锰能显著降低约50%转变温度。其原因可能是因珠光体量多，而不是渗碳体在边界的分布。必须注意的是，如果钢的含碳量高于0.15%，高锰含量对正火钢的冲击性能影响起到了决定性作用。因为钢的高淬透性引起奥氏体转变成脆性的上贝氏体，而不是铁素体或珠光体。
2）镍
加入钢中的作用似锰，可改善铁-碳合金韧性。其作用大小取决于含碳量和热处理。在含碳量（约0.02%）很低的钢中，加入量达到2%就能防止热轧态和正火钢晶界渗碳体的形成，同时实质降低开始转变温度TS，升高夏比冲击曲线峰值。
进一步增加镍含量，改善冲击韧性效果则降低。如果这时含碳量低至正火后无碳化物出现时，镍对转变温度的影响将变得很有限。在含碳约0.10%的正火钢中加入镍，最大的好处是细化晶粒和降低游离氮含量，但其机理目前尚不清楚。可能是由于镍作为奥氏体的稳定剂从而降低了奥氏体分解的温度。
3）磷
在纯净的铁-磷合金中，由于铁素体晶界会发生磷偏析降低了抗拉强度Rm而使晶粒之间脆化。此外，由于磷还是铁素体的稳定剂。所以，加入钢中将大大增加δi值和铁素体晶粒尺寸。这些作用的综合将使磷成为极其有害的脆化剂，发生穿晶断裂。
4）硅
钢中加硅是为了脱氧，同时有益于提高冲击性能。如果钢中同时存在锰和铝，大部分硅在铁素体中溶解，同时通过固溶化硬化作用提高δi。这种作用与加入硅提高冲击性能综合的结果是，在稳定晶粒尺寸的铁-碳合金中按重量百分比加入硅，使50%转变温度升高约44℃。此外，硅与磷相似，是铁素铁的稳定剂，能促进铁素体晶粒长大。按重量百分数计，硅加入正火钢中将提高平均能量转换温度约60℃。
5）铝
以合金和脱氧剂的作用加入钢中有以下两方面的原因：第一，与溶体中的氮生成AlN，去除游离氮；第二，AlN的形成细化了铁素体晶粒。这两种作用的结果是，每增加0.1%的铝，将使转变温度降低约40℃。然而，当铝的加入量超过了需要，“固化”游离氮的作用将变弱。
6）氧
钢中的氧会在晶界产生偏析导致铁合金晶间断裂。钢中氧含量高至0.01%，断裂就会沿着脆化晶粒的晶界产生的连续通道发生。即使钢中含氧量很低，也会使裂纹在晶界集中成核，然后穿晶扩散。解决氧脆化问题的方法是，可加入脱氧剂碳、锰、硅、铝和锆，使其和氧结合生成氧化物颗粒，而将氧从晶界去除。氧化物颗粒也是延迟铁素体生长和提高d-/2的有利物质。
4.含碳量在0.3%～0.8%的影响
亚共析钢的含碳量在0.3%～0.8%，先共析铁素体是连续相并首先在奥氏体晶界形成。珠光体在奥氏体晶粒内形成，同时占显微组织的35%～100%。此外，还有多种聚集组织在每一个奥氏体晶粒内形成，使珠光体成为多晶体。
由于珠光体强度比先共析铁素体高，所以限制了铁素体的流动，从而使钢的屈服强度和应变硬化率随着珠光体含碳量的增加而增加。限制作用随硬化块数量增加，珠光体对先共析晶粒尺寸的细化而增强。
钢中有大量珠光体时，形变过程中会在低温和/或高应变率时形成微型解理裂纹。虽然也有某些内部聚集组织断面，但断裂通道最初还是沿着解理面穿行。所以，在铁素体片之间、相邻聚集组织中的铁素体晶粒内有某些择优取向。
ICS 77.040.10 Ref. No. ISO 12135:2002/Cor.1:2008(E) ? ISO 2008 – All rights reserved Published in Switzerland INTERNATIONAL STANDARD ISO 12135:2002 TECHNICAL CORRIGENDUM 1 Published 2008-06-01 INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATION ? МЕЖДУНАРОДНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ПО СТАНДАРТИЗАЦИИ ? ORGANISATION INTERNATIONALE DE NORMALISATION Metallic materials — Unified method of test for the determination of quasistatic fracture toughness TECHNICAL CORRIGENDUM 1 Matériaux métalliques — Méthode unifiée d'essai pour la détermination de la ténacité quasi statique RECTIFICATIF TECHNIQUE 1 Technical Corrigendum 1 to ISO 12135:2002 was prepared by Technical Committee ISO/TC 164, Mechanical testing of metals , Subcommittee SC 4, Toughness testing — Fracture (F), Pendulum (P), Tear (T). Page 1, Clause 2 Replace the reference to ISO 7500-1:— with the following: ISO 7500-1, Metallic materials — Verification of static uniaxial testing machines — Part 1: Tension/compression testing machines — Verification and calibration of the force-measuring system Delete the reference to Footnote 1) and the footnote “To be published. (Revision of ISO 7500-1:1999)”. Page 13, Figure 6 Add “(not to scale)”. Move the note from under the title of Figure 6 to above the title. Page 16, Figure 9, Footnote d) Replace “on” with “or” to give d Edge of bend or straight compact specimen.
