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浏览:- 发布日期:2020-07-28 13:45:25【

张(zhang)建国1,董俊华1,高(gao)炳军(jun)1,富阳(yang)2

(1.河北工(gong)业(ye)大学化工(gong)学院,天津300130;2.广东省特种设(she)备检验(yan)研究院中山检测院,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

中图(tu)分类号(hao):TH145.4   文献标志(zhi)码:A   文章编号(hao):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(yan)

聚乙烯(PE)管(guan)材因其诸多(duo)优(you)良特(te)性(xing)而得到(dao)广泛的(de)(de)(de)应用[1G2].较大管(guan)径的(de)(de)(de)PE 管(guan)材多(duo)采用热熔对接(jie)(jie)方(fang)式进行(xing)(xing)连接(jie)(jie),在(zai)(zai)焊接(jie)(jie)过程(cheng)中,不可避免地(di)会产生诸如气孔、夹杂等(deng)焊接(jie)(jie)缺陷,从而影响PE管(guan)道的(de)(de)(de)安(an)全(quan)使(shi)用.通常认为(wei)在(zai)(zai)长期静载下(xia)(xia)PE管(guan)材的(de)(de)(de)主要失效形(xing)式是由蠕(ru)变裂(lie)(lie)纹(wen)萌生(CreepCrackInitiation)和(he)蠕(ru)变裂(lie)(lie)纹(wen)扩(kuo)展(zhan)(CreepCrackGrowth,CCG)引起的(de)(de)(de)慢(man)速(su)裂(lie)(lie)纹(wen)扩(kuo)展(zhan)(Slow Crack Growth,SCG)失效[3G4].研(yan)究PE管(guan)材慢(man)速(su)裂(lie)(lie)纹(wen)扩(kuo)展(zhan)行(xing)(xing)为(wei)的(de)(de)(de)传统方(fang)法(fa)(fa)(fa)主要包括缺口(kou)管(guan)道试(shi)(shi)验(yan)(yan)(NPT)、宾(bin)夕法(fa)(fa)(fa)尼亚单边缺口(kou)试(shi)(shi)验(yan)(yan)(PENT)、全(quan)缺口(kou)拉伸蠕(ru)变试(shi)(shi)验(yan)(yan)(FNCT)等(deng).这(zhei)些方(fang)法(fa)(fa)(fa)一(yi)般需要提高(gao)试(shi)(shi)验(yan)(yan)温度或加入表面(mian)活性(xing)剂来缩短(duan)(duan)试(shi)(shi)验(yan)(yan)时间,而裂(lie)(lie)纹(wen)圆棒(CrackedRoundBar,CRB)试(shi)(shi)验(yan)(yan)法(fa)(fa)(fa)可在(zai)(zai)室温和(he)不使(shi)用表面(mian)活性(xing)剂的(de)(de)(de)情况下(xia)(xia)进行(xing)(xing),具(ju)有试(shi)(shi)验(yan)(yan)持续时间短(duan)(duan)、试(shi)(shi)验(yan)(yan)结果与实际情况吻合(he)良好等(deng)优(you)点.此外(wai),CRB方(fang)法(fa)(fa)(fa)还可以利用疲劳裂(lie)(lie)纹(wen)扩(kuo)展(zhan)(FatigueCrackGrowth,FCG)性(xing)能(neng)参数(shu),通过外(wai)推法(fa)(fa)(fa)得到(dao)静载荷下(xia)(xia)的(de)(de)(de)SCG 性(xing)能(neng)参数(shu).在(zai)(zai)2015年,国际标(biao)准化组(zu)织(zhi)将CRB方(fang)法(fa)(fa)(fa)确定为(wei)测定PE管(guan)材抵(di)抗慢(man)速(su)裂(lie)(lie)纹(wen)扩(kuo)展(zhan)能(neng)力的(de)(de)(de)标(biao)准方(fang)法(fa)(fa)(fa)之一(yi),标(biao)准号为(wei)ISO 18489-2015(E).国内(nei)外(wai)学者[3G8]采用CRB 方(fang)法(fa)(fa)(fa)对PE 管(guan)材进行(xing)(xing)了一(yi)系列研(yan)究,但利用该方(fang)法(fa)(fa)(fa)对PE 管(guan)材热熔对接(jie)(jie)接(jie)(jie)头性(xing)能(neng)的(de)(de)(de)研(yan)究鲜有报道.

