CN102645385A - 一种不同参数对材料疲劳裂纹扩展性能影响的检测方法 - Google Patents
一种不同参数对材料疲劳裂纹扩展性能影响的检测方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种不同参数对材料疲劳裂纹扩展性能影响的检测方法，包括如下步骤：第一，根据标准加工试样，采用紧凑拉伸试样；第二，根据标准试验方法将试样夹持在疲劳试验机上，裂纹长度由微机辅助电位法监测，电位函数由边界元法计算给出；第三，根据不同检测试样施加不同试验参数；第四，处理试验数据，比较试验结果，具有检测效率高、成本低，检测精确的特点。
Description
技术领域
本发明属于涉及材料的疲劳裂纹扩展性能检测技术领域，具体涉及一种不同参数对材料疲劳裂纹扩展性能影响的检测方法。
背景技术
套管钻井技术作为一种新的经济的钻井方式，已经改变了传统的作业方式，因此对材料提出了既不同于过去固井用套管的性能要求，也不同于过去钻井用钻杆的性能要求。除了承受静态载荷，要求材料具有较高屈服强度和抗拉强度的同时必须承受动态载荷，要求必须具有足够高的抗疲劳裂纹扩展能力，尤其对于某些地质结构多变的环境，如岩石、粘土层等等。通常为了工程设计，需要测试材料疲劳裂纹扩展性能参数。但众所周知，在相同试验条件下，不同试样的的试验结果分散性很大，影响因素包括不同试样尺寸偏差带来的影响的，试样夹持位置差异造成的影响。通常为了消除各种因素的影响，采用多组试样取其平均值，这不但浪费了试样，浪费了时间，占用了试验机时，而且也不能保证试验结果真实地反映试验参数对疲劳裂纹扩展性能的影响。
本发明主要就是解决了这个问题，实现了单个试样、更低成本、准确测试相同材料相同参数下的疲劳裂纹扩展性能。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种不同参数对材料疲劳裂纹扩展性能影响的检测方法，单个试样、更低成本、准确测试相同材料相同参数下的疲劳裂纹扩展性能，最大的特点是成本低，准确度高。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种不同参数对材料疲劳裂纹扩展性能影响的检测方法，包括有如下步骤：
第一，根据标准加工试样，采用紧凑拉伸试样，试样厚度B为1～20mm，宽度W为30～100mm，切口采用线切割方式加工，预裂长度为1.5～4.5mm；
第二，根据标准试验方法将试样夹持在疲劳试验机上，试验机型号为PLD-100型液压伺服疲劳试验机，裂纹长度由微机辅助电位法监测，电位函数由边界元法计算给出；
第三，根据不同检测试样施加不同试验参数；
第四，处理试验数据，比较试验结果；根据电脑采集到的数据：包括裂纹扩展的长度和对应的加载次数，然后计算不同裂纹长度处的裂纹扩展速率，对于降载和升载过程，采用割线法计算裂纹扩展速率；对于恒载实验过程，采用七点递增多项式计算裂纹扩展速率，并根据裂纹长度及载荷等参数计算应力强度因子幅度，计算应力强度因子幅度的公式为：
△K＝K max－K min
式中：
△K为应力强度因子幅度MPa·m1/2；
K max和K min分别为最大和最小应力强度因子幅值MPa·m1/2；
应力强度因子K通过下式计算：
式中：
P为所施加的最大载荷kN；
B为试样的厚度mm；
W为试样的宽度mm；
式中：
f（a/W）为修正函数；
a 为裂纹长度mm；
w为试样的宽度mm；
然后将不同参数下所检测到的数据（da/dN和△K）绘制在同一双对数坐标系中（lg(da/dN)-lg(△K)），进行对比分析。
本发明的有益效果是：
与现有技术相比，采用本发明能实现单个试样、更低成本、准确测试相同材料相同参数下的疲劳裂纹扩展性能，保证了试验结果真实地反映试验参数对疲劳裂纹扩展性能的影响，具有检测效率高、精确的特点。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例一
