高应变管线钢及焊接接头疲劳性能研究

摘要

本文主要以铁素体/贝氏体双相X80高应变管线钢及其焊接接头为研究对象，探究了双相X80高应变管线钢及其焊接接头的疲劳性能。重点研究了X80高应变管线钢双相组织结构对疲劳裂纹扩展行为的影响，以及其焊接接头对疲劳裂纹萌生、扩展的影响，并且通过焊接热模拟的方法分析了焊接热影响区各子区域的疲劳扩展行为，比较了实际焊接接头与热模拟方法得到的裂纹扩展速率曲线，讨论了裂纹扩展寿命的评估方法。　　对铁素体/贝氏体双相X80高应变管线钢进行了疲劳寿命试验和裂纹扩展速率试验，研究结果表明：全壁厚X80高应变管线钢疲劳试样在疲劳寿命试验中裂纹萌生发生在试样表面，并向内部扩展，直至发生断裂；当最大应力达到实际最大服役应力时(400 MPa)，试样的疲劳寿命大约为4.2×105 N；疲劳裂纹扩展速率试验中所得的da/dN-?K曲线中，Paris区存在转折点，其存在的原因与裂纹扩展过程中裂纹路径与断裂模式的变化有关；与Paris公式相比，应用αβ模型对双相X80高应变管线钢管安全设计及使用寿命评估更加便利有效。　　管线钢在制造和安装中难免会经历焊接过程，因此对带有余高的全壁厚双相X80高应变管线钢焊接接头试样进行了疲劳寿命试验和裂纹扩展速率试验，研究结果表明：焊接接头试样的疲劳寿命随着最大应力的增加而减小，且在不同最大应力条件下，焊接接头的疲劳寿命均要低于母材的寿命；当最大应力减小到最大的操作压力时(400 MPa)，焊接接头所能达到的疲劳寿命为1×105 N；裂纹初始位置位于外焊缝的焊趾处，这是因为由于焊缝几何尺寸和夹杂物在焊趾处所导致的局部应力集中现象；裂纹在焊趾处萌生后向内稳定扩展，且主要发生在热影响区内，直至发生快速断裂，裂纹稳定扩展的距离随着最大应力的增加而减小，快速断裂时裂纹优先在硬度薄弱区域扩展。　　对于焊接接头试样来说，疲劳裂纹的稳定扩展主要发生在焊接热影响区上，因此利用热模拟试验的方法，通过改变峰值温度，对其各子区域进行组织模拟和疲劳试验，研究结果表明：在相同的应力条件下，峰值温度为1050℃和850℃时，疲劳寿命相差不多，而当峰值温度为1350℃时，疲劳寿命远低于前面二者；当?K小于27 MPa?m1/2时，峰值温度为1350℃时da/dN最高，但当?K超过27 MPa?m1/2时，峰值温度为850℃时da/dN最高，直至到最后快速断裂阶段，这与他们的组织结构对裂纹扩展阻力的大小有关。　　通过比较实际焊缝热影响区裂纹扩展速率曲线与热模拟试验中不同热影响区子区域拼接而成的曲线，讨论了裂纹扩展寿命的评估方法，并且应用应力-寿命分析方法对X80高应变管线钢及其焊接接头进行了寿命评估，研究结果表明：X80高应变管线钢和焊接接头试样的S-N曲线通过Basquin公式拟合后得到的c值分别为0.15和0.20；实际焊缝热影响区试样与热模拟试样所拼接而成的da/dN-?K曲线存在一定的差异，因此，建议采用实际焊接热影响区所测得的da/dN-?K关系曲线来评估疲劳裂纹扩展寿命。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题背景及意义

1.2 高应变管线钢的发展现状及性能要求

1.3 X80管线钢的研究进展和现状

1.4 高应变管线钢的疲劳性能

1.5 高应变管线钢的焊接接头性能

1.6 本文研究的主要内容

第2章 实验内容和方法

2.1 实验材料

2.2 热/力学模拟实验

2.3 力学性能

2.4 微观组织分析

2.5 疲劳寿命试验

2.6 疲劳裂纹扩展试验

第3章 X80高应变管线钢疲劳性能研究

3.1 引言

3.2 实验材料和方法

3.3 实验结果

3.4 分析与讨论

3.5 本章小结

第4章 高应变管线钢焊接接头疲劳性能研究

4.1 引言

4.2 实验材料及方法

4.3 实验结果

4.4 分析与讨论

4.5 本章小结

第5章 焊接热影响区疲劳性能热模拟研究

5.1 引言

5.2 实验材料及方法

5.3 实验结果

5.4 分析和讨论

5.4 本章小结

第6章 基于不同HAZ裂纹扩展评估实际焊缝HAZ扩展寿命的可行性

6.1 引言

6.2 基于S-N曲线的疲劳寿命评估方法

6.3 疲劳裂纹扩展寿命

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