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浏览:- 发布日期:2020-07-28 13:45:25【

张建国1,董俊华1,高炳军1,富阳2

(1.河北(bei)工业(ye)大学(xue)化工学(xue)院(yuan),天津300130;2.广东省特(te)种设备检(jian)验(yan)研究(jiu)院(yuan)中山检(jian)测院(yuan),中山528400)

摘 要:采用裂纹圆棒(CRB)试验法对PE100管材热熔对接接头进行了不同载荷比的疲劳裂纹扩展(FCG)试验,研究了此对接接头的疲劳裂纹扩展机制,并通过外推法得到静载荷下的抗慢速裂纹扩展(SCG)性能.结果表明:当载荷比R 相同时,随着最大初始应力强度因子K max的增大,PE100管材热熔对接接头的疲劳裂纹扩展速率增大,疲劳寿命缩短;当K max相同时,随着R 的增大,疲劳裂纹扩展速率减小,疲劳寿命增大;裂纹逐步扩展区银纹纤维拉伸长度的减小与裂纹稳定扩展区次生裂纹与主裂纹叠加均加快了热熔接头的裂纹扩展速率;利用外推法得到静载下使用寿命为50a时所允许的最大初始应力强度因子为0.555MPa??m1/2.

关键词:PE100管材;热熔对接(jie)接(jie)头;抗SCG性能(neng)

中图分类号:TH145.4   文献标志码:A   文章编号:1000G3738(2017)09G0036G06

SCGResistanceofButtGFusionJointofPE100PipeTestedbyCrackedRoundBarMethod

ZHANGJianguo1,DONGJunhua1,GAOBingjun1,FUYang2

(1.SchoolofChemicalEngineeringandTechnology,HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300130,China;

2.ZhongshanDepartmentofGuangdongSpecialEquipmentInspectionInstitute,Zhongshan528400,China)

Abstract:Thecrackedroundbar(CRB)methodwasusedtotestthefatiguecrackgrowth(FCG)behaviorof

PE100pipebuttGfusionjointunderdifferentloadratio.ThefatiguecrackpropagationmechanismofPE100pipebuttG

fusionjointwasdiscussed.Theslowcrackgrowth (SCG)resistanceinstaticloadingconditionwasobtainedby

extrapolation.TheresultsshowthatwhenloadratioR wasthesame,thefatiguecrackpropagationrateofPE100

pipebuttGfusionjointincreasedandthefatiguelifeshortenedwiththeincreaseofmaximuminitialstressintensityfactorK maxWhenKmaxwasthesame,thefatiguecrackpropagationratedecreasedandthefatiguelifeextendedwiththeincreaseofR.Thestretchedlengthofcrazingfibrilsinthecrackdiscontinuousgrowthregionreducedandthesecondarycracksoverlaidthe maincrackinthecrackstablegrowthregion whichacceleratedthecrackpropagationrateofbuttGfusionjoint.Theallowablemaximuminitialstressintensityfactorwas0.555MPa??m1/2fortheservicelifeof50yearsunderstaticloadingconditioncalculatedbyextrapolation.