对于一种套管钻井钢K55，测试不同应力比对其Paris常数的影响，包括有如下步骤：
第一，根据标准加工试样，采用紧凑拉伸试样，试样厚度B＝4.8mm，宽度W＝30mm，切口采用线切割方式加工，预裂长度为2mm；
第二，根据标准试验方法将试样夹持在疲劳试验机上，试验机型号为PLD-100型液压伺服疲劳试验机，裂纹长度由微机辅助电位法监测，电位函数由边界元法计算给出；
第三，设置试验温度为室温，频率为10Hz，加载波形为正弦波型，载荷为1.4kN，试验应力比R＝P min/P max，分别为：0.1、0.3、0.5、0.7，检测顺序依次为应力比0.1→0.3→0.5→0.7，根据韧带长度15mm，预裂纹长度1.5mm，失稳断裂长度预留5.5mm，每一种应力比下的裂纹扩展长度为2mm；
第四，处理试验数据，比较试验结果；
根据电脑采集到的数据：包括裂纹扩展的长度和对应的加载次数，然后采用七点递增多项式计算不同裂纹长度处的裂纹扩展速率，并根据裂纹长度及载荷等参数计算应力强度因子幅度，计算应力强度因子幅度的公式为：
△K＝K max－K min
式中：
△K为应力强度因子幅度MPa·m1/2；
K max和K min分别为最大和最小应力强度因子幅值MPa·m1/2；
应力强度因子K通过下式计算：
式中：
P为所施加的最大载荷kN；
B为试样的厚度mm；
W为试样的宽度mm；
式中：
f（a/W）为修正函数；
a 为裂纹长度mm；
w为试样的宽度mm；
然后将不同应力比下所检测到的数据（da/dN和△K）绘制在同一双对数坐标系中（lg(da/dN)-lg(△K)），进行对比分析。
所获得的Paris常数 m和C 如下：
| 应力比 | 0.1 | 0.3 | 0.5 | 0.7 |
| m | 3.43265 | 3.3621 | 3.4128 | 3.4237 |
| C (×10-13) | 6.5 | 18 | 22 | 25 |
*m 是无单位常数；C的单位是[m][cycle-1][(MPam1/2) -m
该方法实现了通过一个试样完成四种不同应力比的对疲劳裂纹扩展Paris区Paris常数的确定任务。与传统方法相比不但节约了试样和机时，而且数据准确，利用本技术，随着应力比的增加，曲线单调向左上移动，而多试样试验则不同，尽管多个试样数据取平均时，曲线单调向左上移动，但其中有一个违背该规律。
实施例二
第一，根据标准加工试样，采用紧凑拉伸试样，试样厚度B＝4.8mm，宽度W＝30mm，切口采用线切割方式加工，预裂长度为2mm；
第二，根据标准试验方法将试样夹持在疲劳试验机上，试验机型号为PLD-100型液压伺服疲劳试验机，裂纹长度由微机辅助电位法监测，电位函数由边界元法计算给出；
第三，设置试验温度为室温，加载波形为正弦波型，载荷为1.4kN，试验应力比R为0.1，频率为10Hz，2Hz，0.4Hz ，检测顺序依次为频率0.4Hz→2Hz→10Hz，根据韧带长度15mm，预裂纹长度2mm，失稳断裂长度预留7mm，每一种频率下的裂纹扩展长度为2mm；
第四，处理试验数据，比较试验结果；
根据电脑采集到的数据：包括裂纹扩展的长度和对应的加载次数，然后采用七点递增多项式计算不同裂纹长度处的裂纹扩展速率，并根据裂纹长度及载荷等参数计算应力强度因子幅度，计算应力强度因子幅度的公式为：
△K＝K max－K min
式中：
△K为应力强度因子幅度MPa·m1/2；
K max和K min分别为最大和最小应力强度因子幅值MPa·m1/2；
应力强度因子K通过下式计算：
式中：
P为所施加的最大载荷kN；
B为试样的厚度mm；
W为试样的宽度mm；
为修正函数；
式中：
f（a/W）为修正函数；
