考虑应力三轴度影响的X80管线钢延性断裂研究_李乃贤.pdf

第 30 卷 第 2 期2023 年 2 月塑性工程学报JOURNAL OF PLASTICITY ENGINEERINGVol.30 No.2Feb.2023引文格式:李乃贤,朱 立,贾 彬,等.考虑应力三轴度影响的 X80 管线钢延性断裂研究 J.塑性工程学报,2023,30(2):206-213.LI Naixian,ZHU Li,JIA Bin,et al.Research on ductile fracture of X80 pipeline steel considering influence of stress triaxiality J.Journal of Plasticity Engineering,2023,30(2):206-213.基金项目:四川省科技厅项目(2020JDTD0021);上海市工程结构安全重点实验室开放课题(2019-KF04)通信作者:朱 立,男,1985 年生,博士,讲师,主要从事材料、结构在场耦合作用下的力学行为研究,E-mail:heng-carlos 第一作者:李乃贤,男,1997 年生,硕士研究生,主要从事金属延性损伤研究,E-mail:1441956441 收稿日期:2022-04-01;修订日期:2022-11-14考虑应力三轴度影响的 X80 管线钢延性断裂研究李乃贤1,朱 立1,贾 彬1,2,张 豫3,邓淞文1(1.西南科技大学 土木工程与建筑学院,四川 绵阳 621000;2.上海市工程结构安全重点实验室,上海 200032;3.四川德源管道科技股份有限公司,四川 成都 610041)摘 要:为了得到 X80 管线钢在不同应力三轴度下的延性断裂特征,通过标准拉伸试件的准静态拉伸试验标定了 X80 管线钢的 Johnson-Cook 本构模型参数。通过不同应力三轴度下的准静态试验和有限元分析得到了各试件的平均应力三轴度和断裂应变,并得到了应力三轴度对断裂应变、抗拉强度和延性的影响规律。结果表明,建立的 X80 管线钢本构模型与失效模型能够较好地表征 X80 管线钢在不同应力三轴度下的力学行为与断裂特征。在不同的应力三轴度区间内,X80 管线钢的断裂应变与平均应力三轴度的关系满足不同的函数类型,当应力三轴度为 0.801.56 时为递减的 Johnson-Cook 失效模型函数,当应力三轴度为 00.80 时为递增的线性函数,当应力三轴度为-1/30 时为递减的幂函数。X80 管线钢的抗拉强度与应力三轴度的函数关系满足二次函数的分布形式并单调递增,而延性随着应力三轴度的增加而降低。关键词:X80 管线钢;应力三轴度;Johnson-Cook 失效模型;应力-应变曲线;抗拉强度中图分类号:O346.1+2 文献标识码:A 文章编号:1007-2012(2023)02-0206-08doi:10.3969/j.issn.1007-2012.2023.02.024Research on ductile fracture of X80 pipeline steel considering influence of stress triaxialityLI Nai-xian1,ZHU Li1,JIA Bin1,2,ZHANG Yu3,DENG Song-wen1(1.School of Civil Engineering and Architecture,Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621010,China;2.Shanghai Key Laboratory of Engineering Structure Safety,Shanghai 200032,China;3.Sichuan Deyuan Pipeline Technology Co.,Ltd.,Chengdu 610041,China)Abstract:To obtain the ductile fracture characteristics of X80 pipeline steel with different stress triaxialities,the Johnson-Cook constitu-tive model parameters of X80 pipeline steel were calibrated by quasi-static tensile tests of standard tensile specimens.The average stress triaxiality and fracture strain of each specimen were obtained by quasi-static tests and finite element analysis with different stress triaxiali-ties,and the effect laws of stress triaxiality on fracture strain,tensile strength and ductility were obtained.The results show that the me-chanical behavior and fracture characteristics of X80 pipeline steel with different stress triaxialities can be better characterized by the es-tablished constitutive model and failure model of X80 pipeline steel.In different stress triaxiality intervals,the relationship between