Keywords:PE100pipe;buttGfusionjoint;SCGresistance

0 引 言

聚(ju)乙烯(PE)管(guan)(guan)材(cai)(cai)因其(qi)诸(zhu)(zhu)多优(you)良特性(xing)而得到广泛的(de)(de)应用[1G2].较大管(guan)(guan)径的(de)(de)PE 管(guan)(guan)材(cai)(cai)多采用热熔对(dui)(dui)接(jie)(jie)方(fang)(fang)式进(jin)行连接(jie)(jie),在焊接(jie)(jie)过程中,不可(ke)(ke)避免地(di)会产(chan)生(sheng)诸(zhu)(zhu)如(ru)气孔、夹杂(za)等(deng)焊接(jie)(jie)缺(que)(que)陷,从而影(ying)响PE管(guan)(guan)道的(de)(de)安全使用.通(tong)常(chang)认为在长期静载下(xia)PE管(guan)(guan)材(cai)(cai)的(de)(de)主要(yao)(yao)失效(xiao)形式是由蠕变(bian)裂(lie)纹(wen)(wen)萌生(sheng)(CreepCrackInitiation)和(he)蠕变(bian)裂(lie)纹(wen)(wen)扩(kuo)(kuo)展(CreepCrackGrowth,CCG)引起的(de)(de)慢速裂(lie)纹(wen)(wen)扩(kuo)(kuo)展(Slow Crack Growth,SCG)失效(xiao)[3G4].研究PE管(guan)(guan)材(cai)(cai)慢速裂(lie)纹(wen)(wen)扩(kuo)(kuo)展行为的(de)(de)传统(tong)方(fang)(fang)法(fa)(fa)(fa)主要(yao)(yao)包括缺(que)(que)口(kou)管(guan)(guan)道试验(yan)(yan)(NPT)、宾夕法(fa)(fa)(fa)尼亚单边缺(que)(que)口(kou)试验(yan)(yan)(PENT)、全缺(que)(que)口(kou)拉(la)伸蠕变(bian)试验(yan)(yan)(FNCT)等(deng).这些方(fang)(fang)法(fa)(fa)(fa)一般需(xu)要(yao)(yao)提高试验(yan)(yan)温度或(huo)加(jia)入(ru)表面(mian)活(huo)性(xing)剂(ji)来缩短试验(yan)(yan)时间(jian),而裂(lie)纹(wen)(wen)圆棒(CrackedRoundBar,CRB)试验(yan)(yan)法(fa)(fa)(fa)可(ke)(ke)在室温和(he)不使用表面(mian)活(huo)性(xing)剂(ji)的(de)(de)情(qing)况下(xia)进(jin)行,具(ju)有(you)试验(yan)(yan)持续时间(jian)短、试验(yan)(yan)结果与实(shi)际情(qing)况吻合良好等(deng)优(you)点.此外,CRB方(fang)(fang)法(fa)(fa)(fa)还可(ke)(ke)以利用疲劳裂(lie)纹(wen)(wen)扩(kuo)(kuo)展(FatigueCrackGrowth,FCG)性(xing)能参(can)数(shu)(shu),通(tong)过外推法(fa)(fa)(fa)得到静载荷下(xia)的(de)(de)SCG 性(xing)能参(can)数(shu)(shu).在2015年,国际标准(zhun)化组织(zhi)将(jiang)CRB方(fang)(fang)法(fa)(fa)(fa)确(que)定为测定PE管(guan)(guan)材(cai)(cai)抵抗(kang)慢速裂(lie)纹(wen)(wen)扩(kuo)(kuo)展能力的(de)(de)标准(zhun)方(fang)(fang)法(fa)(fa)(fa)之一,标准(zhun)号为ISO 18489-2015(E).国内外学者[3G8]采用CRB 方(fang)(fang)法(fa)(fa)(fa)对(dui)(dui)PE 管(guan)(guan)材(cai)(cai)进(jin)行了(le)一系列研究,但利用该方(fang)(fang)法(fa)(fa)(fa)对(dui)(dui)PE 管(guan)(guan)材(cai)(cai)热熔对(dui)(dui)接(jie)(jie)接(jie)(jie)头性(xing)能的(de)(de)研究鲜有(you)报(bao)道.

为了(le)(le)研(yan)究PE100管(guan)材(cai)热(re)(re)熔(rong)对(dui)接(jie)接(jie)头的(de)抗SCG性能(neng),作(zuo)者对(dui)PE100管(guan)材(cai)热(re)(re)熔(rong)对(dui)接(jie)接(jie)头进(jin)行(xing)了(le)(le)CRB试验,探讨了(le)(le)应(ying)力(li)强(qiang)度因(yin)子K 以及(ji)载荷比R 对(dui)裂纹扩展行(xing)为和疲劳寿命(ming)的(de)影(ying)响,通(tong)(tong)过(guo)断口形貌(mao)观察(cha),研(yan)究了(le)(le)PE100管(guan)材(cai)热(re)(re)熔(rong)对(dui)接(jie)接(jie)头的(de)疲劳裂纹扩展机制,并通(tong)(tong)过(guo)外(wai)推(tui)法得到静载荷下(xia)的(de)SCG 参数,进(jin)而确(que)定指定使用寿命(ming)下(xia)允许的(de)最大(da)初始应(ying)力(li)强(qiang)度因(yin)子,为PE100管(guan)材(cai)的(de)安(an)全使用提(ti)供依据(ju).

