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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,高炳军1,富阳2

(1.河北工业大学化工学院,天(tian)津300130;2.广东(dong)省特种设备(bei)检验研(yan)究(jiu)院中山(shan)检测院,中山(shan)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(jian)词:PE100管材;热熔对接接头;抗SCG性能(neng)

中图分(fen)类号:TH145.4   文(wen)献(xian)标志码(ma):A   文(wen)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

聚乙烯(PE)管(guan)材(cai)因其(qi)诸多优良(liang)特(te)性(xing)而得到(dao)广泛的(de)(de)(de)应用[1G2].较大管(guan)径(jing)的(de)(de)(de)PE 管(guan)材(cai)多采用热熔(rong)对接(jie)方(fang)(fang)式(shi)进(jin)行(xing)连接(jie),在焊接(jie)过程中,不可(ke)(ke)避免地会产生(sheng)诸如气孔、夹杂等焊接(jie)缺陷,从而影响PE管(guan)道的(de)(de)(de)安全使用.通常认(ren)为(wei)在长期(qi)静载下PE管(guan)材(cai)的(de)(de)(de)主(zhu)要失效(xiao)形式(shi)是由蠕变(bian)(bian)裂(lie)(lie)(lie)纹(wen)(wen)萌(meng)生(sheng)(CreepCrackInitiation)和(he)蠕变(bian)(bian)裂(lie)(lie)(lie)纹(wen)(wen)扩(kuo)展(zhan)(CreepCrackGrowth,CCG)引起(qi)的(de)(de)(de)慢速(su)裂(lie)(lie)(lie)纹(wen)(wen)扩(kuo)展(zhan)(Slow Crack Growth,SCG)失效(xiao)[3G4].研究PE管(guan)材(cai)慢速(su)裂(lie)(lie)(lie)纹(wen)(wen)扩(kuo)展(zhan)行(xing)为(wei)的(de)(de)(de)传统方(fang)(fang)法(fa)(fa)(fa)主(zhu)要包(bao)括缺口管(guan)道试验(yan)(NPT)、宾夕法(fa)(fa)(fa)尼亚(ya)单(dan)边缺口试验(yan)(PENT)、全缺口拉伸蠕变(bian)(bian)试验(yan)(FNCT)等.这(zhei)些方(fang)(fang)法(fa)(fa)(fa)一般需要提高试验(yan)温(wen)度或加入表(biao)面(mian)活(huo)(huo)性(xing)剂来缩短(duan)试验(yan)时间,而裂(lie)(lie)(lie)纹(wen)(wen)圆棒(CrackedRoundBar,CRB)试验(yan)法(fa)(fa)(fa)可(ke)(ke)在室温(wen)和(he)不使用表(biao)面(mian)活(huo)(huo)性(xing)剂的(de)(de)(de)情况下进(jin)行(xing),具(ju)有试验(yan)持续时间短(duan)、试验(yan)结(jie)果与实际(ji)情况吻合良(liang)好(hao)等优点.此(ci)外(wai),CRB方(fang)(fang)法(fa)(fa)(fa)还可(ke)(ke)以利(li)用疲劳裂(lie)(lie)(lie)纹(wen)(wen)扩(kuo)展(zhan)(FatigueCrackGrowth,FCG)性(xing)能(neng)参(can)数,通过外(wai)推(tui)法(fa)(fa)(fa)得到(dao)静载荷下的(de)(de)(de)SCG 性(xing)能(neng)参(can)数.在2015年(nian),国际(ji)标(biao)准(zhun)(zhun)化(hua)组织(zhi)将CRB方(fang)(fang)法(fa)(fa)(fa)确定为(wei)测定PE管(guan)材(cai)抵抗(kang)慢速(su)裂(lie)(lie)(lie)纹(wen)(wen)扩(kuo)展(zhan)能(neng)力的(de)(de)(de)标(biao)准(zhun)(zhun)方(fang)(fang)法(fa)(fa)(fa)之一,标(biao)准(zhun)(zhun)号(hao)为(wei)ISO 18489-2015(E).国内外(wai)学者[3G8]采用CRB 方(fang)(fang)法(fa)(fa)(fa)对PE 管(guan)材(cai)进(jin)行(xing)了(le)一系(xi)列研究,但利(li)用该方(fang)(fang)法(fa)(fa)(fa)对PE 管(guan)材(cai)热熔(rong)对接(jie)接(jie)头(tou)性(xing)能(neng)的(de)(de)(de)研究鲜有报道.