为(wei)了(le)研究(jiu)PE100管材热熔(rong)对(dui)接接头的抗SCG性能,作者对(dui)PE100管材热熔(rong)对(dui)接接头进(jin)行(xing)了(le)CRB试(shi)验,探讨了(le)应(ying)力(li)强(qiang)度因(yin)子(zi)K 以(yi)及载荷比R 对(dui)裂纹扩展行(xing)为(wei)和(he)疲劳寿命(ming)的影响,通(tong)过断口形貌观(guan)察,研究(jiu)了(le)PE100管材热熔(rong)对(dui)接接头的疲劳裂纹扩展机制(zhi),并(bing)通(tong)过外推法(fa)得(de)到静载荷下的SCG 参数,进(jin)而确定指定使(shi)用(yong)寿命(ming)下允许的最大初始(shi)应(ying)力(li)强(qiang)度因(yin)子(zi),为(wei)PE100管材的安全使(shi)用(yong)提供依据.

1 试(shi)样制备与试(shi)验方法(fa)

试验材(cai)(cai)料是由道达尔石化提(ti)供的(de)牌号为(wei)(wei)XS10的(de)PE100级(ji)注塑管材(cai)(cai),管材(cai)(cai)公称(cheng)直径为(wei)(wei)250mm,标(biao)准(zhun)尺寸比(外(wai)径/壁厚(hou))为(wei)(wei)11. 采用(yong)ABF2/GATOR250型焊(han)机对(dui)PE100管材(cai)(cai)进行(xing)热熔(rong)对(dui)接焊(han)接,焊(han)接时环境温度(du)为(wei)(wei)26.5 ℃,操作电压为(wei)(wei)220V,加热板温度(du)为(wei)(wei)232 ℃,加热时间(jian)为(wei)(wei)160s,冷却时间(jian)为(wei)(wei)480s.沿(yan)轴向(xiang)截取一段含热熔(rong)接头的(de)管材(cai)(cai)并制(zhi)

成(cheng)圆棒,预制(zhi)裂(lie)纹的(de)方向垂(chui)直于轴线并与热(re)熔对接面重合,预制(zhi)裂(lie)纹的(de)深度aini=1.5mm,CRB试(shi)样(yang)的(de)几何(he)尺寸如图1所示.

图1 CRB试样的形状与尺寸

采用(yong)凯尔(er)测控EUMG25K20型拉(la)扭疲劳试验机,对(dui)CRB试样施(shi)加正弦脉(mai)动载荷,频(pin)率f=2.5Hz,试验温度为23 ℃.按照(zhao)ISO18489-2015(E),CRB试验的试样编号和载(zai)荷参数(shu)见(jian)表1所示(shi),表中R 为载(zai)荷比(R =Fmax/Fmin,Fmax为最大载(zai)荷,Fmin为最小载(zai)荷),K max为最大初始应力强(qiang)度因子.采用(yong)凯尔(er)测控NSDS2100型非接触(chu)式(shi)变形测量系(xi)统记录裂(lie)纹张口(kou)位(wei)移δ 随载(zai)荷循环次(ci)数(shu)N 的变化(hua).采用(yong)FEINova NanoSEM450 型场发(fa)射(she)(she)电子显微镜(SEM)观察断(duan)口(kou)形貌,利用(yong)ImageJ软件对断(duan)口(kou)的银纹纤维进(jin)行测量.采用(yong)能(neng)量色散X 射(she)(she)线检测技术(EnergydispersiveXGraydetector,EDX)对裂(lie)纹稳(wen)定扩展区颗粒的化(hua)学(xue)成分进(jin)行分析.

