[发明专利]一种确定I/III复合型疲劳裂纹扩展速率的方法

说明书

技术领域

本发明属于疲劳裂纹扩展性能的表征领域，具体涉及一种确定I/III复合型疲劳裂纹扩展速率的方法，主要应用于确定材料的疲劳裂纹扩展速率。

背景技术

套管钻井钢及钻杆钢在使用过程中，承受的载荷为I/III复合型载荷，一方面钻井套管和钻杆的主要作用是传递扭矩用于钻具的钻进(III型载荷)，二方面它们自身重量较大，其上端同时承受拉伸载荷(I型载荷)。同时油气井一般较深，它们相当于细长杆，中部不可避免存在弯曲，弯曲本身是可以折算为拉伸载荷的(I型载荷)。而且也必须注意到，拉伸型载荷和扭转型载荷的比例也是随着钻井深度、地质条件等的不断变化而改变。因此，I/III载荷的比例也是不断变化的。

I/III型加载模式下的疲劳裂纹扩展速率确定存在诸多困难，尤其是裂纹扩展路径容易改变，因此尽管早在1976年就有学者公开了III型应力强度因子的计算方法。但直到1985年Pook才开始系统研究III型疲劳裂纹扩展性能。PooK通过改变三点弯曲试样切口倾角的大小从而实现在相同的总载荷下，实现不同的I/III载荷比例，从而使得基准相对比较统一，试验结果更具有可比性。但对试验结果本身很难进行定量的描述，因为随着疲劳裂纹的扩展，裂纹扩展路径不能保持原来的路径，逐渐转变为纯I型疲劳裂纹扩展。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，确定I/III复合型疲劳裂纹扩展速率，本发明的目的在于提供一种确定I/III复合型疲劳裂纹扩展速率的方法，解决I/III复合型疲劳裂纹扩展性能的表征问题，增加了材料疲劳性能表征的方便性和多样性，在材料疲劳性能表征方面具有重要的意义；本发明具有成本低廉，方法简单，适用范围广的特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种确定I/III复合型疲劳裂纹扩展速率的方法，包括有如下步骤：

第一，准备试验材料，首先加工为修正的CT试样，为保持试样疲劳裂纹沿着最初的倾角方向扩展，在试样两边加工导槽；

第二，利用电位法测量裂纹扩展长度；

第三，确定△K_I、△K_III及△K_eq的方法

式中，P为所施加的最大载荷，kN；B_N为试样的净厚度，cm；W为试样宽度，单位为cm；a为裂纹长度，单位为cm；为受试样形状控制的参数；

其中，按下式计算：

对于I/III复合型疲劳加载，采用方法是先将ΔK_I和ΔK_III分别计算，然后利用下式获得△K_eq

其中：ΔK_I的和ΔK_III计算方法如下：

ΔK_I＝ΔK cos²β

ΔK_III＝ΔK sinβcosβ

式中,ΔK为应力强度因子幅度，MPam^1/2，；β为裂纹倾角；v为泊松比；

第四，绘制lg(da/dn)-lg(△K_eq)曲线，根据曲线确定不同△K_eq对应的的疲劳裂纹扩展速率。

本发明的有益效果是：

本发明根据试样厚度及材料力学性能确定开导槽深度，确保试样在整个疲劳裂纹扩展过程中裂纹倾角保持不变，且CT试样的净厚度满足疲劳试验标准要求；

采用本发明的方法可确定I/III复合载荷下疲劳裂纹扩展速率。本发明解决了I/III复合型疲劳裂纹扩展性能的表征问题，本发明具有成本低廉，方法简单，适用范围广等特点。从而增加了材料疲劳裂纹扩展性能表征的方便性和多样性，在材料疲劳性能表征领域具有重要的意义。

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

第一，对于完全回火马氏体套管钻井钢，首先加工修正的CT试样，试样宽度W为30mm，厚度为6mm，裂纹倾角为15°，在试样两侧各开深度为0.6mm的槽；

第二，利用电位法测量裂纹扩展长度

第三，确定△K_I、△K_III及△K_eq的方法

式中，P为所施加的最大载荷，kN；B_N为试样的净厚度，单位为cm；W为试样宽度，单位为cm；a为裂纹长度，单位为cm；为受试样形状控制的参数；

其中，按下式计算：