为(wei)了研(yan)究(jiu)PE100管材热熔(rong)对(dui)(dui)接接头的(de)(de)抗SCG性能,作者对(dui)(dui)PE100管材热熔(rong)对(dui)(dui)接接头进行了CRB试验,探(tan)讨了应力强(qiang)度因子K 以及载荷(he)比R 对(dui)(dui)裂纹扩(kuo)展(zhan)行为(wei)和(he)疲劳寿命(ming)的(de)(de)影响,通(tong)过断口(kou)形貌观察,研(yan)究(jiu)了PE100管材热熔(rong)对(dui)(dui)接接头的(de)(de)疲劳裂纹扩(kuo)展(zhan)机(ji)制(zhi),并通(tong)过外推法得到静载荷(he)下的(de)(de)SCG 参数,进而确定指(zhi)定使用(yong)寿命(ming)下允许(xu)的(de)(de)最(zui)大(da)初始(shi)应力强(qiang)度因子,为(wei)PE100管材的(de)(de)安全(quan)使用(yong)提(ti)供依据(ju).

1 试(shi)样制备(bei)与试(shi)验方法

试验材(cai)料是由道达尔石化提供的(de)牌号为(wei)XS10的(de)PE100级注塑管材(cai),管材(cai)公称直径为(wei)250mm,标(biao)准(zhun)尺寸(cun)比(外径/壁厚)为(wei)11. 采用ABF2/GATOR250型焊(han)(han)机对PE100管材(cai)进行热熔对接(jie)(jie)焊(han)(han)接(jie)(jie),焊(han)(han)接(jie)(jie)时环境温(wen)度(du)(du)为(wei)26.5 ℃,操作电压为(wei)220V,加热板温(wen)度(du)(du)为(wei)232 ℃,加热时间(jian)为(wei)160s,冷却时间(jian)为(wei)480s.沿轴向(xiang)截取一段含热熔接(jie)(jie)头的(de)管材(cai)并制(zhi)

成圆棒,预(yu)制裂纹(wen)的方向垂直于轴(zhou)线(xian)并与热(re)熔对接面重合,预(yu)制裂纹(wen)的深度aini=1.5mm,CRB试样的几何尺寸如图1所示.

图1 CRB试样的形状与尺寸

采(cai)用凯尔测控EUMG25K20型拉扭疲劳试验机,对CRB试样(yang)施加正弦脉(mai)动载荷,频(pin)率f=2.5Hz,试验温度(du)为(wei)(wei)23 ℃.按照ISO18489-2015(E),CRB试验的试样编号和载(zai)(zai)荷(he)(he)参数见表1所示(shi),表中(zhong)R 为(wei)(wei)载(zai)(zai)荷(he)(he)比(R =Fmax/Fmin,Fmax为(wei)(wei)最大(da)(da)载(zai)(zai)荷(he)(he),Fmin为(wei)(wei)最小载(zai)(zai)荷(he)(he)),K max为(wei)(wei)最大(da)(da)初始应力强度(du)因子(zi).采用(yong)(yong)凯尔测(ce)控NSDS2100型非接触式变形(xing)测(ce)量系统记(ji)录裂纹张口位(wei)移δ 随(sui)载(zai)(zai)荷(he)(he)循环次(ci)数N 的变化(hua).采用(yong)(yong)FEINova NanoSEM450 型场发(fa)射电子(zi)显微(wei)镜(SEM)观察(cha)断口形(xing)貌,利用(yong)(yong)ImageJ软件对(dui)断口的银(yin)纹纤(xian)维(wei)进行(xing)测(ce)量.采用(yong)(yong)能量色散X 射线检测(ce)技术(shu)(EnergydispersiveXGraydetector,EDX)对(dui)裂纹稳(wen)定扩展(zhan)区颗粒的化(hua)学成分(fen)进行(xing)分(fen)析(xi).