1 试样(yang)制备与(yu)试验方法(fa)

试验材(cai)(cai)料是由道达尔石化(hua)提供的(de)(de)牌(pai)号为(wei)XS10的(de)(de)PE100级(ji)注塑管(guan)材(cai)(cai),管(guan)材(cai)(cai)公称直径为(wei)250mm,标准尺寸比(外径/壁厚)为(wei)11. 采用ABF2/GATOR250型焊机对PE100管(guan)材(cai)(cai)进行热(re)熔对接焊接,焊接时环境(jing)温(wen)度为(wei)26.5 ℃,操(cao)作(zuo)电压为(wei)220V,加热(re)板温(wen)度为(wei)232 ℃,加热(re)时间为(wei)160s,冷却时间为(wei)480s.沿轴向截取一段含热(re)熔接头的(de)(de)管(guan)材(cai)(cai)并制

成圆(yuan)棒,预制裂(lie)(lie)纹(wen)的方(fang)向垂直于轴线并与热熔对(dui)接面重合,预制裂(lie)(lie)纹(wen)的深度aini=1.5mm,CRB试样(yang)的几何尺寸如(ru)图1所示.

图1 CRB试样的形状与尺寸

采用凯(kai)尔(er)测(ce)控EUMG25K20型(xing)拉(la)扭疲劳试验(yan)机,对(dui)CRB试样施加正(zheng)弦脉动载荷,频率f=2.5Hz,试验温(wen)度(du)为23 ℃.按照ISO18489-2015(E),CRB试(shi)验的试(shi)样编(bian)号和载(zai)荷(he)参数(shu)见表1所(suo)示,表中R 为载(zai)荷(he)比(R =Fmax/Fmin,Fmax为最(zui)大载(zai)荷(he),Fmin为最(zui)小载(zai)荷(he)),K max为最(zui)大初始应力(li)强度(du)因子.采(cai)用凯尔测(ce)控NSDS2100型非接触式变(bian)形测(ce)量系统(tong)记录裂(lie)纹张口(kou)(kou)位移δ 随载(zai)荷(he)循环次数(shu)N 的变(bian)化(hua).采(cai)用FEINova NanoSEM450 型场发射电(dian)子显微镜(SEM)观察断口(kou)(kou)形貌,利用ImageJ软件对断口(kou)(kou)的银纹纤维(wei)进(jin)行(xing)测(ce)量.采(cai)用能量色(se)散X 射线检测(ce)技术(shu)(EnergydispersiveXGraydetector,EDX)对裂(lie)纹稳定扩展区颗粒的化(hua)学(xue)成分进(jin)行(xing)分析.

表1 PE100管材热熔对接接头和母材CRB试验的试样

2 试验(yan)结果与讨论

2.1 δGN 曲线

由图(tu)2(a)~(c)可知:相同R 下,当(dang)K max较大(da)时(shi),试验初期δ 增长(zhang)率(lv)逐渐(jian)降低(di)(di),中期δ 增长(zhang)率(lv)趋于(yu)稳定,断裂(lie)前δ 增长(zhang)率(lv)急剧增大(da);当(dang)K max较小时(shi),δ具(ju)有阶梯增长(zhang)的特(te)征(zheng),K max越小,这(zhei)种阶梯出现(xian)的次数越多,阶梯间δ 增长(zhang)率(lv)越低(di)(di),甚(shen)至出现(xian)平台,低(di)(di)δ