断裂韧性(fracture toughness) 带裂纹的金属材料及其构件抵抗裂纹开裂和扩展的能力。从20世纪50年代开始在欧文(G．R．Irwin)等的努力下，形成了线弹性断裂力学，随后又发展成弹塑性断裂力学。在用它们对断裂过程进行分析和不断完善实验技术的基础上， 逐步形成了平面应变断裂韧性K IC 、临界裂纹扩展能量释放率G IC 、临界裂纹顶端 张开位移δ IC 、临界J积分J IC 等断裂韧性参数。其中下标I表示I型即张开型裂 纹，下标c表示临界值。这些参数可通过实验测定，其值越高，材料的断裂韧性越好，裂纹越不易扩展。 断裂韧性参数 (1)平面应变断裂韧性K IC 。欧文分析平面问题的I型裂纹尖端区域的各个应 力分量中都有一个共同的因子K I ，其值决定着各应力分量的大小，故称为应力强 度因子。K IC =yσ(πa)1/2，式中σ为外加拉应力；a为裂纹长度，y为与裂纹形状、 加载方式和试件几何因素有关的无量纲系数。K I 增大到临界值K IC ，K I ≥K IC 时，裂 纹失稳扩展，迅速脆断。 (2)临界裂纹扩展能量释放率G IC 。裂纹扩展能量释放率G I =-(aμ/aA)，式中 μ为弹性能，A为裂纹面积。平面应力条件下，G I=k I2/E;平面应变条件下， G I =(k I 2/E)(1-v2)，式中E为弹性模量，v为泊松比。G I 是裂纹扩展的动力，G IC 增 大到临界值G。即G I ≥G IC 时，裂纹将失稳扩展。 (3)临界裂纹顶端张开位移δ C 。裂纹上、下表面在拉应力作用下，裂纹顶端 出现张开型的相对位移叫裂纹顶端张开位移δ，δ增大到临界值δ C ，裂纹开始扩展。 (4)临界J积分J IC 。弹塑性断裂力学中，一个与路径无关的能量线积分 叫做J积分。式中r为积分回路，由裂纹下边缘到上边缘，以逆时针方向为正，ds为弧元，ω为单位体积应变能，u为位移矢量，T是边界 条件决定的应力矢量。线弹性和弹塑性小应变条件下，I型裂纹的J积分J I =-B-1(a μ/aA)，式中B为试样厚度，a为裂纹长度。J I增大到J IC临界值，m即当J I≥J IC 时，裂纹开始扩展。 断裂韧性参数还有动态断裂韧度K Id ，应力腐蚀临界强度因子K I scc 、疲劳裂 纹扩展速率da/dN(mm／周)等。各种参数中K Ic 应用最为普遍。 K Ic 的测定各国的测试标准基本上都参考美国ASTME399。中国是 GB4161—84。按GB7732—87金属板材表面裂纹断裂韧度K Ic 试验方法规定的标准试样是紧凑拉伸试样和弯曲试样的尺寸如图1所示。
综述 管线钢指用于输送石油、天然气等的大口径焊接钢管用热轧卷板或宽厚板。管线钢在使用过程中，除要求具有较高的耐压强度外，还要求具有较高的低温韧性和优良的焊接性能。随着石油、天然气消费量的增长，其输送的重要性显越发突出，尤其是长距离输送。而提高输送效率，提高输送的经济效益就要通过加大输送管道口径，提高输送压力来解决。从而提高了对高级别、高性能管线钢的需求。 国外高级别管线钢呈现强劲的发展趋势，从20世纪70年代初期X65管线钢开始投入使用，80年代X70级管线钢逐渐被引入工程建设，1985年API标准中增加了X80钢级，随后X80开始部分在一些管线工程中使用，并很快就投入到X100和X120管线钢的开发试制工作。有关X100最早的研究报告发表于1988年，通过大量工作已形成很好的技术体系。高级别管线钢概述我国管道建设正处于大力发展阶段，因此管线钢的发展也非常迅速。20世纪50~70年代管线钢主要采用A3钢和16Mn钢；70年代后期和80年代采用从日本进口的TS52K钢（相当于X52级钢）；90年代，管线钢主要采用的X52、X60、X65级热轧板卷主要由宝钢和武钢生产供应。“八五”期间成功研制和开发了X52~X70级高韧性管线钢，并逐步得到广泛应用。西气东输工程采用了X70级管线钢并逐渐向X80过度。国内管线钢生产技术现状分析由于市场要求单管输气量不断提高。我国早期四川、西北地区的天然气管道采用X52及以下钢级、426mm以下管径的管线钢管，设计年输气量在10亿m3/a以下；陕京一线第一次采用了X60钢级、
D660mm管线钢管设计年输量提高到33亿m3/a；西气东输一线采用X70钢级、D1016mm管线钢管，设计年输量提高到170亿m3/a；最近建设的西气东输二线管道，采用X80钢级、D1219 mm管线钢管，设计年输量提高到300亿m3/a。 这种单管输气量不断提高的趋势仍在持续。当前国际上新一轮巨型天然气长输管道，单管输气量将达到450亿-500亿m3/a的水平。干线一般采用X80钢级，具有输送距离长、采用更高工作压力和大管径输送的特点。 一个具有代表性的项目是正在建设的俄罗斯巴甫年科沃-乌恰天然气管道。管线长度1100km，采用1420mm管径和K65（类似于X80）钢级，输送压力11.8MPa，单管设计输气量约500亿m3/a，计划于2012年第三季度进行系统调试。 另一个有代表性的项目是拟在北美建设的阿拉斯加北坡天然气外输管道，管道的输送能力约465亿m3/a，管线长度2737km，采用1219mm管径和X80钢级，将阿拉斯加北坡丰富的天然气资源输送到加拿大和北美市场。 我国也已在规划研究未来多条西气东输管道（西三线~西八线）的方案。包括将单管输气量提高到400亿~500亿m3/a的多种方案都在研究之中。 由于西气东输二线采用的X80钢级、管径1219mm，12MPa工作压力的方案只能达到300亿m3/a的输气能力，要将输气能力进一步提高到400亿-500亿m3/a，只能进一步提高输送压力和管径。