表1 PE100管材热熔对接接头和母材CRB试验的试样

2 试(shi)验结果与讨论

2.1 δGN 曲线

由图2(a)~(c)可知:相同R 下,当K max较(jiao)(jiao)大(da)(da)时,试验(yan)初(chu)期(qi)(qi)δ 增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)长率(lv)逐渐降(jiang)低,中期(qi)(qi)δ 增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)长率(lv)趋于稳定,断裂(lie)前δ 增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)长率(lv)急剧增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da);当K max较(jiao)(jiao)小(xiao)时,δ具有(you)阶梯(ti)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)长的(de)特(te)征,K max越小(xiao),这种(zhong)阶梯(ti)出(chu)现的(de)次数越多,阶梯(ti)间δ 增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)长率(lv)越低,甚(shen)至(zhi)出(chu)现平台,低δ

增(zeng)(zeng)长(zhang)(zhang)率(lv)段(duan)或平台(tai)所经(jing)历的(de)循环周次(ci)越多;相(xiang)同R下(xia),K max越小疲(pi)劳寿命越长(zhang)(zhang).由图2(d)可见(jian):相(xiang)同K max下(xia),当R 较小时(shi),试(shi)验初期(qi)δ 增(zeng)(zeng)长(zhang)(zhang)率(lv)逐渐降(jiang)低,中期(qi)δ 增(zeng)(zeng)长(zhang)(zhang)率(lv)趋于稳定,断(duan)裂前δ 增(zeng)(zeng)长(zhang)(zhang)率(lv)急(ji)剧增(zeng)(zeng)大;当R 较大时,δ 具有阶梯(ti)增(zeng)长的特征,R 越大即(ji)越

接近(jin)于静(jing)载荷(he)时,这(zhei)种(zhong)阶(jie)梯出现的次数越(yue)(yue)多,阶(jie)梯间δ 增长率越(yue)(yue)低,甚至出现平台,低δ 增长率段或平台所经历的循环周(zhou)次越(yue)(yue)多;相(xiang)同K max下,R 越(yue)(yue)大疲劳寿(shou)命越(yue)(yue)长.

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

由图(tu)3和图(tu)4可知:试样外侧(ce)是(shi)预制裂纹(wen)(wen)(wen)形成(cheng)的(de)光滑平(ping)面,内侧(ce)为疲劳(lao)断(duan)(duan)(duan)口(kou),疲劳(lao)断(duan)(duan)(duan)口(kou)可划分为逐(zhu)(zhu)步(bu)(bu)(bu)扩展(zhan)(zhan)区(qu)(qu)、稳定扩展(zhan)(zhan)区(qu)(qu)和瞬(shun)时(shi)断(duan)(duan)(duan)裂区(qu)(qu);随着 Kmax的(de)增(zeng)大(da),逐(zhu)(zhu)步(bu)(bu)(bu)扩展(zhan)(zhan)区(qu)(qu)的(de)范围减小,稳定扩展(zhan)(zhan)区(qu)(qu)的(de)范围增(zeng)大(da);热熔对接(jie)接(jie)头 CRB试样的(de)断(duan)(duan)(duan)口(kou)比母材的(de)更(geng)加粗糙,稳定扩展(zhan)(zhan)区(qu)(qu)出现密集(ji)的(de)韧窝.图(tu)2中(zhong)δGN 曲线(xian)所揭示的(de)裂纹(wen)(wen)(wen)逐(zhu)(zhu)步(bu)(bu)(bu)扩展(zhan)(zhan)过(guo)程在图(tu)3和图(tu)4中(zhong)表现为明暗相(xiang)间的(de)环状条纹(wen)(wen)(wen),这(zhei)是(shi)由于裂纹(wen)(wen)(wen)尖端的(de)应力集(ji)中(zhong)导(dao)致裂纹(wen)(wen)(wen)尖端钝(dun)化和银纹(wen)(wen)(wen)损(sun)(sun)伤的(de)发生,这(zhei)两(liang)种(zhong)机制相(xiang)互(hu)交替构(gou)成(cheng)了裂纹(wen)(wen)(wen)逐(zhu)(zhu)步(bu)(bu)(bu)扩展(zhan)(zhan)的(de)SCG 行为[9G10].由图(tu)5可知,银纹(wen)(wen)(wen)损(sun)(sun)伤是(shi)由靠(kao)近裂纹(wen)(wen)(wen)尖端连续的(de)纤维和充满空穴的(de)连续薄(bo)膜构(gou)成(cheng)的(de).

