高强度钢材断裂韧度的影响因素研究

李 彬

(西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室， 成都 610500)



高强度钢材断裂韧度的影响因素研究

李 彬

(西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室， 成都 610500)

以断裂力学理论为基础，利用正交试验设计法对三点弯曲试验优化设计，选取试样厚度、试样宽度、初始裂纹长度、跨距作为试验因素，研究影响断裂韧度的主要因素及各因素影响程度的大小。结果证明，试样宽度对断裂韧度的影响最大。

断裂韧度； 影响因素； 影响程度； 三点弯曲试验； 正交设计

随着钻井工程作业环境的复杂化，常规材料已无法满足其要求，因此高强度钢材得到广泛应用。但按照传统强度理论设计制作的油管在服役过程易造成严重的断裂事故和巨大的经济损失，因此有必要以断裂力学为理论基础研究高强度钢的断裂性能，设计油管结构。材料的断裂性能主要取决于断裂韧度KIC，其是材料在平面应变状态下抵抗裂纹失稳扩展能力的度量，是材料本身的性能。影响断裂韧度的因素很多，如：试样厚度、裂纹取向、试验温度和加载速率等。正交法是统计数学的重要分支，该方法能够减少实验次数，降低试验成本，快速优化方案。本次研究利用正交法设计三点弯曲试验方案，选取4个试验因素：试样厚度B、试样宽度W、初始裂纹长度a0、跨距S，测定高强度钢断裂韧度，确定其主要影响因素及影响程度。

1 三点弯曲试验法介绍

1.1 试样要求

油管管材受尺寸限制，无法完全满足标准中对试样尺寸的要求。结合高强度钢X140套管尺寸和标准中对三点弯曲试样尺寸的比例要求，采用如图1所示的三点弯曲试样，采用线切割机制备裂纹，线切割所用的钼丝直径为0.25 mm。预制缺口的平面与试样表面相垂直，偏差在2°以内[1]。

1.2 实验步骤

本次试验采用拉伸试验机对试样进行加载，采用夹式引伸计测定试样裂纹嘴张开位移，最终得到断裂曲线和临界载荷值。操作步骤及注意事项如下：

图1 三点弯曲试样截面图

(1)在试验之前，先测量试样的厚度和宽度。沿着预期的裂纹扩展路径，在3个及其以上等间距位置处测量厚度，将测量平均值计为厚度B；试样宽度应沿厚度方向测量且测量至少3个等间距位置，将测量平均值计为宽度W。

(2)将带有预制裂纹的试样安装在试验机上，安好夹式引伸计，采用美国MTS810万能材料试验机进行连续加载，以1.0 mmmin的速率进行加载并记录载荷-施力点位移曲线F-q。

(3)用放大镜测量初始裂纹长度a0，测量精度应大于0.01 mm。沿厚度方向均匀取5处进行测量(从缺口到裂纹前缘的长度)，分别计为a1、a2、a3、a4、a5。裂纹长度a为(a2+a3+a4)3，且a2、a3、a4之间任意2个值之差不大于0.1a，a1和a5与a之差不得大于0.1a，否则试验无效。

2 断裂韧度计算

载荷-施力点位移曲线F-q如图2所示：F为试样所受的力；FQ为第一次波动的最大值，用于测定KIQ的条件值；Fd为所做直线OF与曲线的交点所对应的值；Fmax为试样所受力的最大值。直线OFd的斜率比记录曲线的线性部分OA的斜率低ΔFF的倍数。ΔFF的值应满足下述要求：

(1)对于三点弯曲试样的力F与缺口张开位移V曲线需满足ΔFF=0.05；

(2)对于三点弯曲试样的力F与施力点位移q曲线需满足ΔFF=0.04。

图2中的Ⅰ型和Ⅱ型曲线Fd之前的最大力是FQ，图2中的Ⅲ型曲线Fd=FQ。

图2 F-q曲线

三点弯曲试样的实验测量值KQ的计算公式如式(1)所示：

(1)

其中：

(2)

式中：S— 跨距，mm；

W— 试样宽度，mm；

B— 试样厚度，mm；

BN— 对于无侧槽试样BN=B，mm；

a0— 初始裂纹长度，mm；

FQ— 试验得到的最大值，kN。

若满足以下条件：

(3)