第一章绪论、第二章钢材习题 一、名词解释 1、承载能力的极限状态：结构或构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形时所对应的极限状态。 2、正常使用极限状态：结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项限值时所对应的极限状态。 3、钢材的韧性：钢材抵抗冲击荷载的能力，用冲击韧性值指标来衡量。 4、时效硬化：轧制钢材放置一段时间后，其机械性能会发生变化，强度提高，塑性降低，这种现象称为时效硬化。 5、冷作硬化：钢材受荷超过弹性范围以后，若重复地卸载、加载，将使钢材弹性极限提高，塑性降低，这种现象称为冷作硬化。 6、钢材的冷脆：在负温度范围，随温度下降，钢材的屈服强度、抗拉强度提高，但塑性变形能力减小，冲击韧性降低，这种现象称为钢材的冷脆。 7、应力集中：构件由于截面的突然改变，致使应力线曲折、密集，故在空洞边缘或缺口尖端处，将局部出现应力高峰，其余部分则应力较低，这种现象称为应力集中。 8、塑性破坏：破坏前有显著的变形，吸收很大的能量，延续时间长，有明显的塑性变形，断裂时断口呈纤维状，色泽发暗。 9、脆性破坏：破坏前无明显变形，破坏突然发生，断裂时断口平齐，呈有光泽的晶粒状。脆性破坏危险性大。 10、蓝脆：钢材总得趋势是随着温度的提高，钢材强度及弹性模量下降；但是在250℃附近，钢材强度有所提高，塑性相应降低，钢材性能转脆，由于在这个温度下钢材表面氧化膜呈蓝色，故称为蓝脆。 二、填空题 1．钢材的三项基本力学性能指标分别为：屈服强度、抗拉强度伸长率和伸长率。2．Q235－BF表示屈服强度为235MPa的B级常温冲击韧性沸腾钢。 3．普通工字钢用符号I 及号数表示，其中号数代表高度的厘米数。 4．根据应力－应变曲线，低碳钢在单向受拉过程中的工作特性，可以分为弹性阶段、弹塑性阶段、屈服阶段、强化阶段、颈缩阶段。 5．钢材在当温度下降到负温的某一区间时，其冲击韧性急剧下降，破坏特征明显地由塑性破坏破坏转变为脆性破坏破坏，这种现象称为冷脆。 6.钢结构有耐腐蚀性差和_ 耐火性__差的弱点。 7．钢结构目前采用的设计方法是_以概率论基础的极限状态_设计方法。 8．当温度达到600℃时，强度几乎降为零，完全失去了承载力，这说明钢材的_耐火_性能差。 9.钢材标号Q235B中的235表示材料的屈服强度为235N／mm2。 10.钢材在连续的循环荷载作用下，当循环次数达到某一定值时，钢材会发生突然断裂破坏
第一章绪论及第二章钢材习题 一、名词解释 1、承载能力的极限状态： 2、钢材的韧性： 3、时效硬化： 4、钢材的冷脆 5、正常使用极限状态 6、应力集中 7、塑性破坏 8、脆性破坏 二、填空题 1．钢材的三项基本力学性能指标分别为：、和 。 2．Q235－BF表示。3．普通工字钢用符号及号数表示，其中号数代表的厘米数。 4．根据应力－应变曲线，低碳钢在单向受拉过程中的工作特性，可以分为、 、、、。5．钢材在当温度下降到负温的某一区间时，其冲击韧性急剧下降，破坏特征明显地由破坏转变为破坏，这种现象称为。 6.钢结构有耐腐蚀性差和_______差的弱点。 7．钢结构目前采用的设计方法是______设计方法。 8．当温度达到600℃时，强度几乎降为零，完全失去了承载力，这说明钢材的_____________性能差。 9.钢材标号Q235B中的235表示材料的为235N／mm2。 10.钢材在连续的循环荷载作用下，当循环次数达到某一定值时，钢材会发生突然断裂破坏的现象，称为钢材的___________。 11.钢结构中采用的各种板件和型材，都是经过多次辊轧而成的，一般薄钢板的屈服点比厚钢板___________。 12．当钢材受荷载作用进入弹塑性阶段及以后时，间歇重复加载将使弹性变形范围扩大，这种现象称为钢材的__________。
13．Q235A级钢材的__________不作为钢厂供货的保证项目，因而这种钢材不宜在焊接承重结构中使用。 14.钢结构设计规范(GB50017—2003)将钢材分为四组，钢板越厚，设计强度越________。 15．钢材承受动力荷载作用时，抵抗脆性破坏的性能用______指标来衡量。 16.钢材的设计强度是根据材料的_______确定的 三、单项选择 1、钢结构更适合于建造大跨结构，这是由于（） A.钢材具有良好的耐热性 B.钢材具有良好的焊接性 C.钢结构自重轻而承载力高 D.钢结构的实际受力性能和力学计算结果最符合 2、钢结构发生脆性破坏是由于（） A.钢材是塑性较差的材料 B.钢材的强度较高 C.结构的构造不合理或工作条件差 D.材料的使用应力超过屈服点 3、在承受动荷的下列连接构造中，不合理 ．．．的是（） 4、钢材的冲击韧性A KV值代表钢材的（） A.韧性性能 B.强度性能 C.塑性性能 D.冷加工性能 5、钢材的伸长率指标是通过下列哪项试验得到的？（） A.冷弯试验 B.冲击功试验 C.疲劳试验 D.单向拉伸试验 6、钢材所含化学成分中，需严格控制含量的有害元素为( ) A.碳、锰 B.钒、锰 C.硫、氮、氧 D.铁、硅 7、随着钢材中含碳的增加会使钢材的_____提高。 A、强度 B、塑性 C、韧性 D、强度和塑性 8.钢材具有良好的焊接性能是指() A.焊接后对焊缝附近的母材性能没有任何影响 B.焊缝经修整后在外观上几乎和母材一致
第二节材料的韧性及断裂力学简介 一、低应力脆断及材料的韧性 人们在对船舶的脆断、无缝输气钢管的脆断裂缝、铁桥的脆断倒塌、飞机因脆断而失事、石油、电站设备因脆断而发生重大事故的分析中，发现了一些它们的共同特点： 1.通常发生脆断时的宏观应力很低，按强度设计是安全的； 2.脆断事故通常发生在比较低的工作温度环境下； 3.脆断从应力集中处开始，裂纹源通常在结构或材料的缺陷处，如缺口、裂纹、夹杂等； 4.厚截面、高应变速率促进脆断。 由此，人们发现了传统设计思想和材料的性能指标在强度设计上的不足，试图提出新的性能指标和安全判据，找到防止脆断的新的设计方法。 传统的强度设计所依据的性能指标主要为弹性模量E、屈服极限σs、抗拉强度σb，而塑性指标延伸率δ和面收缩率φ在设计中只是参考数据，通常还会考虑应力集中现象，即使如此，设计的安全判据仍不足以防止脆断的发生，这说明材料的强度、塑性、弹性这些性能指标还不能完全反映材料抵抗脆断的发生。经过对众多脆断事故的分析和研究，人们提出了一个便于反映材料抗脆断能力的新的性能指标——韧性，从使脆性材料和韧性材料断裂所消耗的能量不同，归纳出韧性的定义为：所谓韧性是材料从变形到断裂过程中吸收能量的太小，它是材料强度和塑性的综合反映。 例如图l-2为球墨铸铁和低碳钢的拉伸曲线，可以用拉伸曲线下的面积来表示材料的韧性，即 图中可见，虽然球墨铸铁的抗拉强度σb比低碳钢高，但其断裂时的塑性应变εp确远较低碳钢小，综合起来看，低碳钢的韧性高。 图1-2 球铁和低碳钢拉伸曲线表示的韧性 材料的韧性可用实验的方法测试和判定。应用较早和较广泛的是缺口冲击试验，这种方法已经规范化。具体方法是将图1-3所示的缺口试样用专用冲击试验机施加冲击载荷，使试 样断裂，用冲击过程中吸收的功除以断口面积，所得即为材料的冲击韧性，以αk表示，单位为J/cm^2。目前国际上多用夏氏V型缺口试样，我国多用U型缺口试样。由于缺口冲击