增长(zhang)率(lv)段(duan)或平(ping)台所(suo)经(jing)历的循(xun)环(huan)周次越(yue)(yue)多;相同(tong)R下(xia),K max越(yue)(yue)小(xiao)疲劳寿命越(yue)(yue)长(zhang).由图(tu)2(d)可见:相同(tong)K max下(xia),当R 较小(xiao)时,试验初期δ 增长(zhang)率(lv)逐渐降低,中期δ 增长(zhang)率(lv)趋于稳(wen)定,断裂(lie)前δ 增长(zhang)率(lv)急剧增大;当R 较大时,δ 具有阶梯增(zeng)长的(de)特征(zheng),R 越大即(ji)越

接近于静载荷(he)时,这种阶(jie)梯(ti)出现的次数越(yue)(yue)多,阶(jie)梯(ti)间(jian)δ 增(zeng)长(zhang)(zhang)率越(yue)(yue)低,甚至出现平台,低δ 增(zeng)长(zhang)(zhang)率段或平台所经历的循环周次越(yue)(yue)多;相(xiang)同K max下,R 越(yue)(yue)大疲(pi)劳寿(shou)命越(yue)(yue)长(zhang)(zhang).

图2 不同R 和Kmax下热熔对接接头试样的δGN 曲线

2.2 断口(kou)形貌

由(you)图(tu)3和(he)图(tu)4可知:试样外侧(ce)是预制裂(lie)(lie)纹(wen)(wen)形(xing)成的(de)(de)(de)(de)(de)光滑平面,内侧(ce)为(wei)疲劳断口,疲劳断口可划分为(wei)逐步(bu)扩(kuo)(kuo)(kuo)展区(qu)、稳定扩(kuo)(kuo)(kuo)展区(qu)和(he)瞬时断裂(lie)(lie)区(qu);随着 Kmax的(de)(de)(de)(de)(de)增大(da)(da),逐步(bu)扩(kuo)(kuo)(kuo)展区(qu)的(de)(de)(de)(de)(de)范围减小,稳定扩(kuo)(kuo)(kuo)展区(qu)的(de)(de)(de)(de)(de)范围增大(da)(da);热熔对(dui)接接头 CRB试样的(de)(de)(de)(de)(de)断口比母(mu)材的(de)(de)(de)(de)(de)更加粗糙(cao),稳定扩(kuo)(kuo)(kuo)展区(qu)出现密集的(de)(de)(de)(de)(de)韧窝.图(tu)2中(zhong)δGN 曲线(xian)所揭示的(de)(de)(de)(de)(de)裂(lie)(lie)纹(wen)(wen)逐步(bu)扩(kuo)(kuo)(kuo)展过程在(zai)图(tu)3和(he)图(tu)4中(zhong)表现为(wei)明暗相间的(de)(de)(de)(de)(de)环状(zhuang)条纹(wen)(wen),这(zhei)是由(you)于裂(lie)(lie)纹(wen)(wen)尖(jian)端(duan)的(de)(de)(de)(de)(de)应(ying)力(li)集中(zhong)导致裂(lie)(lie)纹(wen)(wen)尖(jian)端(duan)钝(dun)化和(he)银(yin)纹(wen)(wen)损(sun)伤的(de)(de)(de)(de)(de)发生,这(zhei)两种(zhong)机制相互交替构成了(le)裂(lie)(lie)纹(wen)(wen)逐步(bu)扩(kuo)(kuo)(kuo)展的(de)(de)(de)(de)(de)SCG 行为(wei)[9G10].由(you)图(tu)5可知,银(yin)纹(wen)(wen)损(sun)伤是由(you)靠近裂(lie)(lie)纹(wen)(wen)尖(jian)端(duan)连续的(de)(de)(de)(de)(de)纤(xian)维和(he)充满空穴(xue)的(de)(de)(de)(de)(de)连续薄膜构成的(de)(de)(de)(de)(de).