a 为裂纹长度mm；
w为试样的宽度mm；
然后将不同频率下所检测到的数据（da/dN和△K）绘制在同一双对数坐标系中（lg(da/dN)-lg(△K)），进行对比分析。
所获得的Paris常数 m和C 如下：
| 频率 | 0.4 | 2 | 10 |
| m | 3.193 | 3.186 | 3.164 |
| C (×10-12) | 1.95 | 1.91 | 1.62 |
*m 是无单位常数；C的单位是[m][cycle-1][(MPam1/2) -m ]
该方法实现了通过一个试样完成三种不同频率对疲劳裂纹扩展Paris区Paris常数的确定任务。与传统方法相比不但节约了试样和机时，而且数据准确，利用本技术，随着频率的增加，曲线单调向右下移动，而多试样试验则不同，尽管多个试样数据取平均时，曲线单调向右下移动，但其中有两个违背该规律。
实施例三
对于一种套管钻井钢P110，测试不同应力比对其门槛值的影响，包括有如下步骤：
第一，根据标准加工试样，采用紧凑拉伸试样，试样厚度B＝4.8mm，宽度W＝30mm，切口采用线切割方式加工，预裂长度为2mm；
第二，根据标准试验方法将试样夹持在疲劳试验机上，试验机型号为PLD-100型液压伺服疲劳试验机，裂纹长度由微机辅助电位法监测，电位函数由边界元法计算给出；
第三，根据不同研究对象施加不同试验参数，试验温度为室温，加载波形为正弦波型，频率为10Hz ，试验应力比R＝P min/P max，分别为：0.1、0.3、0.5、0.7，检测顺序依次为应力比0.1→0.3→0.5→0.7，疲劳裂纹门槛值的确定采用降载法，每一种应力比下，载荷都是从1.4kN开始逐级降载，分级降载百分比保持在5%，同时保证每级载荷下裂纹扩展量是上一级载荷下塑性区尺寸的4-6倍，直到疲劳循环1×106次裂纹不发生0.1mm扩展为止，对应的△K即为对应的裂纹扩展门槛值；根据韧带长度15mm，预裂纹长度1.5mm，失稳断裂长度预留5.5mm，每一种应力比下的裂纹扩展长度为2mm；
第四，处理试验数据，比较试验结果；
根据电脑采集到的数据：包括裂纹扩展的长度和对应的加载次数，然后采用采用割线法计算不同裂纹长度处的裂纹扩展速率，并根据裂纹长度及载荷等参数计算应力强度因子幅度，计算应力强度因子幅度的公式为：
△K＝K max－K min
式中：
△K为应力强度因子幅度MPa·m1/2；
K max和K min分别为最大和最小应力强度因子幅值MPa·m1/2；
应力强度因子K通过下式计算：
式中：
P为所施加的最大载荷kN；
B为试样的厚度mm；
W为试样的宽度mm；
式中：
f（a/W）为修正函数；
a 为裂纹长度mm；
w为试样的宽度mm；
然后将不同应力比下所检测到的数据（da/dN和△K）绘制在同一双对数坐标系中（lg(da/dN)-lg(△K)），进行对比分析；获得的疲劳裂纹扩展门槛值如下：
对于应力比为0.1、0.3、0.5、0.7，所对应的门槛值分别为：7.05、5.44、 4.03 、2.98。
该方法实现了通过一个试样完成四种不同应力比下疲劳裂纹扩展门槛值的确定任务，与传统方法相比节约了试样和机时。
Claims (4)
1.一种不同参数对材料疲劳裂纹扩展性能影响的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一，根据标准加工试样，采用紧凑拉伸试样，试样厚度B为1～20mm，宽度W为30～100mm，切口采用线切割方式加工，预裂长度为1.5～4.5mm；
第二，根据标准试验方法将试样夹持在疲劳试验机上，裂纹长度由微机辅助电位法监测，电位函数由边界元法计算给出；
第三，根据不同检测目的施加不同试验参数，利用韧带尺寸减去预裂长度及失稳断裂预留长度，然后将剩余尺寸根据根据参数变化数量均分；