管线钢综述 欧阳高凤 摘要：本文对管线钢的大概发展历程、成分冶金、显微组织、力学性能、轧制工艺、焊接性及焊接工艺进行了论述，从而能够了解管线钢的发展，为课题研究打下基础。 关键词：管线钢成分显微组织力学性能生产工艺焊接工艺发展 1 管线钢的大概发展历程 半个多世纪以来，随着石油和天然气的开发和需求量的增加，从而带动了管线钢的发展。由于管道运输具有经济、方便、安全等特点，进入二十一世纪以来，管线钢呈现蓬勃发展的趋势。我国管线钢的应用和起步较晚，过去已铺设的油、气管线大部分采用Q235和16Mn钢。我国开始按照API标准研制X60、X65管线钢，并成功地与进口钢管一起用于管线铺设。90年代初宝钢、武钢又相继开发了高强高韧性的X70管线钢，随后成功研制了X80管线钢，X70和X80管线钢已大量应用于油气管道运输中。近几年开发的高强韧的X100和X120管线钢还处在试验阶段，应用方面还比较少。 在我国，石油、天然气的运输基本上已经实现了管道运输。但是与世界上工业发达国家相比，国内的管道运输在质量上和数量上都存在很大差距。中国虽然为世界的主要石油出产国之一，但输油输气的管道不足世界管线总长度的百分之一，而且普遍存在输送压力低、管径小的缺点。随着我国油气资源的进一步开发利用，西气东输的工程实施，油气管线向长距离、大口径发展是必然趋势。下面从管线钢的冶金成分、显微组织、力学性能、生产工艺及焊接工艺等方面，进一步较详细的介绍管线钢的发展。 2 管线钢的冶金成分的发展 管线钢和其他的微合金钢一样，都是在传统的C-Mn钢的基础上加上合金元素。合金元素主要以Nb、Ti、V或少量的Mo、Cu、Ni、Cr及B为主，以这些合金元素来对管线钢进行合金设计，以达到不同的强度等级及性能要求。 管线钢的冶金成分的发展大致经历三个阶段。第一阶段为1950年以前，是以C-Mn和C-Mn-Si钢为主的普通碳钢，强度级别在X52以下。第二阶段为1950-1972年，在C-Mn钢的基础上引入微量的Nb、Ti、V，通过相应的热轧和轧后处理工艺，提高了钢的综合性能，生产出X60及X65级别的钢。第三阶段为1972年至今，这一阶段合金化的发展特点为微合金的多元化，相继又加入少量的Mo、Cu、Ni、Cr及B，结合控轧控冷的新工艺，生产出综合性能优异的管线钢，主要以X70和X80管线钢为主，X100和X120管线钢在试验研究阶段。 下面具体论述以下管线钢中这些合金元素或微合金元素的作用及添加量。2.1 碳 碳是最传统的合金元素、强化元素，而且也是最经济的元素，但它对钢的可焊性影响很大。碳是影响焊接性能最敏感的一个元素，所以20多年来管线钢的碳含量是逐步趋向于低碳或超低碳方向发展。而且随着含碳量的增加，韧性下降，偏析加剧，抗HIC和SSC的能力下降。因此，随着管线钢级别的提高，碳含量应逐渐降低。管线钢的含碳量从开始的1.0%左右逐步降低，最低可达到0.01%。
断裂韧性测试实验报告 随着断裂力学的发展，相继提出了材料的IC K 、()阻力曲线J J R 、)(阻力曲线CTOD R δ等一些新的力学性能指标，弥补了常规试验方法的不足，为工程应用提供了可靠的断裂判据和设计依据。下面介绍下这几种方法的测试原理及试验方法。 1、三种断裂韧性参数的测试方法简介 1. 1 平面应变断裂韧度IC K 的测试 对于线弹性或小范围的I 型裂纹试样，裂纹尖端附近的应力应变状态完全由应力强度因子I K 所决定。I K 是外载荷P ，裂纹长度a 及试样几何形状的函数。在平面应变状态下，当P 和a 的某一组合使I K =IC K ，裂纹开始失稳扩展。I K 的临界值IC K 是一材料常数，称为平面应变断裂韧度。测试IC K 保持裂纹长度a 为定值，而令载荷逐渐增加使裂纹达到临界状态，将此时的C P 、a 代入所用试样的I K 表达式即可求得IC K 。 IC K 的试验步骤一般包括： （1） 试样的选择和准备（包括试样类型选择、试样尺寸确定、试样方位选择、试样加工及疲 劳预制裂纹等）； （2） 断裂试验； （3） 试验结果的处理（包括裂纹长度a 的测量、条件临界荷载Q P 的确定、实验测试值Q K 的 计算及Q K 有效性的判断）。
1. 2 延性断裂韧度R J 的测试 J 积分延性断裂韧度是弹塑性裂纹试样受I 型载荷时，裂纹端点附近区域应力应变场强度力学参量J 积分的某些特征值。测试J 积分的根据是J 积分与形变功之间的关系： a B U J ??-= （1-1） 其中U 为外界对试样所作形变功，包括弹性功和塑性功两部分，a 为裂纹长度，B 为试样厚度。 J 积分测试有单试样法和多试验法之分，其中多试样法又分为柔度标定法和阻力曲线法。但无论是单试样法还是多试样柔度标定法，都须先确定启裂点，而困难正在于此。因此，我国GB2038-80标准中规定采用绘制R J 阻力曲线来确定金属材料的延性断裂韧度。这是一种多试样法，其优点是无须判定启裂点，且能达到较高的试验精度。这种方法能同时得到几个J 积分值，满足工程实际的不同需要。 所谓R J 阻力曲线，是指相应于某一裂纹真实扩展量的J 积分值与该真实裂纹扩展量的关系曲线。标准规定测定一条R J 阻力曲线至少需要5个有效试验点，故一般要58件试样。把按规定加工并预制裂纹的试样加载，记录?-P 曲线，并适当掌握停机点以使各试样产生不同的裂纹扩展量（但最大扩展量不超过0.5mm ）。测试各试样裂纹扩展量a ?，计算相应的J 积分，对试验数据作回归处理得到R J 曲线。R J 阻力曲线的位置高低和斜率大小代表了材料对于启裂和亚临界扩展的抗力强弱。 R J 阻力曲线法测试步骤一般包括： （1） 试样准备