式中：RP0.2— 在试验温度下材料在垂直于裂纹平面方向0.2%对应的非比例延伸强度，MPa。

则KQ=KIC。

3 正交实验设计

3.1 正交试验设计法简介

大多数科学试验是多因素多水平的试验，但不可能也无法对每个因素每个水平一一进行实验。正交设计法能够很好的解决这个问题，其通过预选若干组试验方案，用部分试验代替全面试验，用部分试验的分析结果代替全面试验的情况[2]。虽然正交试验设计无法将各因素之间的相互作用考虑在内，但因其高效的试验方法可以快速得到最优水平组合，从而很多科研试验选用正交试验设计法来进行设计。

正交试验设计法的原则主要包括2点：(1)每个因素的各个水平都要出现，并且各水平出现的次数相同；(2)任意2列应当出现各个水平的所有可能组合，并且各组合出现的次数相同[3]。这样设计试验不仅具有很好的代表性，避免了盲目性，而且还节省了大量的物力、财力，缩短了试验时间，能尽快找到最优方案。

3.2 正交试验法设计三点弯曲试验

高强度钢油管服役工况复杂，其断裂性能的影响因素很多，本次研究通过正交实验确定影响油管断裂性能的主要因素及各因素的显著性。

3.2.1 因素水平的确定

本次试验以高强度钢X140为例，以断裂韧度KQ为指标，来确定各因素对断裂韧度的影响程度。根据式(1)可以看出，三点弯曲试验过程中，影响试验结果的因素主要包括试验的尺寸、跨距等，选取试样厚度B、试样宽度W、初始裂纹长度a0、跨距S作为本次试验研究的试验因素。试验因素水平表见表1。

3.2.2 试验方案设计

根据因素水平表可以看出：本次试验为4因素3水平试验，考虑各因素之间的交互作用，采用L9(34)正交表。试验方案如表2所示。

表1 试验因素水平表

表2 试验方案

按照设计的试验方案进行实验，计算并记录试验结果。

4 试验结果分析

对正交试验结果可用2种方法进行分析：极差分析和方差分析，本次试验选用方差分析法。对于方差分析，如果某因素水平的变化所造成的结果变化不大(在误差范围以内)，即可认为该因素水平的变化对试验结果的影响不显著；若试验结果变化较大，则认为该因素水平的变化对实验结果具有较显著的影响。方差D越大，说明因素水平的变化引起的实验结果变化越大，即该因素影响效果越显著。

计算分析方法：

(1)将各因素的每个水平的试验结果相加，分别计为K1、K2、K3。例如，a0因素下的K1表示a0因素1水平的所有试验结果相加。依次计算出各因素各水平的Ki值并记录。

(4)

(3)偏差平方和是指正交试验数据结果的分散和集中程度，一般用S2表示偏差平方和，则：

(5)

(4)计算方差D，根据方差可比较2组数据的分散和集中程度，D值越大表明影响程度越大。

(6)

(5)F检验。

(7)

表4 断裂韧度正交试验结果分析表

根据正交分析结果可以看出，影响高强度钢X140断裂韧度的主要因素为试样宽度，其次为跨距和初始裂纹长度，试样厚度的影响最小。由F值检验可知：试样宽度和跨距的影响程度显著，其他因素影响程度不太明显。

5 结 语

影响强度钢X140断裂韧度较为明显的因素主要是试样宽度和跨距，初始裂纹长度和厚度有影响但不显著。在进行强度钢断裂韧度测试时应着重注意试样宽度和跨距的影响。

[1] 金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法：GBT 21143 — 2007[S]．北京：中国标准出版社，2007:6-8.

[2] 徐仲安,王天保,李常英,等.正交试验设计法简介[J].科技情报开发与经济,2002,12(5):148-150.

[3] 萧兵.第四讲正交设计的一般应用(上)[J].农业科技通讯, 1987(4)：2-3.

Research on the Influential Factors about Fracture Toughness of High Strength Steel

LIBin

(State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation, Southwest Petroleum University,Chengdu 610500, China)

Based on the theory of fracture mechanics, the three-point bending test was optimized by the use of orthogonal design method in this paper. Four factors were selectd as experimental factors: sample thickness, sample width, the initial crack length and, span, and to determined the main factors of fracture toughness, and the extent of the four factors by experiments. The results proved that: sample width is the main factor of fracture toughness.

fracture toughness; influenciale factors; influence degree; three point bending test; orthogonal design

2015-03-02

国家自然科学基金项目“腐蚀与脉动冲击载荷共同作用下超高强度钻具疲劳损伤行为与控制机制研究”(51374177)

李彬(1990 — )，男，西南石油大学在读硕士研究生，研究方向为环境疲劳断裂。

TG115.5+7

A

1673-1980(2015)05-0108-03