图4 R=0.1下 PE100热熔对接接头 CRB试样的断口形貌


图2中δGN 曲线所揭示的裂纹(wen)逐步(bu)扩展过程在图3和图4中表现(xian)为明暗相间的环状条(tiao)纹(wen),这是(shi)由(you)于裂纹(wen)尖端的应力集中导(dao)致裂纹(wen)尖端钝化和银纹(wen)损伤(shang)的发生,这两种(zhong)机制(zhi)相互交(jiao)替构成(cheng)(cheng)了(le)裂纹(wen)逐步(bu)扩展的SCG 行为[9G10].由(you)图5可(ke)知,银纹(wen)损伤(shang)是(shi)由(you)靠近(jin)裂纹(wen)尖端连(lian)续的纤维和充(chong)满(man)空(kong)穴的连(lian)续薄膜构成(cheng)(cheng)的.

图5 银纹结构示意


由图6可知(zhi):与(yu)1G1试(shi)样相比,1′G1试(shi)样的(de)(de)(de)(de)(de)(de)疲(pi)劳(lao)断口(kou)上的(de)(de)(de)(de)(de)(de)裂(lie)(lie)纹(wen)(wen)(wen)(wen)逐(zhu)步扩(kuo)(kuo)展(zhan)(zhan)(zhan)区(qu)与(yu)稳(wen)定扩(kuo)(kuo)展(zhan)(zhan)(zhan)区(qu)之间(jian)区(qu)分明显(xian),在逐(zhu)步扩(kuo)(kuo)展(zhan)(zhan)(zhan)区(qu)上的(de)(de)(de)(de)(de)(de)银(yin)纹(wen)(wen)(wen)(wen)损(sun)伤(shang)和裂(lie)(lie)纹(wen)(wen)(wen)(wen)扩(kuo)(kuo)展(zhan)(zhan)(zhan)之间(jian)区(qu)分明显(xian);逐(zhu)步扩(kuo)(kuo)展(zhan)(zhan)(zhan)区(qu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)银(yin)纹(wen)(wen)(wen)(wen)纤维(wei)(wei)(wei)被(bei)梳理拉伸效果更(geng)(geng)加(jia)显(xian)著,裂(lie)(lie)纹(wen)(wen)(wen)(wen)扩(kuo)(kuo)展(zhan)(zhan)(zhan)区(qu)更(geng)(geng)加(jia)粗(cu)糙(cao),在稳(wen)定扩(kuo)(kuo)展(zhan)(zhan)(zhan)区(qu)上出现(xian)密集的(de)(de)(de)(de)(de)(de)韧窝.在试(shi)样1G1、1G2、1G3和1′G1、1′G2、1′G3的(de)(de)(de)(de)(de)(de)银(yin)纹(wen)(wen)(wen)(wen)损(sun)伤(shang)断口(kou)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)扫(sao)描电镜图中(zhong),采用ImageJ软件(jian)随(sui)机测量20根纤维(wei)(wei)(wei)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)拉伸长(zhang)度(du)(du),测量结果列于表2中(zhong).由表可知(zhi):随(sui)着K max的(de)(de)(de)(de)(de)(de)增大,银(yin)纹(wen)(wen)(wen)(wen)纤维(wei)(wei)(wei)拉伸长(zhang)度(du)(du)逐(zhu)渐减小,且(qie)热熔接头(tou)试(shi)样逐(zhu)步扩(kuo)(kuo)展(zhan)(zhan)(zhan)区(qu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)银(yin)纹(wen)(wen)(wen)(wen)纤维(wei)(wei)(wei)拉伸长(zhang)度(du)(du)小于母材(cai)试(shi)样的(de)(de)(de)(de)(de)(de).