收稿日期:1998-08-29 第一作者:男,1946年生,硕士,教授*甘肃省自然科学基金资助项目 WC -钢基复合材料断裂韧性与断口形貌特征* 杨瑞成 王军民 车 骥 (甘肃工业大学材料工程系,兰州 730050) 摘 要 采用单边切口梁法(SENB)测试了12种工艺状态的WC 增强钢基复合材料的断裂韧性K c ,并用扫描电镜观察了其断口形貌.试验表明SENB 法对于WC-钢基合金的断裂韧性测试适用可行,数据稳定.研究发现数量众多(40%左右)的硬质相对材料的断裂韧性起决定性作用,细化硬质相及加强硬质相-基体交互作用有利于材料断裂韧性的提高.断口的主要特征为WC 解理、基体准解理及部分分散韧窝和韧窝带. 关键词 复合材料 断裂韧性 断口 WC 硬质相 钢基体 分类号 TG407 碳化物-钢基复合材料已成为一种新型工程材料,不仅在机械工程,而且在其它行业如冶金、矿山和能源等行业,展示了其广阔的应用前景.作为一种能承受繁重负荷、高磨损工况的特殊结构材料,其常规力学性能已有较多研究[1～3],但是关于断裂韧性及断口形貌的报道甚少[4～5].究其原因,一般认为此类材料介于钢铁材料与陶瓷材料之间.钢铁材料的断裂韧性测试早已成熟,常用三点弯曲及紧凑拉伸的试验方法;陶瓷材料则鉴于其高脆性及工程需求,其不同于塑性材料(如软钢)的断裂韧性测试方法正在研究之中[6～8].碳化物-钢基复合材料从化学组成及制作方法上,更近于陶瓷材料,但目前尚无公认的、可靠的断裂韧性试验方法.本文结合材料性质,通过分析对比,尝试用单边切口梁法(SENB )[6]测试并考察了不同状态下WC -钢基复合材料的断裂韧性,以及扫描电镜下的断口微观形貌特征. 1 实验方法 1.1 材料和试样 试验材料为WC-CrNiMo 钢基合金,WC 粒子为硬质相,中碳CrN iMo 合金为基体相,WC 粒子约占35%～45%.此类材料是将原料混粉,经特殊工艺烧结成型(烧结态),有的再锻造(锻打态),然后经不同工艺的热处理,加工成40mm ×8mm ×4mm 的扁平试样,横向一侧用<0.11的钼丝线切割,开一定深度的切口. 1.2 材料的工艺及热处理状态 试样淬火温度和回火温度分别为960℃,1000℃,1040℃和200℃,250℃,300℃,原始状态为烧结态和锻打退火态,共12种工艺状态. 第24卷第4期 1998年12月甘 肃 工 业 大 学 学 报Journal of Gansu University of Technology Vol.24No.4Dec.1998
材料系统说明01－SAMSS－022 1997年2月26日管线管断裂韧性试验方法 Saudi Aramco 案头标准 目录 1范围 2 2冲突与分歧 2 3参考文献 2 4管线管等级 2 5测试方法 3 6夏氏冲击功测试方法 3 7重力落锤冲击试验 4 8重新测试 4 9报告 4 10标准 4 1／4
文件范围：01－SAMSS－022 出版日期：年月日 计划再版：年月日 1 范围 本规范规定了适用API 5L管线管的冲击测试方法，当Saudi Aramco工程标准有要求时，名义直径大于或等于6英寸，壁厚为6.3mm到3.8mm（0.25到1.5英寸），对于野外铺设的管线管、流管、干线管，工作条件在0℃以上，应符合本规范要求。 本规范是01－SAMSS－033和01－SAMSS－035的增补要求，并且应附加于相关要求，引用要求和订单之兵团。本说明不适用于平端管线管。 2 冲突与分歧 2.1 当本说明与其它适用的Saudi Aramco材料系统说明（SAMSSs）、工程标准 （SAESs）、标准图样（SASDs），或工业标准、代号和形式菜任何冲突时，应 由公司或习方代理人写书面材料，通过Saudi Aramco咨询服务部的主管 人来解决。 2.2 将与本规范有偏差的全部要求用书面材料交给公司或买方代理代，他将按 公司内部程序SAEP－302处理并将这些要求转交给Dhahram市的Saudi Aramco咨询服务部的主管人。 3 参考文献 本规范所涉及的材料、设备、设计、结构、维护和设备及修理的选择应遵从下列参考文献的最新版本，除非人其它通知或这些文件指定的章节有变动。 3.1 Saudi Aramco参考文献 Saudi Aramco工程程序 SEAP－302 为获得一项Saudi Aramco强制的设计要求的指导 Saudi Aramco材料系统说明 01－SAMSS－033，API 5L 电焊管线管 01－SAMSS－035，API 管线管 3.2 工业代号和标准 美国石油学会 API 5L－SR 5＆6 管线管说明，附加要求5（SR5）和附加要求6（SR6） 4 流体管分类 符合本说明范围的流体管，在这里根据在不同类型流的条件下服役所要求的冲击强度来分类。 2／4
高强钢断裂韧性与裂纹扩展机制研究 凭借优异的综合力学性能,高强钢成为目前应用最广泛的金属结构材料,在当今及未来工业发展中占据重要的地位。高强钢在服役过程中长期经受循环载荷作用,其疲劳与断裂问题成为高强钢的重点研究方向。 随着断裂力学发展,损伤容限设计成为航空、航天等国防重要工业领域的关键构件疲劳断裂控制方法。材料的疲劳裂纹扩展性能与断裂韧性是构件损伤容限设计基础,然而目前对高强钢疲劳裂纹扩展及断裂韧性的研究仍不完善。 因此,本研究选取一种典型AISI 4340高强钢为研究对象,基于能量原理深入探讨断裂韧性的评价方法及裂纹扩展微观机制;以Paris公式为基础,建立了改进的疲劳裂纹扩展速率公式,并提出一种快速预估疲劳性能的判据;通过深入探究疲劳裂纹扩展微观机制,由此形成疲劳裂纹扩展三阶段的宏观力学模型。本文试图通过对高强钢中疲劳裂纹扩展及断裂韧性等相关问题的理解,尝试将所研究理论直观地应用到工程领域,为工程优化选材及关键构件可靠性设计提供具有一定价值的参考依据。 提出了三种评价金属材料平面应变断裂韧性KIC的方法。1)基于裂纹扩展初始阶段到临界失稳状态消耗能量的分配,建立了试样厚度B与断裂韧性KIC的定量关系,借助此公式可以实现小尺寸试样估算断裂韧性KIC,此项工作可应用于高韧性金属材料的断裂韧性评价。 2)以试样整体断裂过程中的能量消耗,推导出断裂能密度WF与剪切唇宽度s 的定量关系。其中WF在最大剪切唇宽度处达到最低,此时处于正断与切断的竞争平衡,揭示了裂纹扩展过程中遵循最低能量密度原理,并以此建立了剪切唇宽度与断裂韧性的定量关系。