第四，处理试验数据，比较试验结果；根据电脑采集到的数据：包括裂纹扩展的长度和对应的加载次数，然后计算不同裂纹长度处的裂纹扩展速率，对于降载和升载过程，采用割线法计算裂纹扩展速率；对于恒载实验过程，采用七点递增多项式计算裂纹扩展速率，并根据裂纹长度及载荷等参数计算应力强度因子幅度，计算应力强度因子幅度的公式为：
△K＝K max－K min
式中：
△K为应力强度因子幅度MPa·m1/2；
K max和K min分别为最大和最小应力强度因子幅值MPa·m1/2；
应力强度因子K通过下式计算：
式中：
P为所施加的最大载荷kN；
B为试样的厚度mm；
W为试样的宽度mm；
为修正函数；
式中：
f（a/W）为修正函数；
a 为裂纹长度mm；
w为试样的宽度mm；
然后将不同参数下所检测到的数据（da/dN和△K）绘制在同一双对数坐标系中（lg(da/dN)-lg(△K)），进行对比分析。
2.根据权利要求1所述的一种不同参数对材料疲劳裂纹扩展性能影响的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一，根据标准加工试样，采用紧凑拉伸试样，试样厚度B＝4.8mm，宽度W＝30mm，切口采用线切割方式加工，预裂长度为2mm；
第二，根据标准试验方法将试样夹持在疲劳试验机上，试验机型号为PLD-100型液压伺服疲劳试验机，裂纹长度由微机辅助电位法监测，电位函数由边界元法计算给出；
第三，设置试验温度为室温，频率为10Hz，加载波形为正弦波型，载荷为1.4kN，试验应力比R＝P min/P max，分别为：0.1、0.3、0.5、0.7，检测顺序依次为应力比0.1→0.3→0.5→0.7，根据韧带长度15mm，预裂纹长度1.5mm，失稳断裂长度预留5.5mm，每一种应力比下的裂纹扩展长度为2mm；
第四，处理试验数据，比较试验结果；
根据电脑采集到的数据：包括裂纹扩展的长度和对应的加载次数，然后采用七点递增多项式计算不同裂纹长度处的裂纹扩展速率，并根据裂纹长度及载荷等参数计算应力强度因子幅度，计算应力强度因子幅度的公式为：
△K＝K max－K min
式中：
△K为应力强度因子幅度MPa·m1/2；
K max和K min分别为最大和最小应力强度因子幅值MPa·m1/2；
应力强度因子K通过下式计算:
式中：
P为所施加的最大载荷kN；
B为试样的厚度mm；
W为试样的宽度mm；
式中：
f（a/W）为修正函数；
a 为裂纹长度mm；
w为试样的宽度mm；
然后将不同应力比下所检测到的数据（da/dN和△K）绘制在同一双对数坐标系中（lg(da/dN)-lg(△K)），进行对比分析；所获得的Paris常数 m和C 如下：应力比为0.1时，m为3.43265，C为6.5；应力比为0.3时，m为3.3621，C为18；应力比为0.5时，m为3.4128，C为22；应力比为0.7时，m为3.4237，C为25；
m 是无单位常数；C的单位是[m][cycle-1][(MPam1/2) -m ]；
该方法实现了通过一个试样完成四种不同应力比的对疲劳裂纹扩展Paris区Paris常数的确定任务。
3.根据权利要求1所述的一种不同参数对材料疲劳裂纹扩展性能影响的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一，根据标准加工试样，采用紧凑拉伸试样，试样厚度B＝4.8mm，宽度W＝30mm，切口采用线切割方式加工，预裂长度为2mm；
第二，根据标准试验方法将试样夹持在疲劳试验机上，试验机型号为PLD-100型液压伺服疲劳试验机，裂纹长度由微机辅助电位法监测，电位函数由边界元法计算给出；