由图2和图6可知(zhi),银(yin)纹(wen)(wen)(wen)(wen)损(sun)伤(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)形成先于裂(lie)(lie)纹(wen)(wen)(wen)(wen)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)稳(wen)定扩(kuo)(kuo)展(zhan)(zhan)(zhan),银(yin)纹(wen)(wen)(wen)(wen)纤维(wei)(wei)(wei)被(bei)拉(la)(la)伸后产生微观塑性变形(xing),此过程会持续(xu)相当长(zhang)时间(jian),在(zai)整个(ge)疲(pi)劳(lao)寿命中(zhong)(zhong)所占(zhan)得(de)比(bi)例比(bi)较大.通过由图(tu)6可知(zhi):与(yu)(yu)1G1试(shi)样相比(bi),1′G1试(shi)样的疲(pi)劳(lao)断口(kou)上(shang)(shang)的裂(lie)(lie)纹逐(zhu)步(bu)(bu)扩(kuo)展(zhan)区与(yu)(yu)稳(wen)定(ding)扩(kuo)展(zhan)区之间(jian)区分明显,在(zai)逐(zhu)步(bu)(bu)扩(kuo)展(zhan)区上(shang)(shang)的银(yin)(yin)纹损(sun)伤和裂(lie)(lie)纹扩(kuo)展(zhan)之间(jian)区分明显;逐(zhu)步(bu)(bu)扩(kuo)展(zhan)区的银(yin)(yin)纹纤维(wei)被(bei)梳理拉(la)(la)伸效果更(geng)加显著,裂(lie)(lie)纹扩(kuo)展(zhan)区更(geng)加粗糙(cao),在(zai)稳(wen)定(ding)扩(kuo)展(zhan)区上(shang)(shang)出(chu)现(xian)密集的韧窝.在(zai)试(shi)样1G1、1G2、1G3和1′G1、1′G2、1′G3的银(yin)(yin)纹损(sun)伤断口(kou)的扫描电镜图(tu)中(zhong)(zhong),采用ImageJ软件随(sui)(sui)机测量(liang)(liang)20根纤维(wei)的拉(la)(la)伸长(zhang)度,测量(liang)(liang)结果列于表(biao)2中(zhong)(zhong).由表(biao)可知(zhi):随(sui)(sui)着 Kmax的增大,银(yin)(yin)纹纤维(wei)拉(la)(la)伸长(zhang)度逐(zhu)渐减小(xiao),且热熔接头试(shi)样逐(zhu)步(bu)(bu)扩(kuo)展(zhan)区的银(yin)(yin)纹纤维(wei)拉(la)(la)伸长(zhang)度小(xiao)于母材试(shi)样的.由图(tu)2和图(tu)6可知(zhi),银(yin)(yin) 纹损(sun)伤的形(xing)成先于裂(lie)(lie)纹的稳(wen)定(ding)扩(kuo)展(zhan),银(yin)(yin)纹纤维(wei)被(bei)拉伸后产生微观塑性变形,此过程会持(chi)续相当长时(shi)间,在(zai)整(zheng) 个 疲 劳 寿 命(ming) 中 所 占 得 比 例 比 较 大(da).