3)从冲击韧性与断裂韧性的能量消耗方式及共同遵循的能量原理出发,提出两种韧性剪切唇宽度之间的线性关系,由此获得高强钢中冲击韧性与断裂韧性的定量关系式。探讨了不同强韧性钢中裂纹扩展微观机制的转变过程。 发现随着韧性提高,AISI 4340钢微观断裂特征从解理-韧窝混合型断口向韧窝连续转变,三维XRT图像显示裂纹扩展方式由跳跃性向连续性逐步演化。低韧性钢中,裂纹在应力控制下以解理断裂方式连接其尖端附近的微裂纹,裂纹扩展速率加快;高韧性钢中,裂纹在应变主导下钝化扩展,且与附近聚合长大的微孔连接形成新的裂纹尖端;上述两种裂纹扩展微观机制可同时出现中等韧性钢中,此时应力应变存在竞争平衡,裂纹以交替方式向前扩展。 高强钢的断口微观形貌可分为三种典型特征,其形貌特征的形成过程与能量消耗有关,基于此建立了高强钢断裂韧性与断口微观形貌特征之间的定量关系。建立了具有预测性的疲劳裂纹扩展速率公式及疲劳性能优化判据。 以Paris公式为基础,引入强韧性参量,推导出改进的疲劳裂纹扩展速率公式。阐述影响材料疲劳裂纹扩展性能的两大因素,疲劳裂纹扩展的变化过程取决于断裂韧性,疲劳裂纹失稳扩展的临界速率由抗拉强度控制。 凭借该公式可以由材料的静态力学性能预测疲劳裂纹扩展性能,这在高强钢中得到了验证。此外,提出一种疲劳裂纹扩展性能与材料强韧性的定量判据,基于该判据可以在强韧性倒置关系曲线中选出最优疲劳性能的材料,并能够阐述材料同步强韧化可提高疲劳性能的本质。 该公式与判据在合金钢、钛合金及铝合金中都得到准确的验证,为材料的疲劳性能优化提供理论依据。探索了疲劳裂纹扩展微观机制及宏观力学模型。 在断口微观形貌中发现,疲劳裂纹扩展稳态阶段出现疲劳辉纹与韧窝特征共
钢材韧性及断裂原因 用于各行业的钢材品种达数千种之多。每种钢材都因不同的性能、化学成分或合金种类和含量而具有不同的商品名称。虽然断裂韧性值大大方便了每种钢的选择，然而这些参数很难适用于所有钢材。 主要原因有： 第一，因为在钢的冶炼时需加入一定数量的某种或多种合金元素，成材后再经简单热处理便可获得不同的显微组织，从而改变了钢的原有性能； 第二，因为炼钢和浇注过程中产生的缺陷，特别是集中缺陷（如气孔、夹杂等）在轧制时极其敏感，并且在同一化学成分钢的不同炉次之间，甚至在同一钢坯的不同部位发生不同的改变，从而影响钢材的质量。 由于钢材韧性主要取决于显微结构和缺陷的分散（严防集中缺陷）度，而不是化学成分。所以，经热处理后韧性会发生很大变化。要深入探究钢材性能及其断裂原因，还需掌握物理冶金学和显微组织与钢材韧性的关系。 1.铁素体-珠光体钢断裂 铁素体-珠光体钢占钢总产量的绝大多数。它们通常是含碳量在0.05%～0.20%之间的铁-碳和为提高屈服强度及韧性而加入的其它少量合金元素的合金。 铁素体-珠光体的显微组织由BBC铁（铁素体）、0.01%C、可溶合金和Fe3C组成。在碳含量很低的碳钢中，渗碳体颗粒（碳化物）停留在铁素体晶粒边界和晶粒之中。但当碳含量高于0.02%时，绝大多数的Fe3C形成具有某些铁素体的片状结构，而称为珠光体，同时趋向于作为“晶粒”和球结（晶界析出物）分散在铁素体基体中。含碳量在0.10%～0.20%的低碳钢显微组织中，珠光体含量占10%～25%。 尽管珠光体颗粒很坚硬，但却能非常广泛地分散在铁素体基体上，并且围绕铁素体轻松地变形。通常，铁素体的晶粒尺寸会随着珠光体含量的增加而减小。因为珠光体球结的形成和转化会妨碍铁素体晶粒长大。因此，珠光体会通过升高d-1/2（d为晶粒平均直径）而间接升高拉伸屈服应力δy。 从断裂分析的观点看，在低碳钢中有两种含碳量范围的钢，其性能令人关注。一是含碳量在0.03%以下，碳以珠光体球结的形式存在，对钢的韧性影响较小；二是含碳量较高时，以球光体形式直接影响韧性和夏比曲线。 2.处理工艺的影响
2007断裂力学考试试题 B 卷答案 一、简答题（本大题共5小题，每小题6分，总计30分） 1、（1）数学分析法:复变函数法、积分变换；（2）近似计算法：边界配置法、有限元法；（3）实验标定法：柔度标定法；（4）实验应力分析法：光弹性法. 2、假定：（1）裂纹初始扩展沿着周向正应力θσ为最大的方向；（2）当这个方向上的周向正应力的最大值max ()θσ达到临界时,裂纹开始扩展. 3、应变能密度:r S W = ，其中S 为应变能密度因子，表示裂纹尖端附近应力场密度切的强弱程度。 4、当应力强度因子幅值小于某值时，裂纹不扩展，该值称为门槛值。 5、表观启裂韧度，条件启裂韧度，启裂韧度。 二、推导题（本大题10分） D-B 模型为弹性化模型，带状塑性区为广大弹性区所包围，满足积分守恒的诸条件。 积分路径：塑性区边界。 AB 上：平行于1x ，有s T dx ds dx σ===212,,0 BD 上：平行于1x ，有s T dx ds dx σ-===212,,0 5分 δ σσσσΓ s D A s D B s B A s BD A B i i v v v v dx x u T dx x u T ds x u T Wdx J =+=+-=??-??-=??-=???)()(1 122112212 5分 三、计算题（本大题共3小题，每小题20分，总计60分） 1、利用叠加原理:微段→集中力qdx →dK = Ⅰ ?0 a K =?Ⅰ 10分 A
令cos cos x a a θθ==,cos dx a d θθ= ?111sin () 10 cos 22(cos a a a a a K d a θθθ--==Ⅰ 当整个表面受均布载荷时,1a a →. ?12()a a K -==Ⅰ 10分 2、边界条件是周期的: a. ,y x z σσσ→∞==. b.在所有裂纹内部应力为零.0,,22y a x a a b x a b =-<<-±<<±在区间内 0,0y xy στ== c.所有裂纹前端y σσ> 单个裂纹时 Z = 又Z 应为2b 的周期函数 ?sin z Z πσ= 10分 采用新坐标:z a ξ=- ?sin ()a Z π σξ+= 当0ξ→时,sin ,cos 1222b b b π π π ξξξ== ?sin ()sin cos cos sin 22222a a a b b b b b π π π π π ξξξ+=+ cos sin 222a a b b b π π π ξ= + 222 2[sin ()]( )cos 2 cos sin (sin )2222222a a a a a b b b b b b b π π π π π π π ξξξ+=++