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(jie)果与讨论

2.1 δGN 曲线

由(you)图2(a)~(c)可知:相同R 下,当K max较大时,试(shi)验初(chu)期δ 增(zeng)(zeng)长率(lv)逐渐降低,中期δ 增(zeng)(zeng)长率(lv)趋于稳定,断裂前δ 增(zeng)(zeng)长率(lv)急(ji)剧增(zeng)(zeng)大;当K max较小(xiao)时,δ具有(you)阶(jie)梯增(zeng)(zeng)长的特征(zheng),K max越(yue)小(xiao),这种阶(jie)梯出(chu)现(xian)的次(ci)数越(yue)多,阶(jie)梯间δ 增(zeng)(zeng)长率(lv)越(yue)低,甚至出(chu)现(xian)平(ping)台,低δ

增(zeng)(zeng)长率(lv)段或(huo)平台所经历的循环周次越(yue)多;相(xiang)同R下,K max越(yue)小(xiao)疲(pi)劳寿命(ming)越(yue)长.由图(tu)2(d)可见:相(xiang)同K max下,当(dang)R 较小(xiao)时,试验初期δ 增(zeng)(zeng)长率(lv)逐渐降(jiang)低,中期δ 增(zeng)(zeng)长率(lv)趋于稳定,断裂前δ 增(zeng)(zeng)长率(lv)急剧增(zeng)(zeng)大;当R 较大时,δ 具有阶梯增长的特(te)征,R 越(yue)大即(ji)越(yue)

接近于静载荷时(shi),这种阶梯出现的次(ci)数越(yue)(yue)多,阶梯间δ 增(zeng)长(zhang)(zhang)(zhang)率越(yue)(yue)低,甚至出现平台,低δ 增(zeng)长(zhang)(zhang)(zhang)率段或平台所经历的循(xun)环周(zhou)次(ci)越(yue)(yue)多;相(xiang)同K max下,R 越(yue)(yue)大疲劳寿(shou)命越(yue)(yue)长(zhang)(zhang)(zhang).