图4 R=0.1下 PE100热熔对接接头 CRB试样的断口形貌


图(tu)(tu)2中(zhong)δGN 曲线所揭示的(de)(de)裂(lie)纹(wen)(wen)逐步扩展(zhan)过(guo)程在图(tu)(tu)3和图(tu)(tu)4中(zhong)表现为明暗(an)相间(jian)的(de)(de)环状条纹(wen)(wen),这是由(you)(you)于裂(lie)纹(wen)(wen)尖(jian)(jian)端(duan)的(de)(de)应力集中(zhong)导致裂(lie)纹(wen)(wen)尖(jian)(jian)端(duan)钝化(hua)和银(yin)纹(wen)(wen)损伤的(de)(de)发生,这两(liang)种机制(zhi)相互交(jiao)替构(gou)(gou)成了(le)裂(lie)纹(wen)(wen)逐步扩展(zhan)的(de)(de)SCG 行(xing)为[9G10].由(you)(you)图(tu)(tu)5可(ke)知,银(yin)纹(wen)(wen)损伤是由(you)(you)靠近裂(lie)纹(wen)(wen)尖(jian)(jian)端(duan)连续(xu)的(de)(de)纤(xian)维和充满空穴的(de)(de)连续(xu)薄膜构(gou)(gou)成的(de)(de).