低温钢材的韧性要求 （1）试验方法 低温压力容器及其受压元件所采用的钢材，必须进行低温夏比（V形缺口）冲击试验。 钢材的冲击试验方法，应符合GB 4159《金属低温夏比冲击试验方法》的有关规定。冲击试样按GB 2106《金属夏比V形缺口冲击试验方法》规定的 10mm×10mm×55mm标准试样。若无法制备标准试样时，也可采用 7.5mm×10mm×55mm、5mm×10mm×55mm的小尺寸试样，小尺寸试样的试样宽度一般应不小于钢材名义厚度的80%。试样的缺口应沿厚度方向（棒材沿径向）切取，并以3个试样为1组。 （2）取样规则 根据需要，钢材可按批进行冲击试验取样，其分批要求及试样截取应遵循以下规定。 ①钢板每批钢板由同一牌号、同一炉罐号、同一规格和同一热处理制度组成。每批钢板质量按厚度分类：6-16mm钢板应不大于15t；大于16mm钢板应不大于25t。每批取1组试样，试样方向为横向。 ②钢管每批钢管由同一牌号、同一炉罐号、同一规格和同一热处理制度组成。每批钢管按直径分类： 外直径大于351mm的钢管每批不超过50根；外直径小于或等于351mm 的钢管每一批不超过200根。在每批中的任意两根钢管上各取1组试样。 用于制造容器圆筒，且厚度大于16mm的钢管，按批抽10%，且不少于两根，每根取1组试样。 取样位置应靠近钢管内壁，一般为纵向，对大直径厚壁管可沿切向取样。缺口应沿厚度方向切取。
③锻件按照JB 4727《低温压力容器用碳素钢和低合金锻件》规定的取样数 量和取样部位切取试样。 ④钢棒每批钢棒由同一牌号、同一炉罐号、同一尺寸、同炉热处理组成。在经最终热处理的每批钢棒中任选两根，各取1组试样。试样方向为纵向，试样的纵轴应尽量位于钢棒半径的处。 （3）试验温度 低温压力容器用钢的冲击试验温度必须小于或等于容器或其受压元件的设计温度。当容器或其受压元件使用在低温应力工况时，钢材的冲击试验温度必须小于或等于调整后的设计温度。 （4）冲击功指标 钢材试验温度下的冲击功指标，按钢材标准规定的最低抗拉强度确定，具体要求必须满足表13-4的规定。小试样的冲击功指标根据试样宽度按比率缩减。 表13-4低温夏比（V形缺口）冲击试验最低冲击功规定值 钢材标准的最低抗拉强度 σb/Mpa ≤4503个试样的冲击功平均值钢材标准的最低抗拉 (10mm×10mm×55mm) 18强度σb/Mpa ＞515-6503个试样的冲击功平均值(10mm×10mm×55mm)27＞450-51520奥氏体钢焊接接头区31注： 1、试验温度下3个试样的冲击功平均值不得低于表中规定；其中单个试样的冲击功可小于平均值，但不得小于平均值的70%。
金属材料的断裂 金属在外加载荷的作用下，当应力达到材料的断裂强度时，发生断裂。断裂是裂纹发生和发展的过程。 1. 断裂的类型 根据断裂前金属材料产生塑性变形量的大小，可分为韧性断裂和脆性断裂。韧性断裂：断裂前产生较大的塑性变形，断口呈暗灰色的纤维状。脆性断裂：断裂前没有明显的塑性变形，断口平齐，呈光亮的结晶状。韧性断裂与脆性断裂过程的显著区别是裂纹扩散的情况不同。 韧性断裂和脆性断裂只是相对的概念，在实际载荷下，不同的材料都有可能发生脆性断裂；同一种材料又由于温度、应力、环境等条件的不同，会出现不同的断裂。 2. 断裂的方式 根据断裂面的取向可分为正断和切断。正断：断口的宏观断裂面与最大正应力方向垂直，一般为脆断，也可能韧断。切断：断口的宏观断裂面与最大正应力方向呈45°，为韧断。 3. 断裂的形式 裂纹扩散的途径可分为穿晶断裂和晶间断裂。穿晶断裂：裂纹穿过晶粒内部，韧断也可为脆断。晶间断裂：裂纹穿越晶粒本身，脆断。 4. 断口分析 断口分析是金属材料断裂失效分析的重要方法。记录了断裂产生原因，扩散的途径，扩散过程及影响裂纹扩散的各内外因素。所以通过断口分析可以找出断裂的原因及其影响因素，为改进构件设计、提高材料性能、改善制作工艺提供依据。断口分析可分为宏观断口分析和微观断口分析。 （1）宏观断口分析 断口三要素：纤维区，放射区，剪切唇。纤维区：呈暗灰色，无金属光泽，表面粗糙，呈纤维状，位于断口中心，是裂纹源。放射区：宏观特征是表面呈结晶状，有金属光泽，并具有放射状纹路，纹路的放射方向与裂纹扩散方向平行，而且这些纹路逆指向裂源。剪切唇：宏观特征是表面光滑，断面与外力呈45°，位于试样断口的边缘部位。 （2）微观断口分析（需要深入研究） 5. 脆性破坏事故分析 脆性断裂有以下特征： （1）脆断都是属于低应力破坏，其破坏应力往往远低于材料的屈服极限。（2）一般都发生在较低的温度，通常发生脆断时的材料的温度均在室温以下20℃。（3）脆断发生前，无预兆，开裂速度快，为音速的1/3。（4）发生脆断的裂纹源是构件中的应力集中处。
第六章 断裂韧性基础 第一节Griffith 断裂理论 第二节裂纹扩展的能量判据 能量释放率G 裂纹扩展单位面积时，系统所提供的弹性能量 U A ??是裂纹扩展的动力，此力叫裂纹扩展力或称为裂纹扩展时的能量释放率。以1G 表示（1表示Ⅰ型裂纹扩展）。G 与外加应力，试样尺寸和裂纹有关，而裂纹扩展的阻力为 2()s p γγ+，随 1,a G σ↑→↑→增大到某一临界值时，1G 能克服裂纹失稳扩展阻力，则裂纹使失稳扩 展而断裂，这个1G 的临界值它为1c G ，称为断裂韧性。表示材料组织裂纹试稳扩展时单位面积所消耗的能量。 平面应力下： 2 211,C c C a a G G E E σπσπ= = 平面应变下： 2 22211(1)(1),C c C a v v a G G E E σπσπ--== G 的单位1 2 MPa m - ?。 第三节 裂纹顶端的应力场 可看成线弹性体12005001000s s MPa MPa σσ?? =??=-??? 玻璃，陶瓷高强钢 的横截面中强钢低温下的中低强度钢 6.3.1三种断裂类型 ?? ??? 张开型断裂滑开型断裂撕开型断裂 最危险Ⅰ型 6.3.2Ⅰ型裂纹顶端的应力场 无限大平板中心含有一个长为2a 的穿透裂纹，受力如图 欧文（G 。R 。Irwin ）等人对Ⅰ型裂纹尖端附近的应力应变进行了分析，提出应力应变场的
