铁素体/贝氏体双相X80管线钢疲劳性能研究

乔桂英，唐 雷，张文雷，赵作鹏，廖 波

（1.燕山大学环境与化学工程学院，河北秦皇岛066004；2.燕山大学河北省应用化学重点实验室，河北秦皇岛066004；3.燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室，河北秦皇岛066004；4.燕山大学材料科学与工程学院，河北秦皇岛066004）

铁素体/贝氏体双相X80管线钢疲劳性能研究

乔桂英1，2，*，唐 雷1，2，张文雷1，2，赵作鹏3，4，廖 波3，4

（1.燕山大学环境与化学工程学院，河北秦皇岛066004；2.燕山大学河北省应用化学重点实验室，河北秦皇岛066004；3.燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室，河北秦皇岛066004；4.燕山大学材料科学与工程学院，河北秦皇岛066004）

采用MTS Landmark 370型万能机研究了全壁厚铁素体/贝氏体双相X80管线钢的疲劳性能，并通过SEM方法对钢的组织及断口进行了分析。结果表明，铁素体/贝氏体双相钢中的铁素体有大角度晶界，而贝氏体由小角度晶界的贝氏体铁素体及细小的马氏体/奥氏体（M/A）岛构成。疲劳裂纹主要在钢板表面凹坑处萌生；疲劳强度S与寿命N的关系为S=2 973×N-0.14；在裂纹扩展过程中，铁素体晶界、贝氏体及贝氏体组织中的M/A岛对疲劳裂纹扩展有抑制作用。

X80管线钢；铁素体/贝氏体；疲劳；断口

0　引言

管道输送是油气资源远距离输送安全、经济的方式，其发展需求已经成为反映世界各国经济发展状况的晴雨表［1-2］。管线钢管在服役过程中往往会受到多种交变应力的共同作用产生疲劳断裂破坏，使钢管疲劳性能成为管线设计的参数之一［3］。这些交变应力主要来自两方面：一方面来自管内气体介质的分层结构和输送压力的波动；另一方面是管线外部的变动载荷，比如沙漠管线流沙的迁移、埋地管线上车辆引起的振动、穿越管段的卡曼振动、沼泽地管线浮力的波动、海洋管道承受海浪冲击载荷等［4］。由于疲劳断裂在断裂之前基本上没有明显的征兆，所以其危害性是相当大的。X80大应变管线钢是近来为适应地震带及海洋新开发而发展起来的新管线钢。目前其研究主要在组织结构对塑性的影响，以及塑性在成型过程中的变化［5］，而关于疲劳性能的研究报道极少。因此研究X80大应变管线钢有着十分重要的工程意义。本文研究了X80大变形管线钢疲劳性能，该结果不仅为大应变管的安全设计提供依据，也可以作为管道寿命评估提供试验参数。

1　试验材料及方法

本试验所使用的材料在壁厚26.4 mm商用X80铁素体/贝氏体大应变管线钢上截取，其化学成分如表1所示；钢板表面的金相组织如图1所示，钢板全截面组织中铁素体、贝氏体的比例约为50%～60%；钢板的横向拉伸性能为：屈服强度636 MPa、抗拉强度723 MPa、延伸率为16.2%。

图1　X80钢的组织形貌Fig.1 SEM micrographs of X80 pipeline steel

表1　试验材料化学成分（质量分数）Tab.1 Chemical composition of the tested steel %

本试验是在MTS Landmark 370型液压伺服动静疲劳试验机上完成。其试样尺寸如图2所示。为模拟实际管线，试样的厚度采用全板厚，且不去除钢板的轧制表面。疲劳试验采用单侧纵向拉拉的正弦曲线方式加载，循环应力比（最小应力/最大应力）为R=0.1；试验加载频率是5 Hz；最大应力范围为350～620 MPa；试验温度为23～26℃，干燥空气，无潮湿腐蚀性气氛。疲劳断口分析在KYKY-2800扫描电子显微镜上完成。