图2 不同R 和Kmax下热熔对接接头试样的δGN 曲线

2.2 断口形貌

由(you)(you)图(tu)3和(he)(he)图(tu)4可知(zhi):试(shi)样外侧是预制(zhi)裂纹(wen)(wen)(wen)形成的(de)(de)(de)(de)(de)光滑平(ping)面,内(nei)侧为(wei)疲劳断口(kou),疲劳断口(kou)可划分为(wei)逐步扩(kuo)(kuo)展(zhan)(zhan)区、稳(wen)(wen)定(ding)扩(kuo)(kuo)展(zhan)(zhan)区和(he)(he)瞬时断裂区;随着 Kmax的(de)(de)(de)(de)(de)增大(da),逐步扩(kuo)(kuo)展(zhan)(zhan)区的(de)(de)(de)(de)(de)范围减小(xiao),稳(wen)(wen)定(ding)扩(kuo)(kuo)展(zhan)(zhan)区的(de)(de)(de)(de)(de)范围增大(da);热(re)熔对接(jie)接(jie)头 CRB试(shi)样的(de)(de)(de)(de)(de)断口(kou)比母材的(de)(de)(de)(de)(de)更加(jia)粗糙,稳(wen)(wen)定(ding)扩(kuo)(kuo)展(zhan)(zhan)区出现密集的(de)(de)(de)(de)(de)韧窝(wo).图(tu)2中δGN 曲线所(suo)揭示的(de)(de)(de)(de)(de)裂纹(wen)(wen)(wen)逐步扩(kuo)(kuo)展(zhan)(zhan)过程(cheng)在图(tu)3和(he)(he)图(tu)4中表现为(wei)明暗(an)相间的(de)(de)(de)(de)(de)环状条(tiao)纹(wen)(wen)(wen),这(zhei)是由(you)(you)于裂纹(wen)(wen)(wen)尖(jian)端(duan)的(de)(de)(de)(de)(de)应力集中导致(zhi)裂纹(wen)(wen)(wen)尖(jian)端(duan)钝化和(he)(he)银(yin)纹(wen)(wen)(wen)损伤的(de)(de)(de)(de)(de)发(fa)生,这(zhei)两种机制(zhi)相互交替构成了裂纹(wen)(wen)(wen)逐步扩(kuo)(kuo)展(zhan)(zhan)的(de)(de)(de)(de)(de)SCG 行为(wei)[9G10].由(you)(you)图(tu)5可知(zhi),银(yin)纹(wen)(wen)(wen)损伤是由(you)(you)靠(kao)近裂纹(wen)(wen)(wen)尖(jian)端(duan)连(lian)续的(de)(de)(de)(de)(de)纤维(wei)和(he)(he)充(chong)满(man)空穴的(de)(de)(de)(de)(de)连(lian)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δGN 曲(qu)线所(suo)揭(jie)示的(de)(de)(de)裂(lie)纹(wen)(wen)(wen)逐(zhu)步扩展过程在图(tu)(tu)3和图(tu)(tu)4中表(biao)现为明(ming)暗(an)相(xiang)间的(de)(de)(de)环(huan)状条纹(wen)(wen)(wen),这(zhei)是由(you)于裂(lie)纹(wen)(wen)(wen)尖(jian)(jian)端(duan)(duan)(duan)的(de)(de)(de)应(ying)力(li)集中导致裂(lie)纹(wen)(wen)(wen)尖(jian)(jian)端(duan)(duan)(duan)钝化和银(yin)纹(wen)(wen)(wen)损伤的(de)(de)(de)发生,这(zhei)两种(zhong)机制相(xiang)互交替构(gou)成(cheng)(cheng)了(le)裂(lie)纹(wen)(wen)(wen)逐(zhu)步扩展的(de)(de)(de)SCG 行为[9G10].由(you)图(tu)(tu)5可知,银(yin)纹(wen)(wen)(wen)损伤是由(you)靠(kao)近裂(lie)纹(wen)(wen)(wen)尖(jian)(jian)端(duan)(duan)(duan)连续(xu)(xu)的(de)(de)(de)纤维和充(chong)满空(kong)穴的(de)(de)(de)连续(xu)(xu)薄膜构(gou)成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de).

