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，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。

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。