通 过PE100母材(cai)与热熔接(jie)(jie)头(tou)的(de)(de)(de)(de)(de) CRB试(shi)验(yan)结(jie)果的(de)(de)(de)(de)(de)对比可以发现(xian),热熔接(jie)(jie)头(tou)试(shi)样的(de)(de)(de)(de)(de)银纹纤(xian)维(wei)拉伸(shen)长度较短(duan),导(dao)致接(jie)(jie)头(tou)的(de)(de)(de)(de)(de)抗(kang)SCG能力(li)下降,因此其疲劳寿(shou)命明(ming)显缩短(duan).由(you)(you)(you)图(tu)7可知:1G1试(shi)样的(de)(de)(de)(de)(de)稳(wen)定(ding)(ding)(ding)扩(kuo)展(zhan)区(qu)呈疲劳裂纹稳(wen)定(ding)(ding)(ding)扩(kuo)展(zhan)的(de)(de)(de)(de)(de)典型特征,上(shang)面(mian)存在(zai)(zai)着一(yi)些大小不一(yi)的(de)(de)(de)(de)(de)颗粒(li);由(you)(you)(you)于热熔对接(jie)(jie)焊(han)接(jie)(jie)是在(zai)(zai)非真空条件下完成的(de)(de)(de)(de)(de),1′G1试(shi)样稳(wen)定(ding)(ding)(ding)扩(kuo)展(zhan)区(qu)焊(han)缝(feng)上(shang)不可避免(mian)地会(hui)产生(sheng)(sheng)焊(han)接(jie)(jie)缺陷,如微(wei)(wei)气孔,微(wei)(wei)气孔引发的(de)(de)(de)(de)(de)内部次生(sheng)(sheng)裂纹与主(zhu)裂纹叠(die)加,加快了(le)裂纹的(de)(de)(de)(de)(de)扩(kuo)展(zhan)速率,并在(zai)(zai)裂纹稳(wen)定(ding)(ding)(ding)扩(kuo)展(zhan)区(qu)上(shang)表(biao)现(xian)为一(yi)系列抛物(wu)线形的(de)(de)(de)(de)(de)空心(xin)韧窝,同时其中一(yi)部分(fen)微(wei)(wei)气孔处存在(zai)(zai)一(yi)些颗粒(li).由(you)(you)(you)图(tu)8可知,裂纹稳(wen)定(ding)(ding)(ding)扩(kuo)展(zhan)区(qu)颗粒(li)中的(de)(de)(de)(de)(de)钛(tai)、铝等元素(su)含量明(ming)显增加,这是由(you)(you)(you)于在(zai)(zai) PE 材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)产过(guo)(guo)程中需(xu)要加入含有钛(tai)、铝等元素(su) 的(de)(de)(de)(de)(de) 催 化 剂(ji)[2].在(zai)(zai) 高 温 焊(han) 接(jie)(jie) 过(guo)(guo) 程 中,产 生(sheng)(sheng) 的(de)(de)(de)(de)(de)微(wei)(wei) 气孔造成了(le)试(shi)样内部材(cai)料(liao)不连(lian)续,给(ji)裂纹萌(meng)生(sheng)(sheng)造成(cheng)有利条件,从(cong)而导致次(ci)生(sheng)裂纹(wen)的(de)(de)形成(cheng).由 PE100母材及热(re)(re)熔接头的(de)(de) CRB试验可知,热(re)(re)熔接头试样(yang)的(de)(de)疲劳寿命明显(xian)缩(suo)短,其主要(yao)原因为次(ci)生(sheng)裂纹(wen)与主裂纹(wen)的(de)(de)叠加(jia)加(jia)快了热(re)(re)熔接头试样(yang)的(de)(de)裂纹(wen)扩展(zhan)速度.