第三，设置试验温度为室温，加载波形为正弦波型，载荷为1.4kN，试验应力比R为0.1，频率为10Hz，2Hz，0.4Hz，检测顺序依次为频率0.4Hz→2Hz→10Hz，根据韧带长度15mm，预裂纹长度2mm，失稳断裂长度预留7mm，每一种频率下的裂纹扩展长度为2mm；
第四，处理试验数据，比较试验结果；
根据电脑采集到的数据：包括裂纹扩展的长度和对应的加载次数，然后采用七点递增多项式计算不同裂纹长度处的裂纹扩展速率，并根据裂纹长度及载荷等参数计算应力强度因子幅度，计算应力强度因子幅度的公式为：
△K＝K max－K min
式中：
△K为应力强度因子幅度MPa·m1/2；
K max和K min分别为最大和最小应力强度因子幅值MPa·m1/2;
应力强度因子K通过下式计算
式中：
P为所施加的最大载荷kN；
B为试样的厚度mm；
W为试样的宽度mm；
式中：
f（a/W）为修正函数；
a 为裂纹长度mm；
w为试样的宽度mm；
然后将不同频率下所检测到的数据（da/dN和△K）绘制在同一双对数坐标系中（lg(da/dN)-lg(△K)），进行对比分析；所获得的Paris常数 m和C 如下：频率为0.4时，m为3.193，C为1.95；频率为2时，m为3.186，C为1.91；频率为10时，m为3.164，C为1.62；
m 是无单位常数；C的单位是[m][cycle-1][(MPam1/2) -m ]
该方法实现了通过一个试样完成三种不同频率对疲劳裂纹扩展Paris区Paris常数的确定任务。
4.根据权利要求1所述的一种不同参数对材料疲劳裂纹扩展性能影响的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一，根据标准加工试样，采用紧凑拉伸试样，试样厚度B＝4.8mm，宽度W＝30mm，切口采用线切割方式加工，预裂长度为2mm；
第二，根据标准试验方法将试样夹持在疲劳试验机上，试验机型号为PLD-100型液压伺服疲劳试验机，裂纹长度由微机辅助电位法监测，电位函数由边界元法计算给出；
第三，根据不同研究对象施加不同试验参数，试验温度为室温，加载波形为正弦波型，频率为10Hz ，试验应力比R＝P min/P max，分别为：0.1、0.3、0.5、0.7，检测顺序依次为应力比0.1→0.3→0.5→0.7，疲劳裂纹门槛值的确定采用降载法，每一种应力比下，载荷都是从1.4kN开始逐级降载，分级降载百分比保持在5%，同时保证每级载荷下裂纹扩展量是上一级载荷下塑性区尺寸的4-6倍，直到疲劳循环1×106次裂纹不发生0.1mm扩展为止，对应的△K即为对应的裂纹扩展门槛值；根据韧带长度15mm，预裂纹长度1.5mm，失稳断裂长度预留5.5mm，每一种应力比下的裂纹扩展长度为2mm；
第四，处理试验数据，比较试验结果；
根据电脑采集到的数据：包括裂纹扩展的长度和对应的加载次数，然后采用采用割线法计算不同裂纹长度处的裂纹扩展速率，并根据裂纹长度及载荷等参数计算应力强度因子幅度，计算应力强度因子幅度的公式为：
△K＝K max－K min
式中：
△K为应力强度因子幅度MPa·m1/2；
K max和K min分别为最大和最小应力强度因子幅值MPa·m1/2；
应力强度因子K通过下式计算：
式中：
P为所施加的最大载荷kN；
B为试样的厚度mm；
W为试样的宽度mm；
式中：
f（a/W）为修正函数；
a 为裂纹长度mm；
w为试样的宽度mm；
然后将不同应力比下所检测到的数据（da/dN和△K）绘制在同一双对数坐标系中（lg(da/dN)-lg(△K)），进行对比分析；获得的疲劳裂纹扩展门槛值如下：
对于应力比为0.1、0.3、0.5、0.7，所对应的门槛值分别为：7.05、5.44、 4.03 、2.98；
该方法实现了通过一个试样完成四种不同应力比下疲劳裂纹扩展门槛值的确定任务。
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