高性能管线钢的分层裂纹及其对断裂作用的机理

以学科发展和我国特大型油气输送管道建设中急需解决的关键技术问题为背景，针对高性能管线钢的分层断裂行为，通过实验研究、数值模拟和理论分析，研究了分层裂纹的产生及其对断裂的作用机理，本研究的主要工作如下： 对裂纹和不同形式缺口端部弹塑性三维应力、应变场进行了有限元分析，分析缺陷尺寸、缺陷距离以及试样厚度之间的耦合关系。进行了X70和X80管线钢以及X80热挤压成型大口径三通不同部位和取向材料拉伸性能和冲击韧性实验，研究管线钢的力学性能及其力学性能的分布规律。分别对T-S取向和T-L取向的含V型缺口三点弯曲试样分层裂纹出现前后的缺口根部三维应力场进行有限元分析计算，研究分层裂纹对管线钢断裂性能的影响。基于影响分层裂纹的两大因素——材料特性与裂尖三维应力场两方面，采用理论分析和数值模拟相结合的方法研究含裂纹管线钢试样分层裂纹产生的机理及规律。在分析材料弱界面特性的基础上，针对含裂纹管线钢模型中属于脆性断裂的分层裂纹和属于韧性断裂的主裂纹，分别选取不同的断裂准则作为判定主裂纹和分层裂纹断裂的标准。采用有限元方法分析分层裂纹产生与材料的力学性能、试样厚度、主裂纹形式的耦合关系，得出管线钢中分层裂纹产生的规律。根据不同规格X80大口径热挤压成型三通爆破压力下的应力应变状态、爆破现象及断口形貌，对X80大口径热挤压成型三通全尺寸爆破断口分层裂纹的产生机理及条件进行分析。 本研究系统地研究了材料断裂行为和材料性能耦合作用，建立基于应力场和材料性能耦合作用断裂特征量的表征方法。描述及模拟管线钢含分层裂纹断裂的破坏过程，揭示材料力学性能分布与分层断裂宏观力学行为间的关系及其在断裂过程中的演化，为我国大型油气输送管线的设计与安全评定提供理论依据。探索了合理利用断裂过程中产生的分层裂纹提高管材实际韧性的新途径，为高性能管线钢材料的研制提供新思路。 2100433B

以学科发展和我国特大型油气输送管道建设中急需解决的关键技术问题为背景，针对高性能管线钢的分层断裂行为，对其所涉及的力学、材料学跨学科的前沿问题开展规范化、系统化的深入研究。通过实验研究、数值模拟和理论分析，研究分层裂纹的产生及其对断裂的作用机理。突破现有断裂理论的局限性，系统地发展断裂行为和材料性能耦合作用的理论及方法，建立基于应力场和材料性能耦合作用断裂特征量的表征方法。描述及模拟管线钢含分层裂纹断裂的破坏过程，揭示材料微观结构或组织与分层断裂宏观力学行为间的关联及其在断裂过程中的演化。提出基于应力场和材料性能耦合作用的断裂准则，为我国大型油气输送管线的设计与安全评定提供理论依据。探索合理利用断裂过程中产生的分层裂纹提高管材实际韧性的新途径，为高性能管线钢材料的研制提供新思路。本研究不仅对学科发展具有重要意义，也对保证我国大型油气输送管道的安全具有重大的现实意义。

裂纹的形成是连铸过程中力学因素和冶金特性综合作用的结果，从裂纹的形成到出现，必须有作用应力，且材料本身不能承受此应力。因此，要理解连铸中各类裂纹的形成过程，就需要了解应力源和材料的高温特性，特别是延展性。而且需要指出的是，裂纹形成不见得均匀进行，可能有明显的裂纹开始和扩张阶段。下面就几种典型的表面裂纹和内部裂纹的形成机理进行分析。

连铸坯裂纹表面横向裂纹的形成机理

有证据表明，表面横向裂纹的早期形成阶段，出现在结晶器内的高温区，并且与振痕附近的偏析有关。这些区域熔点低，且由于向结晶器的热传输降低，而使温度较高，从而导致热扯裂。当碳含量达到出现包晶的程度时，表面横向裂纹增加，尽管表面横向裂纹的早期形成阶段，可能位于结晶器内，但这些缺陷变大、变多则是在结晶器之后的低温区，当其受到来自各种渠道的应力作用，特别是象铸坯矫直时那样的应力作用时，当这些应力出现在延展性差的温度范围内，表面横向裂纹很严重。由于热延展性受微合金影响强烈，所以有报道认为，这就是微合金元素影响表面横向裂纹的机理，除微合金元素析出物在表面横向裂纹的形核方面起一定作用外，振痕也有利于裂纹的扩张。这是由于振痕下的晶粒尺寸较粗大，且凹口形的几何形状也会使应力集中。