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

相关研究(jiu)[3G7]表明(ming),在静载荷(he)(he)(he)与较大R 的(de)(de)(de)疲(pi)劳载荷(he)(he)(he)下(xia),断裂机理基本相似,而且通(tong)过外推得(de)(de)到(dao)的(de)(de)(de)结(jie)果(guo)与蠕变试(shi)验(yan)(yan)结(jie)果(guo)吻合良好.因此,ISO18489-2015(E)允许通(tong)过CRB试(shi)验(yan)(yan)的(de)(de)(de)FCG 性(xing)(xing)能外推得(de)(de)到(dao)静载荷(he)(he)(he)下(xia)材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)SCG 性(xing)(xing)能,即当载荷(he)(he)(he)比R =1时(shi)(shi),材(cai)料(liao)处于(yu)静载荷(he)(he)(he)条件下(xia),此时(shi)(shi)材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)使用(yong)寿(shou)命(ming)为其蠕变寿(shou)命(ming).在图9(a)所示(shi)的(de)(de)(de)K maxGlgtf 坐标(biao)系(xi)中绘制(zhi)不同R 下(xia)PE热熔接头的(de)(de)(de)CRB试(shi)验(yan)(yan)失(shi)效曲线,在失(shi)效曲线上分(fen)别取Kmax为0.65,0.70,0.75MPa??m1/2时(shi)(shi)的(de)(de)(de)数据,再将所得(de)(de)数据按(an)Kmax值分(fen)组(zu)绘制(zhi)在图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(zuo)标系中(zhong),并外(wai)推至 R=1,即可得到静载荷(he)下 PE 管材热熔接头(tou)的失效时间(jian),再将图9

(b)中R=1时(shi)(shi)的(de)数(shu)据绘制在(zai)图9(a)KmaxGlgtf 坐标(biao)系(xi)中并进行连接,便得到静载荷下最大初始应力(li)强度因(yin)子(zi)与失(shi)效时(shi)(shi)间的(de)关系(xi).试验(yan)中的(de) PE100热熔对(dui)接接头所允(yun)许最大初始应力(li)强度因(yin)子(zi)和(he)指定使用年限的(de)关系(xi)为

捕获


式中:Y 为(wei)指(zhi)定使用(yong)年限(xian);系数31536000是以s为(wei)单(dan)位(wei)的一年时间;tf 为(wei)失效时间.由(you)此预测可知(zhi),PE100热熔对接接头在使用(yong)寿命为(wei)50a前(qian)提下,所允(yun)许的最大初始应力强度因(yin)子为(wei)0.555MPa??m1/2.


4 结 论

(1)当 R 相(xiang)同时,随(sui)(sui)着 Kmax的增(zeng)大(da)(da),PE100管材热熔对接接头的疲(pi)劳(lao)(lao)裂(lie)纹扩(kuo)展速率增(zeng)大(da)(da),疲(pi)劳(lao)(lao)寿命缩短(duan);当Kmax相(xiang)同,随(sui)(sui)着R 的增(zeng)大(da)(da),疲(pi)劳(lao)(lao)裂(lie)纹扩(kuo)展速率减小(xiao),疲(pi)劳(lao)(lao)寿命延长.

(2)热熔对接接头在逐(zhu)步(bu)扩展(zhan)(zhan)区(qu)中(zhong)的(de)银(yin)纹(wen)(wen)纤(xian)维拉伸长度减小,使接头的(de)抗慢速(su)裂(lie)纹(wen)(wen)扩展(zhan)(zhan)能力下降;在裂(lie)纹(wen)(wen)的(de)稳定扩展(zhan)(zhan)区(qu)中(zhong),焊接过程中(zhong)产生的(de)微气孔导致次生裂(lie)纹(wen)(wen)的(de)形成,次生裂(lie)纹(wen)(wen)与主裂(lie)纹(wen)(wen)的(de)叠加加快了热熔接头试样的(de)裂(lie)纹(wen)(wen)扩展(zhan)(zhan)速(su)率.

(3)利用外推法确定(ding)了PE100热熔对接接头在静(jing)载下、使(shi)用寿命(ming)为50a时所(suo)允许的最大(da)初始应力强度因(yin)子为0.555MPa??m1/2.

(文章来源:材料与测试网

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