数字解析式，由此引出了应变场强度因子 1 K的概念。并建立了裂纹失稳扩展的K判据和断 裂韧性 1C K。 若用极坐标表达式表达，则有近似数字表达式： 当裂尖某点不确定，即,rθ一定后，应力大小均由1K决定———盈利强度因子1K 故 1 K大小反映了裂纹尖端应力场的强弱，取决于应力大小，裂纹尺寸。 6.3.3 应力场强度因子及判据 将上面应力场方程写成： () ij ij f σθ = 其中 1 K Y = Y：形状系数。对无限大板Y=1。 1 K： 1 2 MPa m- ? 1 1 1 , , a K K a a K σ σ σ ?↑→↑ ? ? ? ↑→↑ ?? 不变 是一个决定于和的复合物理量 不变 当此参量达到临界时，在裂纹尖端足够大的范围内，应力便会达到断裂强度，裂纹便沿着X 轴失稳扩展，从而使材料断裂。这个临界或失稳状态的 1 K值记为 1C K→断裂韧性。 1C K为平面应变的断裂韧性，表示在平面应变下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力，显然 1C K Y = 可见，材料的 1C K越高，则裂纹体的断裂应力或临界断裂尺寸就越大，表明难以断裂。因此1C K是材料抵抗断裂的能力 11 1 S C s C K K K σ σσ σ → ? ? ↑→ ? ? ↑→ ? ?→ ? 和力学参量，且和载荷，试样尺寸有关，和材料无关 当临界时，材料屈服 当K临界时，材料断裂 和材料的力学性能指标，且和材料成分，组织结构有关而和载荷及试样尺寸无关 断裂判据： c a 或 1C Y K ≥
管线钢落锤撕裂试验及标准 一、落锤撕裂试验（DWTT） 落锤撕裂试验（Drop-Weight Tear Tests——DWTT）是一种用于评价脆性断裂止裂性能的试验方法，是评价线钢钢板内在质量的重要手段之一，通过对全截面钢板试样的一次性快速冲断，从断口上观察冶金缺陷、断口性质、形貌等特征，综合评价冶金质量和抗破裂能力。近年研制成功的高新钢种。国标中对线钢的强度、可焊性、断裂韧性和抗腐蚀等性能和钢管质量都有极为严格的要求。落锤撕裂试验DWTT结果主要是建立断口形貌与温度的关系。由于DWTT结果与线实物气爆有很好的相关性,所以被广泛应用对管线的断裂进行控制和预测,并作为衡量管线钢管抵抗脆性开裂能力的韧性指标之一。按照试验标准规定,试样必须在离开保温设备10 s内一次冲击砸断,结果方为有效。但在日常检验中,由于在试样质量、设备调整、操作方法等方面控制失当,经常会出现试验过程失效的现象。 SYT 6476 2007 输送钢管落锤撕裂试验方法.pdf DWTT试验方法 试样及温度要求采用单边压制缺口原板厚矩形试样,长度为300±5 mm,后调整为305±5 mm,宽度为75±1.5 mm。采用刃口角度为45±2°的特制工具钢压头在试样上压制出深度为5±0.5 mm的缺口。在-75~100℃的范围内,应将试样完全浸于装有适宜液体(酒精)的保温装置内,液体温度与要求试验温度的偏差不得大于±1℃。试样在要求的试验温度下至少保温15 m in,为保证温度均匀,应使保温装置内的液体流动;从保温装置中取出试样装入试验机并迅速打断。 二、管线钢标准中DWTT规范 DNV标准 Drop Weight Tear Testing (DWTT) shall only be performed on welded linepipe with outer diameter > 500 mm, wallthickness > 8 mm and SMYS > 360 MPa. A DWTT transition curve shall be established for the linepipe base material. Minimum five sets of specimens shall be tested at different temperatures,including T min. Each set shall consist of two specimens taken from the same test coupon. The test shall be performed in accordance with Appendix B. The specimens tested at the minimum design temperature shall as a minimum, meet an average of 85% shear area with one minimum value of 75%. 205 If supplementary requirements for sour service as in I100 are specified for linepipe material with SMYS ≥450 MPa the acceptance criteria stated in I204 (average and minimum shear area) may be subject to agreement. A 800 Drop weight tear test 801 Drop weight tear test shall be carried out in accordance with API RP 5L3. 802 Full thickness specimens shall be used where possible.Reduced thickness specimens may be used subject to Purchaser agreement. If reduced thickness specimens are used,both surfaces shall be equally machined to the thickness of 19.0 mm. The testing temperature reduction given in API RP 5L3 shall apply.