连铸坯裂纹表面纵向裂纹的形成机理

连铸坯表面纵向裂纹的产生往往与表面纵向凹陷相伴随。据认为，连铸坯表面纵向凹陷、裂纹是在结晶器弯月面附近产生，在二冷区得到扩展，因此，其根源在于钢水在结晶器内的凝固行为及其影响因素。各种原因导致的不均匀传热和不均匀凝固会造成铸坯凹陷，凹陷部位冷却和凝固速度比其他部位慢，结晶组织粗化，对裂纹敏感性强。坯壳出结晶器后受到喷水冷却和钢水静压力引起的膨胀作用，在凹陷的薄弱处造成应力集中而产生裂纹。坯壳表面凹陷越深，坯壳厚度不均匀性就越严重，纵裂出现的几率越大。

成分、结晶器状况、过热度、拉速、保护渣甚至是操作等导致的不均匀传热，都增加了铸坯产生表面纵向凹陷和裂纹的几率。

连铸坯裂纹内部裂纹的形成机理

最初在结晶器中形成的2-5mm厚的凝固壳为细小的等轴晶，之后凝固组织变为柱状晶。柱状晶的方向基本上与坯壳表面垂直，且平行于热流方向。随着凝固的进行，S,P等元素发生偏析，在固液界面前沿及枝晶之间富集。含S,P较高的晶界在大体积材料的固相线温度Tsol下仍处于液态，对于与柱状晶方向垂直的拉应力或拉应变而言，处于液相的晶界几乎没有塑性。开始出现零塑性的温度ZDT比固相线温度低30 ~ 70℃,当结晶器摩擦力引起的应力、坯壳鼓肚应力、热应力、矫直应力、以及由于导辊变形、不对中引起的附加机械应力作用于凝固前沿时，凝固界面率先沿柱状晶晶界开裂形成裂纹，并向固相扩展，同时凝固前沿富含溶质元素的钢水有可能被“抽吸”进入裂纹。这就是内裂纹有时伴随着偏折线一起出现的原因。

初始形成的裂纹沿柱状晶晶界向固相扩展，由于温度逐渐降低，塑性和强度逐渐上升，或遇到表层等轴晶区，裂纹扩展被抑制。在随后的凝固过程中，如果凝固前沿继续受到应力或应变的作用，则已形成的内裂纹将随着凝固界面的推进而连续“生长” 。

金属材料在蠕变过程中可发生不同形式的断裂，按照断裂时塑性变形量大小的顺序，可将蠕变断裂分为如下三个类型：沿晶蠕变断裂、穿晶蠕变断裂、延缩性断裂。

蠕变断裂沿晶蠕变断裂

沿晶蠕变断裂是常用高温金属材料(如耐热钢、高温合金等)蠕变断裂的一种主要形式。主要是因为在高温、低应力较长时间作用下，随着蠕变不断进行，晶界滑动和晶界扩散比较充分，促进了空洞、裂纹沿晶界形成和发展。在垂直于拉应力的晶界上，当应力水平超过临界值时，通过空位聚集的方式形成空洞。空洞核心一旦形成，在拉应力作用下，空位由晶内或沿晶界继续向空洞处扩散，使空洞长大并相互连接形成裂纹。

蠕变断裂穿晶蠕变断裂

穿晶蠕变断裂主要发生在高应力条件下。其断裂机制与室温条件下的韧性断裂类似，是空洞在晶粒中夹杂物处形成，并随蠕变进行而长大、汇合的过程。

蠕变断裂延缩性蠕变断裂

延缩性断裂主要发生在高温 (T>0.6Tm)条件下。这种断裂过程总伴随着动态再结晶，在晶粒内不断产生细小的新晶粒。由于晶界面积不断增大，空位将均匀分布，从而阻碍空洞的形成和长大。因此，动态再结晶抑制沿晶断裂。晶粒大小与应变量成反比。在缩颈处晶粒要细得多，缩颈可伴随动态再结晶一直进行到截面积减小为零时为止。2100433B

深部隧道围岩呈现的许多超常响应现象，提出了大量迫切需要研究的新课题。本项目以揭示其中围岩分层断裂现象产生机理并构建相应支护方法为目的。在大型地下结构试验平台上建造基于岩体结构的深部地层模型并在其内部安装模拟隧道开挖的局部卸载装置。采用声发射检测定位与光纤光栅传感技术联合监测开挖导致的围岩分层断裂发生、扩展及停止的全过程。通过建立深部岩体力学的损伤突变破断分析方法，结合试验结果，导出表征分层断裂围岩分布形态、力学状态特征的解析公式，揭示围岩分层断裂现象的形成机理。研制基于分层断裂机理的数值功能模块，将该模块植入FLAC软件核心机构，改造并扩充其功能，构建深部隧道开挖数值模拟工具。基于断裂圈分布形态机制，利用数值模拟工具，提出主、次承载拱联合支护原理、设计方法及其构建技术。本项目将解决围岩分层断裂的有关问题，有效遏止深部隧道工程的相关灾害，为深部地下工程围岩各种超常破裂现象机理研究提拱借鉴。