图5 银纹结构示意


由(you)图(tu)6可知:与1G1试样(yang)(yang)(yang)相比,1′G1试样(yang)(yang)(yang)的疲劳断(duan)口上的裂纹(wen)逐(zhu)(zhu)步(bu)扩(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)展(zhan)区(qu)与稳(wen)定扩(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)展(zhan)区(qu)之间区(qu)分明(ming)显,在(zai)(zai)逐(zhu)(zhu)步(bu)扩(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)展(zhan)区(qu)上的银(yin)(yin)纹(wen)损(sun)伤和裂纹(wen)扩(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)展(zhan)之间区(qu)分明(ming)显;逐(zhu)(zhu)步(bu)扩(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)展(zhan)区(qu)的银(yin)(yin)纹(wen)纤维被梳理拉伸效果更(geng)加显著,裂纹(wen)扩(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)展(zhan)区(qu)更(geng)加粗糙,在(zai)(zai)稳(wen)定扩(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)展(zhan)区(qu)上出现密集(ji)的韧窝.在(zai)(zai)试样(yang)(yang)(yang)1G1、1G2、1G3和1′G1、1′G2、1′G3的银(yin)(yin)纹(wen)损(sun)伤断(duan)口的扫描电镜(jing)图(tu)中(zhong),采用ImageJ软(ruan)件随机测量20根纤维的拉伸长(zhang)度(du),测量结果列(lie)于(yu)表2中(zhong).由(you)表可知:随着K max的增大,银(yin)(yin)纹(wen)纤维拉伸长(zhang)度(du)逐(zhu)(zhu)渐减小,且热熔(rong)接头试样(yang)(yang)(yang)逐(zhu)(zhu)步(bu)扩(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)展(zhan)区(qu)的银(yin)(yin)纹(wen)纤维拉伸长(zhang)度(du)小于(yu)母材试样(yang)(yang)(yang)的.由(you)图(tu)2和图(tu)6可知,银(yin)(yin)纹(wen)损(sun)伤的形成先于(yu)裂纹(wen)的稳(wen)定扩(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)展(zhan),银(yin)(yin)纹(wen)纤维被拉(la)伸(shen)(shen)(shen)后产生微观塑性变形,此(ci)过(guo)程会持(chi)续相当长时间(jian),在(zai)整个(ge)疲劳寿(shou)命中所占得比(bi)(bi)(bi)例比(bi)(bi)(bi)较(jiao)大(da)(da).通过(guo)由图6可知(zhi):与1G1试(shi)样(yang)(yang)(yang)相比(bi)(bi)(bi),1′G1试(shi)样(yang)(yang)(yang)的(de)(de)疲劳断(duan)口上(shang)的(de)(de)裂纹(wen)(wen)逐(zhu)步扩展区(qu)与稳(wen)定(ding)扩展区(qu)之间(jian)区(qu)分(fen)明显,在(zai)逐(zhu)步扩展区(qu)上(shang)的(de)(de)银(yin)(yin)(yin)纹(wen)(wen)损(sun)(sun)(sun)伤(shang)和(he)裂纹(wen)(wen)扩展之间(jian)区(qu)分(fen)明显;逐(zhu)步扩展区(qu)的(de)(de)银(yin)(yin)(yin)纹(wen)(wen)纤维被梳(shu)理拉(la)伸(shen)(shen)(shen)效果(guo)更加显著,裂纹(wen)(wen)扩展区(qu)更加粗(cu)糙,在(zai)稳(wen)定(ding)扩展区(qu)上(shang)出现密集的(de)(de)韧窝.在(zai)试(shi)样(yang)(yang)(yang)1G1、1G2、1G3和(he)1′G1、1′G2、1′G3的(de)(de)银(yin)(yin)(yin)纹(wen)(wen)损(sun)(sun)(sun)伤(shang)断(duan)口的(de)(de)扫描(miao)电镜图中,采(cai)用ImageJ软件随机(ji)测(ce)量(liang)20根纤维的(de)(de)拉(la)伸(shen)(shen)(shen)长度,测(ce)量(liang)结果(guo)列于(yu)表2中.由表可知(zhi):随着 Kmax的(de)(de)增大(da)(da),银(yin)(yin)(yin)纹(wen)(wen)纤维拉(la)伸(shen)(shen)(shen)长度逐(zhu)渐减小,且(qie)热熔接头(tou)试(shi)样(yang)(yang)(yang)逐(zhu)步扩展区(qu)的(de)(de)银(yin)(yin)(yin)纹(wen)(wen)纤维拉(la)伸(shen)(shen)(shen)长度小于(yu)母材试(shi)样(yang)(yang)(yang)的(de)(de).由图2和(he)图6可知(zhi),银(yin)(yin)(yin) 纹(wen)(wen)损(sun)(sun)(sun)伤(shang)的(de)(de)形成先于(yu)裂纹(wen)(wen)的(de)(de)稳(wen)定(ding)扩展,银(yin)(yin)(yin)纹(wen)(wen)纤维被拉伸后(hou)产(chan)生微观塑性变形,此过程会持续相当长(zhang)时(shi)间,在整 个 疲 劳 寿 命(ming) 中(zhong) 所 占 得 比 例 比 较 大(da).通 过PE100母材与(yu)热熔(rong)接(jie)头的(de)(de)(de)(de)(de) CRB试(shi)(shi)验结果(guo)的(de)(de)(de)(de)(de)对比可以发(fa)现(xian),热熔(rong)接(jie)头试(shi)(shi)样的(de)(de)(de)(de)(de)银纹(wen)(wen)纤维拉伸长度较短,导致接(jie)头的(de)(de)(de)(de)(de)抗SCG能力下(xia)降,因此其疲劳寿(shou)命(ming)明(ming)显(xian)缩(suo)短.由(you)图7可知(zhi):1G1试(shi)(shi)样的(de)(de)(de)(de)(de)稳(wen)定(ding)(ding)扩(kuo)展区呈疲劳裂纹(wen)(wen)稳(wen)定(ding)(ding)扩(kuo)展的(de)(de)(de)(de)(de)典(dian)型特征,上(shang)(shang)面存在(zai)(zai)着一些(xie)大(da)小不一的(de)(de)(de)(de)(de)颗(ke)(ke)粒(li);由(you)于热熔(rong)对接(jie)焊(han)接(jie)是在(zai)(zai)非真(zhen)空条(tiao)件下(xia)完成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de),1′G1试(shi)(shi)样稳(wen)定(ding)(ding)扩(kuo)展区焊(han)缝上(shang)(shang)不可避免地会产(chan)生(sheng)焊(han)接(jie)缺(que)陷(xian),如微(wei)气(qi)孔(kong)(kong)(kong),微(wei)气(qi)孔(kong)(kong)(kong)引发(fa)的(de)(de)(de)(de)(de)内(nei)(nei)部次(ci)生(sheng)裂纹(wen)(wen)与(yu)主裂纹(wen)(wen)叠加,加快了(le)裂纹(wen)(wen)的(de)(de)(de)(de)(de)扩(kuo)展速率,并在(zai)(zai)裂纹(wen)(wen)稳(wen)定(ding)(ding)扩(kuo)展区上(shang)(shang)表(biao)现(xian)为一系列抛物(wu)线形的(de)(de)(de)(de)(de)空心韧窝,同时其中(zhong)一部分微(wei)气(qi)孔(kong)(kong)(kong)处存在(zai)(zai)一些(xie)颗(ke)(ke)粒(li).由(you)图8可知(zhi),裂纹(wen)(wen)稳(wen)定(ding)(ding)扩(kuo)展区颗(ke)(ke)粒(li)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)钛、铝等元素(su)含量明(ming)显(xian)增加,这是由(you)于在(zai)(zai) PE 材料的(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)产(chan)过程中(zhong)需要加入(ru)含有(you)钛、铝等元素(su) 的(de)(de)(de)(de)(de) 催(cui) 化 剂[2].在(zai)(zai) 高(gao) 温 焊(han) 接(jie) 过 程 中(zhong),产(chan) 生(sheng) 的(de)(de)(de)(de)(de)微(wei) 气(qi)孔(kong)(kong)(kong)造(zao)成(cheng)了(le)试(shi)(shi)样内(nei)(nei)部材料不连续,给裂纹(wen)(wen)萌生(sheng)造(zao)成有利条件,从而导致次生裂纹(wen)的(de)形成.由(you) PE100母材(cai)及热(re)熔(rong)接(jie)(jie)头的(de) CRB试验(yan)可(ke)知(zhi),热(re)熔(rong)接(jie)(jie)头试样的(de)疲劳寿命明(ming)显(xian)缩短(duan),其主要(yao)原因为(wei)次生裂纹(wen)与(yu)主裂纹(wen)的(de)叠(die)加(jia)加(jia)快了热(re)熔(rong)接(jie)(jie)头试样的(de)裂纹(wen)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(tui)与蠕变寿命预测