图5 银纹结构示意


由图(tu)6可知:与(yu)1G1试样(yang)(yang)相比,1′G1试样(yang)(yang)的(de)疲(pi)劳断口上(shang)(shang)的(de)裂(lie)纹(wen)(wen)逐(zhu)步(bu)扩(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)展(zhan)区(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)与(yu)稳定扩(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)展(zhan)区(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)之(zhi)间区(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)分明(ming)显(xian),在(zai)逐(zhu)步(bu)扩(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)展(zhan)区(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)上(shang)(shang)的(de)银(yin)纹(wen)(wen)损伤(shang)和(he)裂(lie)纹(wen)(wen)扩(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)展(zhan)之(zhi)间区(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)分明(ming)显(xian);逐(zhu)步(bu)扩(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)展(zhan)区(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)的(de)银(yin)纹(wen)(wen)纤(xian)维被梳理拉伸(shen)效果更(geng)加显(xian)著,裂(lie)纹(wen)(wen)扩(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)展(zhan)区(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)更(geng)加粗糙,在(zai)稳定扩(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)展(zhan)区(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)上(shang)(shang)出现(xian)密集(ji)的(de)韧窝.在(zai)试样(yang)(yang)1G1、1G2、1G3和(he)1′G1、1′G2、1′G3的(de)银(yin)纹(wen)(wen)损伤(shang)断口的(de)扫(sao)描电镜图(tu)中(zhong),采用ImageJ软件随机测(ce)量20根纤(xian)维的(de)拉伸(shen)长(zhang)度(du),测(ce)量结果列(lie)于(yu)表2中(zhong).由表可知:随着K max的(de)增(zeng)大(da),银(yin)纹(wen)(wen)纤(xian)维拉伸(shen)长(zhang)度(du)逐(zhu)渐减小,且(qie)热熔接头(tou)试样(yang)(yang)逐(zhu)步(bu)扩(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)展(zhan)区(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)的(de)银(yin)纹(wen)(wen)纤(xian)维拉伸(shen)长(zhang)度(du)小于(yu)母材试样(yang)(yang)的(de).由图(tu)2和(he)图(tu)6可知,银(yin)纹(wen)(wen)损伤(shang)的(de)形成先于(yu)裂(lie)纹(wen)(wen)的(de)稳定扩(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)展(zhan),银(yin)纹(wen)(wen)纤(xian)维被拉伸(shen)后产生微观(guan)塑性(xing)变形,此过程(cheng)会持续相当长时间,在(zai)整个疲(pi)劳寿(shou)命中所占得比例比较(jiao)大(da).通过由图(tu)6可知:与1G1试样相比,1′G1试样的(de)(de)疲(pi)劳断口上的(de)(de)裂(lie)纹(wen)(wen)(wen)逐(zhu)步(bu)扩(kuo)(kuo)(kuo)展(zhan)(zhan)(zhan)区(qu)(qu)(qu)与稳定扩(kuo)(kuo)(kuo)展(zhan)(zhan)(zhan)区(qu)(qu)(qu)之间区(qu)(qu)(qu)分(fen)(fen)明显(xian),在(zai)逐(zhu)步(bu)扩(kuo)(kuo)(kuo)展(zhan)(zhan)(zhan)区(qu)(qu)(qu)上的(de)(de)银(yin)(yin)(yin)(yin)纹(wen)(wen)(wen)损(sun)伤和裂(lie)纹(wen)(wen)(wen)扩(kuo)(kuo)(kuo)展(zhan)(zhan)(zhan)之间区(qu)(qu)(qu)分(fen)(fen)明显(xian);逐(zhu)步(bu)扩(kuo)(kuo)(kuo)展(zhan)(zhan)(zhan)区(qu)(qu)(qu)的(de)(de)银(yin)(yin)(yin)(yin)纹(wen)(wen)(wen)纤(xian)维(wei)(wei)被梳理拉伸(shen)效果更加显(xian)著,裂(lie)纹(wen)(wen)(wen)扩(kuo)(kuo)(kuo)展(zhan)(zhan)(zhan)区(qu)(qu)(qu)更加粗(cu)糙,在(zai)稳定扩(kuo)(kuo)(kuo)展(zhan)(zhan)(zhan)区(qu)(qu)(qu)上出现密集的(de)(de)韧窝.