图2　疲劳试样的尺寸Fig.2 The size of fatigue specimen

2　试验结果与分析

图3给出了疲劳寿命的试验结果。由图3可见，在无缺口试样条件下，该钢具有良好的疲劳性能。在最大应力（σmax=600 MPa）接近屈服强度的条件下，其疲劳寿命N仍能达到大约8.5×104周次。随最大应力的降低，疲劳循环周次增加，但增加幅度并不大；最大应力由600 MPa降低到400 MPa时，疲劳循环周次由8.5×104周次增加到5.7×105周次；但当最大应力继续降低到375 MPa时，其疲劳循环周次则显著增加到2×106周次。疲劳寿命按1×106设计时，其疲劳强度约370～400 MPa之间。

根据上述试验数据，回归处理确定疲劳寿命S-N曲线为S=2 973×N-0.14。计算当循环次数为1×106周次的最大应力为402 MPa左右，该值大于试验值。因此应采用分段处理的方式，确定其疲劳强度应为380 MPa左右。

图4给出了最大应力为600 MPa时的疲劳断口形貌。疲劳裂纹萌生均出现在钢板的表面边角处这是因为钢板表面没有加工，表面保持轧制表面特征，表面粗糙度对疲劳裂纹形成有一定的影响。但从实际疲劳寿命看（图3），不同应力条件下，各应力水平试样的结果分散度并不大，说明轧制表面对疲劳寿命的影响不大。对疲劳裂纹萌生位置观察发现，疲劳裂纹在表面的凹坑等粗糙度较大的区域形成，并向内快速扩展，当裂纹深度到达400～600 μm时，疲劳裂纹进入稳定扩展区（图4（a））。

图3　X80管线钢的S-N曲线Fig.3 The S-N curve of the X80 pipeline steel

在远离裂纹源的裂纹稳定扩展区，疲劳裂纹呈韧性断裂特征，在一些小的晶粒上可见有疲劳辉纹存在，但相近区域，部分晶粒则没有辉纹；另外在断口表面存在大量二次裂纹，二次裂纹沿疲劳裂纹扩展垂直方向横向分布（图4（b））。另外，在较大的二次裂纹之间，也还存在一些细小的二次裂纹（图4（c））。大量二次裂纹分散主裂纹尖端应力集中，降低疲劳裂纹扩散速率，抑制疲劳裂纹扩展。这与钢的铁素体/贝氏体双相组织在疲劳裂纹扩展中对裂纹扩展的抑制作用不同有关。

为更清晰分析铁素体/贝氏体双相组织对疲劳性能的影响，图5（a）～（b）分别给出了钢板组织EBSD分析及断口截面二次裂纹分析结果。由图5（a）可见，由于控制轧制和控制冷却的作用，铁素体/贝氏体沿轧制方向呈拉长带状分布。铁素体主要以大角度晶界为主，铁素体晶粒尺寸4～16 μm，平均晶粒尺寸10 μm以下。这种细小的铁素体组织保证钢具有良好的韧性。而贝氏体组织则主要由小角度晶界的晶粒构成；但在贝氏体内也存在更加细小的大角度晶界构成的晶粒，结合组织分析，该细小晶粒主要为M/A岛状组织构成。

图4　裂纹萌生区及扩展区断口微观形貌Fig.4 SEM fracture micrographs of fatigue crack initiation and propagation zones

图5　X80钢EBSD组织形貌及裂纹扩展形貌Fig.5 EBSD microstructure and crack propagation of the X80 pipeline steel

由图5（b）可见，较大二次裂纹的形成主要沿铁素体、贝氏体晶粒的边界形成并扩展，自裂纹扩展中，贝氏体及铁素体的晶界对裂纹的扩展也具有一定的抑制作用。这与文献［6］双相钢及复相钢组织对裂纹扩展影响的结果相一致。

