锤刃尺寸对管线钢冲击试验结果影响的探讨与分析

蔺卫平，仝 珂，刘养勤

(中国石油集团石油管工程技术研究院 陕西 西安 710077)

0 引 言

近几年，油气管道特别是天然气管道发展的趋势是大口径、高压力、高钢级。管线钢在提高管道输送能力的同时，必须有足够高的韧性，以保证管道运行的安全性。通常以夏比冲击试验、DWTT和断裂韧性试验评价管线钢的韧性。夏比冲击试验由于其试样加工简便、操作简单、试验数据对材料组织结构敏感的特点，在管线钢领域得到了广泛应用，已成为评价管材性能的重要手段[1]。

在国标的冲击试验方法中，试验机摆锤锤刃半径有2种(2 mm和8 mm)。在ASTM A370和ASTM E23中，摆锤锤刃半径只有8 mm。这就造成试验标准不统一，试验结果不能直接进行比较。有许多文献对不同冲击锤刃的实验结果进行了分析，研究的材料包括压力容器用钢、汽轮机中高压转子用钢、核电筒体用钢、加氢反应器用钢，油套管用钢以及管线钢等，冲击能量从十几焦耳到四百多焦耳[2-9]。基本都认为在较高的冲击能量范围内，采用8 mm 摆锤锤刃比采用2 mm锤刃得到的吸收能量高；能量较低时，两者之间的差值变小。笔者以前的一篇文章[10]也持这种观点。但是最近在一次实验中笔者发现了不同的结果，在此和大家探讨一下。

1 试验材料及方法

本试验采用X60和X80管线钢两种材料。X60是Φ914 mm×22 mm的直缝埋弧焊管，X80是1 550 mm×21.4 mm的热轧板卷。2种材料的化学成分和拉伸性能见表1、表2，显微组织如图1所示。

表1 化学成分质量分数 %

表2 拉伸试验结果

图1 两种管线钢的显微组织

2种材料横向取夏比V型缺口冲击试样，规格为10 mm×10 mm×55 mm。冲击试验机为ZBC2752-B型，配有锤刃半径是2 mm和8 mm冲击锤头。在0、-20、-40、-60、-80和-100 ℃进行冲击试验。显微组织用MEF4M金相显微镜进行观察。

2 结果及分析讨论

2.1 管线钢冲击试验结果

对X60和X80管线钢冲击试样采用2 mm和8 mm冲击锤刃进行系列温度夏比冲击试验。每组3个试样，算出其3个冲击能量的平均值，绘出曲线，试验结果如图2、图3所示。

图2 不同尺寸锤刃对冲击能量的影响(X60)

图3 不同尺寸锤刃对冲击能量的影响(X80)

2.2 分析与讨论

由图2、图3可以看出，X60管线钢的韧性很好，冲击吸收能量最高达到了450 J左右。冲击吸收能量在300 J以上时，采用 8 mm 摆锤锤刃比采用 2 mm 锤刃得到的冲击能量高；X80管线钢的韧性不是特别好，冲击吸收能量最高只有290 J左右。采用 8 mm 摆锤锤刃比采用 2 mm 锤刃得到的冲击能量低。

对2种材料在室温下进行示波冲击试验，研究裂纹在起裂和扩展过程中力和位移的变化情况，示波冲击曲线如图4、图5所示。可以发现，X80示波冲击曲线的最大力比X60的高。过了最大力后，裂纹开始扩展。X60试样的裂纹在扩展过程中受到的阻力相对比较大，裂纹扩展缓慢，冲击吸收能量高。而X80试样的裂纹在扩展时受到的阻力较小，扩展较快，冲击吸收能量低。2种材料的裂纹都是稳定扩展，没有出现不稳定扩展，因此断口没有脆性区，如图6、图7所示。

图4 X60试样示波冲击曲线

图5 X80试样示波冲击曲线

图6 X60冲击试样断口

图7 X80冲击试样断口

对2种材料的显微组织进行研究发现，X60的显微组织主要为多边形铁素体，弥散分布有少量的粒状贝氏体和珠光体。因此材料具有良好的韧性，冲击吸收能量最高达到了450 J左右。X80的显微组织以粒状贝氏体为主，有少量的M-A和多边形铁素体。粒状贝氏体的尺寸大小不一，有的尺寸甚至达到了20 μm，分布也不均匀，如图8所示。组织中的M-A也没有弥散均匀分布，而是聚集在一起，这些都降低了材料的韧性，使得冲击能量明显下降，冲击吸收能量最高只有290 J左右。

图8 X80管线钢显微组织的局部放大图

冲击试样在打击过程中吸收的能量是由试样发生弹性变形时吸收的弹性变形能量、弹性变形后裂纹产生前的塑性变形阶段吸收的塑性变形能量及裂纹产生并扩展至断裂阶段吸收的撕裂变形能量3部分组成[2]。对材料韧性好，冲击吸收能量高的试样，摆锤打击试样时，试样首先发生弹性变形，当弹性变形达到弹性极限时，试样产生沿无约束宽度方向的塑性变形。由于8 mm摆锤刀刃比2 mm 摆锤刀刃对试样的打击面积大，因此试样参与弹性变形和塑性变形的宏观面积范围增大，试样会产生较大的内部变形抗力，这就导致采用8 mm 摆锤刀刃比采用2 mm摆锤刀刃获得的冲击吸收能量大。随着试验温度的降低，材料的韧性减小，摆锤刀刃在试样上作用面积的大小对试样消耗在弹性变形和塑性变形阶段能量大小的影响减小，这就导致8 mm摆锤刀刃与2 mm 摆锤刀刃得到的吸收能量的差值逐渐变小。

在冲击过程中，如果试样断为两截,采用2 mm摆锤刀刃和8 mm 摆锤刀刃获得的冲击吸收能量没有显著性差异；如果试样不断为两截，8 mm 摆锤刀刃获得的冲击吸收能量显著高于2 mm摆锤刀刃[11]。

对X60管线钢，在冲击吸收能量-温度曲线的上平台区，采用8 mm 摆锤刀刃获得的冲击吸收能量显著高于采用2 mm 摆锤刀刃获得的能量。在韧脆转变区，吸收能量的差值逐渐变小。在下平台区，采用2 mm摆锤刀刃获得的冲击吸收能量稍高于8 mm 摆锤刀刃。对X80管线钢，材料韧性较低，冲击吸收能量最高只有290 J左右，和X60管线钢下平台区的能量相当，而且试样全都断为两截。因此，采用2 mm摆锤刀刃获得的冲击吸收能量和8 mm 摆锤刀刃的能量没有显著性差异，只是稍高于8 mm 摆锤刀刃的能量。

3 结 论

1)对管线钢冲击试样，8 mm 摆锤锤刃比 2 mm 摆锤锤刃测得的吸收能量值高还是低，没有一定的结论，具体要看材料本身的韧性情况。

2)对于本文中的材料，冲击吸收能量在300 J以上时，8 mm 摆锤锤刃比2 mm 摆锤锤刃得到的吸收能量值高；冲击能量在300 J以下时，8 mm 摆锤锤刃比2 mm 摆锤锤刃得到的冲击吸收能量低。