在(zai)试样1G1、1G2、1G3和1′G1、1′G2、1′G3的(de)(de)银(yin)(yin)(yin)(yin)纹(wen)(wen)(wen)损(sun)伤断口的(de)(de)扫描电镜图(tu)中,采(cai)用ImageJ软件随(sui)机(ji)测量20根纤(xian)维(wei)(wei)的(de)(de)拉伸(shen)长度(du)(du)(du),测量结(jie)果列于表(biao)2中.由表(biao)可知:随(sui)着 Kmax的(de)(de)增(zeng)大(da),银(yin)(yin)(yin)(yin)纹(wen)(wen)(wen)纤(xian)维(wei)(wei)拉伸(shen)长度(du)(du)(du)逐(zhu)渐减小,且热熔接头试样逐(zhu)步(bu)扩(kuo)(kuo)(kuo)展(zhan)(zhan)(zhan)区(qu)(qu)(qu)的(de)(de)银(yin)(yin)(yin)(yin)纹(wen)(wen)(wen)纤(xian)维(wei)(wei)拉伸(shen)长度(du)(du)(du)小于母(mu)材试样的(de)(de).由图(tu)2和图(tu)6可知,银(yin)(yin)(yin)(yin) 纹(wen)(wen)(wen)损(sun)伤的(de)(de)形成先于裂(lie)纹(wen)(wen)(wen)的(de)(de)稳定扩(kuo)(kuo)(kuo)展(zhan)(zhan)(zhan),银(yin)(yin)(yin)(yin)纹(wen)(wen)(wen)纤(xian)维(wei)(wei)被拉伸(shen)后产(chan)生微观塑性变形(xing),此(ci)过程会持续相(xiang)当长时间(jian),在整 个(ge) 疲 劳 寿 命 中 所(suo) 占(zhan) 得(de) 比 例(li) 比 较(jiao) 大.通 过PE100母材(cai)(cai)与热熔接(jie)(jie)(jie)头(tou)(tou)(tou)的(de)(de)(de)(de)(de) CRB试验结果(guo)的(de)(de)(de)(de)(de)对(dui)(dui)比可(ke)以发现(xian),热熔接(jie)(jie)(jie)头(tou)(tou)(tou)试样(yang)的(de)(de)(de)(de)(de)银纹(wen)(wen)纤维拉伸长(zhang)度较短(duan)(duan),导致接(jie)(jie)(jie)头(tou)(tou)(tou)的(de)(de)(de)(de)(de)抗SCG能(neng)力下降,因(yin)此(ci)其(qi)疲(pi)劳寿(shou)命明(ming)(ming)显缩短(duan)(duan).由(you)图(tu)7可(ke)知(zhi):1G1试样(yang)的(de)(de)(de)(de)(de)稳(wen)(wen)(wen)定(ding)扩(kuo)(kuo)展区(qu)(qu)呈疲(pi)劳裂(lie)纹(wen)(wen)稳(wen)(wen)(wen)定(ding)扩(kuo)(kuo)展的(de)(de)(de)(de)(de)典型(xing)特征(zheng),上面存(cun)在着(zhe)一些大(da)小(xiao)不一的(de)(de)(de)(de)(de)颗(ke)粒;由(you)于热熔对(dui)(dui)接(jie)(jie)(jie)焊接(jie)(jie)(jie)是在非真空条件下完成的(de)(de)(de)(de)(de),1′G1试样(yang)稳(wen)(wen)(wen)定(ding)扩(kuo)(kuo)展区(qu)(qu)焊缝上不可(ke)避免地会产(chan)生(sheng)(sheng)焊接(jie)(jie)(jie)缺陷(xian),如微(wei)(wei)气(qi)(qi)孔,微(wei)(wei)气(qi)(qi)孔引发的(de)(de)(de)(de)(de)内(nei)部次生(sheng)(sheng)裂(lie)纹(wen)(wen)与主(zhu)裂(lie)纹(wen)(wen)叠加,加快(kuai)了(le)裂(lie)纹(wen)(wen)的(de)(de)(de)(de)(de)扩(kuo)(kuo)展速(su)率,并在裂(lie)纹(wen)(wen)稳(wen)(wen)(wen)定(ding)扩(kuo)(kuo)展区(qu)(qu)上表现(xian)为一系列抛物(wu)线形的(de)(de)(de)(de)(de)空心韧窝,同时(shi)其(qi)中(zhong)一部分微(wei)(wei)气(qi)(qi)孔处存(cun)在一些颗(ke)粒.由(you)图(tu)8可(ke)知(zhi),裂(lie)纹(wen)(wen)稳(wen)(wen)(wen)定(ding)扩(kuo)(kuo)展区(qu)(qu)颗(ke)粒中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)钛(tai)、铝等(deng)元素(su)含量明(ming)(ming)显增加,这是由(you)于在 PE 材(cai)(cai)料的(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)产(chan)过(guo)程中(zhong)需要加入(ru)含有钛(tai)、铝等(deng)元素(su) 的(de)(de)(de)(de)(de) 催 化(hua) 剂[2].在 高 温 焊 接(jie)(jie)(jie) 过(guo) 程 中(zhong),产(chan) 生(sheng)(sheng) 的(de)(de)(de)(de)(de)微(wei)(wei) 气(qi)(qi)孔造(zao)成了(le)试样(yang)内(nei)部材(cai)(cai)料不连续,给裂(lie)纹(wen)(wen)萌生(sheng)(sheng)造(zao)成(cheng)(cheng)有利条件,从而(er)导致(zhi)次(ci)生裂(lie)纹的形成(cheng)(cheng).由 PE100母材及热(re)熔接头(tou)(tou)的 CRB试验(yan)可(ke)知,热(re)熔接头(tou)(tou)试样的疲劳寿命明(ming)显缩(suo)短,其主(zhu)要原因为次(ci)生裂(lie)纹与主(zhu)裂(lie)纹的叠(die)加(jia)(jia)加(jia)(jia)快(kuai)了热(re)熔接头(tou)(tou)试样的裂(lie)纹扩展速(su)度.