相(xiang)关研究[3G7]表明,在(zai)静(jing)载(zai)(zai)(zai)荷与较大R 的(de)疲(pi)劳载(zai)(zai)(zai)荷下(xia)(xia),断裂机(ji)理基(ji)本相(xiang)似,而且通(tong)过外推得到的(de)结果与蠕变(bian)试(shi)验结果吻合良(liang)好(hao).因此,ISO18489-2015(E)允许通(tong)过CRB试(shi)验的(de)FCG 性能(neng)外推得到静(jing)载(zai)(zai)(zai)荷下(xia)(xia)材(cai)料的(de)SCG 性能(neng),即当载(zai)(zai)(zai)荷比(bi)R =1时,材(cai)料处于静(jing)载(zai)(zai)(zai)荷条(tiao)件(jian)下(xia)(xia),此时材(cai)料的(de)使(shi)用寿(shou)命为其蠕变(bian)寿(shou)命.在(zai)图9(a)所(suo)示(shi)的(de)K maxGlgtf 坐标(biao)系中绘(hui)制(zhi)不同R 下(xia)(xia)PE热(re)熔接头的(de)CRB试(shi)验失效曲线(xian),在(zai)失效曲线(xian)上分别取Kmax为0.65,0.70,0.75MPa??m1/2时的(de)数(shu)据(ju),再将所(suo)得数(shu)据(ju)按Kmax值分组绘(hui)制(zhi)在(zai)图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lgtfGR 坐标系中,并外推至 R=1,即可得(de)到静载荷下 PE 管(guan)材热熔接头的失(shi)效时间(jian),再将(jiang)图9