frac-ture strain and average stress triaxiality of X80 pipeline steel satisfies different function types,it is decreasing Johnson-Cook failure model function when the stress triaxiality is 0.80-1.56,it is increasing linear function when the stress triaxiality is 0-0.80,and it is decreasing power function when the stress triaxiality is-1/3-0.The functional relationship between tensile strength and stress triaxiality of X80 pipe-line steel satisfies the distribution form of quadratic function and increases monotonically,while the ductility decreases with the increase of stress triaxiality.Key words:X80 pipeline steel;stress triaxiality;Johnson-Cook failure model;stress-strain curve;tensile strength 引言X80 管线钢具有强度高和抗断裂能力强等力学特征,用其生产的大口径管道被广泛应用于国内外石油天然气的长距离运输,国内的中俄东线、西气东输二线、三线、中贵线、中缅线国内段和中亚 c线等均采用大口径的 X80 管线钢管道1。实际工程中管道会被铺设在山区、沙漠、冰川和海洋等各种环境中2,当这些环境产生改变或在进行第三方施工时都有可能使管道所处的环境发生沉降和滑坡等地质灾害,导致管道发生变形破坏。这一过程通常速度较慢,不考虑应变率效应对其力学性能的影响。在管道铺设的设计过程中,一般通过基于强度和应变的设计准则来判断管道的安全性3;实际上管道可能处于各种复杂的应力状态,不同应力状态下金属的强度和断裂应变会有很大的不同,简单通过单一应力状态下的强度或应变来判断管道是否安全缺乏合理性4。目前主要采用断裂力学和延性损伤力学两种理论对 X80 管线钢断裂进行研究。在断裂力学方面,吕锦杰等5通过内聚力模型对 X80 钢管道进行了动态开裂模拟,描述了裂纹拓展速率与内压的关系,但内聚力模型需定义裂纹拓展路径,显然这不适用于实际工况的断裂预测。李敏科等6利用有限元软件研究了 X80 管线钢不同裂纹深度裂纹尖端的应力场,得到了含有裂纹的 X80 管道在内压作用下的失效压力。张庆荣3基于 Mises 屈服准则建立了 X80管线钢的失效判据,该判据对管道的安全评估偏于保守。田野7得到了含有裂纹的 X80 管道在内压作用下裂纹尺寸参数对管道裂纹尖端应力场的影响规律。金属的延性断裂与其所处的应力状态和加载的应变率速率等因素有关8-10,一般用应力三轴度来表征材料所处的应力状态。JOHNSON G R 等11基于材料的空穴增长和损伤演化规律,考虑了应力三轴度、温度软化和应变率强化对断裂应变的影响,提出了指数函数类型的 Johnson-Cook 失效模型,能很好地对高应力三轴度状态下材料的断裂进行预测。BAO Y 等12通过剪切和拉伸试验发现 Johnson-Cook失效模型无法全面描述不同应力三轴度与断裂应变的关系,其采用分段函数建立了比较全面的应力三轴度范围的 2025-T351 铝合金的失效模型,并阐述了其在不同应力三轴度下的破坏行为。赵刚要等13建立了 7075 铸态铝合金的应力三轴度与断裂应变单调递减的函数曲线。董福青14标定了 X80 管线钢的Johnson-Cook 失效模型相关参数,但其研究中未考虑低应力三轴度的试件。HAN P 等15拟合了 X80管线钢的 Mohr-Coulomb 和 ERT 模型的参数,但其研究中未考虑压缩试验工况。彭增利等16利用建立的 X80 管线钢 CVGM 损伤模型预测了管道的超低周疲劳寿命。总体来看,对 X80 管线钢的研究大多数是采用断裂力学并基于初始裂纹进行的,但当管道不具有初始裂纹时,断裂力学理论不再适用。而延性损伤失效模型不需要初始裂纹即可描述 X80 管线钢的断裂问题,但目前关于 X80 管线钢延性损伤失效模型研究还存在不足。本文对 X80 管线钢进行了不同应力三轴度下的准静态试验,结合有限元分析,建立了 X80 管线钢 Johnson-Cook 本构模型和延性损伤失效模型,并得到了不同应力三轴度对抗拉强度的影响规律。研究成果对丰富 X80 管线钢管道的安全评估具有重要意义。1 试件设计与试验方法为了得到 X80 管线钢的延性断裂参数,首先需要确定 X80 管线钢的静态力学本构模型。按照国标GB/T 228.1201017的要求设计了标准拉伸试件(Smooth Round Bar,SRB),如图 1 所示。同时为获得 X80 管线钢在不同应力三轴度下的断裂应变,设计了具有不同应力三轴度的异形试件18。参考标准HB 5214199619、GB/T 7314201720和 HB 6736199321设计了缺口半径分别为 1、3 和 5 mm的拉伸试件(Notched Round Bar,NRB)(分别简称为 NRB1、NRB3 和 NRB5)、压缩试件和剪切试件(Flat Shear,FS)(厚 度 保 持 管 道 原 始 厚 度18.4 mm,夹持部位进行打薄处理),见图 2。其中高应力三轴度由缺口拉伸试件确定,低应力三轴度由剪切试件确定,负应力三轴度由压缩试件确定。其中标准拉伸试件进行 3 次试验(记为 SRB-1,SRB-