在双相钢组织中，由于铁素体相强度低、塑性好，而贝氏体强度高、塑性低，在疲劳载荷的作用下，变形优先在铁素体进行，由于贝氏体相的存在，铁素体的均匀塑性变形受到限制［7］。随着循环变形次数的增加，铁素体发生相硬化，当铁素体达到饱和的硬化阶段后，便以滑移带的形式发展非均匀塑性变形，并在马氏体-铁素体界面上产生塑性变形累积，随着循环次数增加，最终导致疲劳裂纹在两相界面上萌生［6-7］。但本试验采用全壁厚钢板且钢板轧制表面未加工，轧制表面具有一定的粗糙度。表面凹坑的应力集中促使疲劳裂纹萌生（图4（a）），因此在不同的应力水平条件下，疲劳裂纹均出现在钢板轧制表面侧。

在疲劳裂纹扩展过程中，铁素体塑性高，易于引起裂纹的钝化，在其表面易出现疲劳辉纹，且裂纹沿应力最大方向扩展，而且铁素体晶粒间高的取向差（图5（a）），对裂纹扩展有一定的抑制作用［8］。另外，铁素体强度低，其裂纹尖端塑性区较大，可能超过几个铁素体晶粒。裂纹尖端塑性区与裂纹尖端应力强度因子呈正比，而与屈服强度呈反比［9］。因此，在高的应力或长的裂纹条件下，裂纹扩展过程中，由于贝氏体的约束作用，在铁素体、贝氏体界面处变形集中，先于主裂纹形成微裂纹，或者在贝氏体内的贝氏体铁素体与M/A岛间形成微裂纹。当主裂纹在铁素体区扩展到一定距离时，主裂纹与微裂纹连接，在带状铁素体、贝氏体间出现较大的二次裂纹（图4（b）、图5（b）），二次裂纹形成降低了主裂纹的能量，从而降低裂纹的扩展速率。

3　结论

全壁厚铁素体/贝氏体双相X80管线钢在疲劳过程中，在表面凹坑出现应力集中，强度较低的铁素体优先变形，而强度较高的贝氏体抑制变形，位错在铁素体、贝氏体界面塞集，萌生裂纹，细小裂纹相互连接，导致疲劳裂纹形成。在疲劳裂纹扩展过程中，铁素体间的大角度晶界，强度高的贝氏体以及贝氏体中细小M/A岛对裂纹扩展具有一定的抑制作用。而且铁素体、贝氏体界面的二次裂纹及贝氏体中贝氏体铁素体与M/A岛界面间的二次裂纹对疲劳裂纹也有一定的抑制作用。在应力比为0.1的条件下，全壁厚铁素体/贝氏体双相X80管线钢的S-N方程为S=2 973×N-0.14。

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Study on fatigue property of ferrite/bainite duple phases X80 pipeline steel

QIAO Gui-ying1，2，TANG Lei1，2，ZHANG Wen-lei1，2，ZHAO Zuo-peng3，4，LIAO Bo3，4
（1.School of Environmental and Chemical Engineering，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei 066004，China；2.Hebei Key Laboratory of Applied Chemistry，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei 066004，China；3.State Key Laboratory of Metastable Materials Science and Technology，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei 066004，China；4.School of Materials Science and Engineering，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei 066004，China）

The fatigue property of a ferrite/bainite duple phases X80 pipeline steel was examined on a MTS Landmark 370 universal testing machines，and the microstructure and fractures were observed by means of SEM.The results show that the ferrite grains in ferrite/bainite microstructure consist of large angle grain boundaries，while the bainite consists of bainite ferrites with low angle grain boundaries and martensite/austenite（M/A）islands.The fatigue crack is mainly generated at the surface scallops of the rolled steel plate.The relation of the fatigue strength（S）to the fatigue life（N）is S=2 973×N-0.14.The ferrite grain boundaries，bainite and M/A islands could inhibit crack propagation.

X80 pipeline steel；ferrite/bainite；fatigue；fracture

TG445

A DOI：10.3969/j.issn.1007-791X.2015.06.005

1007-791X（2015）06-0502-04

2015-09-27 基金项目：国家自然科学基金资助项目（51171162）；河北省自然科学基金资助项目（E2015203234）

*乔桂英（1966-），女，吉林磐石人，博士，教授，主要研究方向为压力容器用钢及其焊接，Email：qiaoguiying@ysu.edu.cn。