(b)中(zhong)R=1时的(de)数(shu)据绘制在图9(a)KmaxGlgtf 坐标系中(zhong)并进行连接,便得到静载荷下最大(da)初始应力强度(du)因子(zi)与失效时间的(de)关(guan)系.试验中(zhong)的(de) PE100热熔对(dui)接接头所允许最大(da)初始应力强度(du)因子(zi)和(he)指定使用(yong)年限的(de)关(guan)系为(wei)

捕获


式中(zhong):Y 为(wei)指定使(shi)用年限;系数31536000是以s为(wei)单位的一年时(shi)(shi)间;tf 为(wei)失效时(shi)(shi)间.由此(ci)预测可知,PE100热熔对接(jie)接(jie)头在使(shi)用寿(shou)命为(wei)50a前提下,所允(yun)许的最大(da)初始应力(li)强度因子为(wei)0.555MPa??m1/2.


4 结 论

(1)当(dang) R 相(xiang)同时,随(sui)着 Kmax的增大(da),PE100管材(cai)热(re)熔(rong)对接接头的疲(pi)劳(lao)裂(lie)纹扩展速率(lv)增大(da),疲(pi)劳(lao)寿命(ming)缩短(duan);当(dang)Kmax相(xiang)同,随(sui)着R 的增大(da),疲(pi)劳(lao)裂(lie)纹扩展速率(lv)减小,疲(pi)劳(lao)寿命(ming)延长.

(2)热熔(rong)对接(jie)接(jie)头(tou)在逐(zhu)步扩(kuo)(kuo)展(zhan)区(qu)中(zhong)的(de)(de)银纹(wen)(wen)纤维拉伸(shen)长度(du)减小,使接(jie)头(tou)的(de)(de)抗慢速裂纹(wen)(wen)扩(kuo)(kuo)展(zhan)能力(li)下降(jiang);在裂纹(wen)(wen)的(de)(de)稳定扩(kuo)(kuo)展(zhan)区(qu)中(zhong),焊接(jie)过程中(zhong)产(chan)生(sheng)的(de)(de)微气孔导致次生(sheng)裂纹(wen)(wen)的(de)(de)形成,次生(sheng)裂纹(wen)(wen)与主裂纹(wen)(wen)的(de)(de)叠加加快了热熔(rong)接(jie)头(tou)试样的(de)(de)裂纹(wen)(wen)扩(kuo)(kuo)展(zhan)速率.

(3)利用(yong)外推法确定(ding)了PE100热熔(rong)对(dui)接(jie)接(jie)头在静载下、使用(yong)寿命为50a时所允许的最(zui)大(da)初始应力(li)强(qiang)度因子为0.555MPa??m1/2.

(文章来源:材料与测试网

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