图6 1G1和1′G1试样的断口SEM 形貌

 不同母材及热熔对接接头试样在不同载荷下的

图7 1G1和1′G1试样裂纹稳定扩展区的微观形貌

图8 1′G1试样颗粒的EDX 分析结果


3 FCG 外推与(yu)蠕变寿命预测

相关研究[3G7]表明,在静载荷(he)(he)(he)与(yu)较(jiao)大(da)R 的(de)疲劳载荷(he)(he)(he)下(xia),断裂机(ji)理(li)基本(ben)相似(si),而且通过外(wai)推(tui)得(de)到(dao)的(de)结果与(yu)蠕(ru)变试验结果吻合良(liang)好(hao).因(yin)此,ISO18489-2015(E)允(yun)许通过CRB试验的(de)FCG 性(xing)能外(wai)推(tui)得(de)到(dao)静载荷(he)(he)(he)下(xia)材料(liao)的(de)SCG 性(xing)能,即当载荷(he)(he)(he)比R =1时,材料(liao)处于静载荷(he)(he)(he)条件下(xia),此时材料(liao)的(de)使用(yong)寿命(ming)为(wei)其蠕(ru)变寿命(ming).在图(tu)9(a)所(suo)示的(de)K maxGlgtf 坐(zuo)标(biao)系中绘(hui)制(zhi)不同(tong)R 下(xia)PE热熔接头的(de)CRB试验失效曲线,在失效曲线上分别(bie)取Kmax为(wei)0.65,0.70,0.75MPa??m1/2时的(de)数据,再将所(suo)得(de)数据按Kmax值分组绘(hui)制(zhi)在图(tu)9

图9 由CRB试验外推静载下PE100热熔对接接头的SCG 失效时间


(b)的(de)lgtfGR 坐标系(xi)中,并外推至 R=1,即可得到静载荷下 PE 管材热(re)熔接头的(de)失效(xiao)时间,再将(jiang)图9

(b)中R=1时(shi)的(de)数(shu)据绘制在(zai)图9(a)KmaxGlgtf 坐标系中并进行连接(jie),便(bian)得到静载荷下最大(da)初始应力强度因(yin)子与(yu)失效时(shi)间(jian)的(de)关(guan)系.试验中的(de) PE100热熔(rong)对接(jie)接(jie)头所(suo)允许最大(da)初始应力强度因(yin)子和指定使用年限的(de)关(guan)系为(wei)

捕获


式(shi)中:Y 为(wei)(wei)指定使(shi)用年限;系(xi)数31536000是以s为(wei)(wei)单位(wei)的(de)(de)一(yi)年时间;tf 为(wei)(wei)失效(xiao)时间.由此预测(ce)可知(zhi),PE100热熔对接(jie)接(jie)头在使(shi)用寿(shou)命(ming)为(wei)(wei)50a前提下,所允(yun)许的(de)(de)最(zui)大初(chu)始应力(li)强(qiang)度因子为(wei)(wei)0.555MPa??m1/2.


4 结 论(lun)

(1)当(dang) R 相同(tong)时(shi),随(sui)着 Kmax的(de)增(zeng)大(da),PE100管(guan)材热熔对(dui)接(jie)接(jie)头的(de)疲劳裂纹(wen)扩展速(su)率(lv)增(zeng)大(da),疲劳寿命缩短;当(dang)Kmax相同(tong),随(sui)着R 的(de)增(zeng)大(da),疲劳裂纹(wen)扩展速(su)率(lv)减(jian)小,疲劳寿命延长(zhang).

(2)热(re)熔(rong)对接(jie)接(jie)头在逐(zhu)步扩展(zhan)区中的(de)银纹(wen)(wen)纤维拉伸长度减小(xiao),使接(jie)头的(de)抗慢(man)速裂纹(wen)(wen)扩展(zhan)能力下(xia)降;在裂纹(wen)(wen)的(de)稳定扩展(zhan)区中,焊接(jie)过程中产生(sheng)的(de)微气孔导致次生(sheng)裂纹(wen)(wen)的(de)形成,次生(sheng)裂纹(wen)(wen)与主裂纹(wen)(wen)的(de)叠加加快了热(re)熔(rong)接(jie)头试样的(de)裂纹(wen)(wen)扩展(zhan)速率.

(3)利(li)用外推(tui)法确定(ding)了PE100热熔对接接头在静载下、使用寿(shou)命为(wei)50a时所允许的最大初始应力强度因子为(wei)0.555MPa??m1/2.

(文章来源:材料与测试网

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