基本介紹
- 中文名：試樣取向
- 外文名：orientation of test specimen
- 評定：工程結構的安全設計
原理,HTP管線試樣取向與衝擊韌性的相關性,衝擊試樣的斷口分析,衝擊荷載、試樣取向和溫度之間的關係,試樣取向對複合材料斷裂韌性的影響,L-R和R-L取向的斷裂韌性,L-R和C-R取向的斷裂韌性,
原理
高分子的試樣取向方式使高分子聚合物在各個方向上呈現相同的品質，即各向同性性質。高分子鏈段也可能沿某些方向規整地周期性排列，從而形成高分子晶體。在一些條件下，如外力，流動等，相當數量的高分子鏈段會平行指向同一方向，由此形成的高分子聚集態結構被稱作取向態結構。高分子鏈段平行地向同一方向排列的現象叫做高分子聚合物的試樣取向。
HTP管線試樣取向與衝擊韌性的相關性
實驗結果表明，14.3mmHTP管線鋼帶具有嚴重的各向異性現象，平行於軋制方向的試樣在同一溫度下衝擊功明顯高於45。和垂直於軋制方向衝擊功，出現分層裂紋的傾向最大。分層裂紋主要是試樣中條狀缺陷所致，受位錯組態影響，有確定的方向性，與溫度有關。
衝擊試樣的斷口分析
由於試驗環境溫度不同以及試樣的取向不同，衝擊試樣破壞斷口的巨觀圖像呈現明顯的不同。無論試樣沿何種方向取樣，衝擊試樣斷口均出現分層現象。不同取向產生的分層裂紋傾向和出現分層裂紋的溫度區間不同，縱向試樣在20-80℃的溫度區間均出現分層裂紋，橫向試樣出現的區間為0～-40℃，45。方向試樣出現分層裂紋的溫度區間為20～-40℃。衝擊試樣斷口的分層裂紋都垂直於缺口，由此說明，HTP管線鋼板在軋制過程中產生了嚴重的各向異性現象。研究表明，分層裂紋的起因是夾雜物、偏析、帶狀顯微組織和織構等，在熱軋卷板中這些缺陷均呈平行於鋼板的軋制方向。
在垂直於缺於缺陷方向的應力作用下，這些缺陷的尖部產生非常高的集中應力，使得缺口根部附近產生分層裂紋，同時，由於分層裂紋的主裂紋擴展方向與軋制方向的角度不同，裂紋擴展阻力不同，平行於軋制方向試樣出現分層裂紋的傾向最大。其次是45。方向，而橫向取樣時，分層裂紋的擴展於軋制方向垂直，裂紋表面因撕裂擴展所吸收的能量較大，擴展阻力大，故產生分層裂紋傾向最小。
衝擊荷載、試樣取向和溫度之間的關係
無論試樣取向如何，隨著溫度的降低，3個取向的衝擊功均下降，衝擊韌性下降，這符合TMCP工藝下X70鋼衝擊性能和溫度的關係；其中-80～-40℃時的升幅較大，表現出試樣對低溫的敏感性很大。對比不同取向試樣得：平行於軋制方向和45。方向的衝擊功曲線均衝擊了明顯的上升上台階能，而垂直於軋制方向則未出現；同時前兩者的衝擊功也高於後者。平行於軋制方向的試樣在同一溫度下的衝擊功明顯高於其他取向。在試驗溫度較高如20℃時，根據斷口的分析，分層裂紋對試樣的衝擊韌性影響較大，。平行於軋制方向的試樣易於在缺口根部產生分層裂紋，該分層裂紋阻止了缺口裂紋的擴展，裂紋的擴展需要較高的能量，因此，衝擊功（CVN）較大。隨著試驗溫度的降低，材料的脆性增加，垂直於斷口處的分層裂紋數量減少，試樣的衝擊韌性減小，-80℃時，45。方向和垂直軋制方向的試樣斷口基本為放射區，缺口附近裂紋較少，因此CVN較小。
試樣取向對複合材料斷裂韌性的影響
L-R取向的緊湊拉伸試樣的KIC明顯高於R-L取向和C-R取向。斷口形貌觀察表明：L-R取向的複合材料試樣，斷裂以SiC顆粒解理開裂為主，較少出現大面積的基體合金撕裂，沒有出現SiCp/基體合金界面脫粘的現象。SiC顆粒的大量斷裂以及高的界面結合強度會引起複合材料斷裂韌性的提高。
L-R和R-L取向的斷裂韌性
選取厚度B=15mm，按L-R，R-L取向加工T4態試樣，然後進行斷裂韌性測試。可以看出，幾乎所有試樣都無法獲得有效的KIC值，這是因為在測試過程中，除RL-2外的所有試樣，均不能滿足 KIC有效性判據中的B≥2.5(Kq/σy)2。
通常，在斷裂韌性試驗中 理論上考慮的是自然裂紋，寬度僅1μm左右。而實驗中試樣的人工切口大於自然裂紋，由此產生的應力集中程度小得多，使KIC的實測值偏大，並隨切口寬度的增大而增大，稱為 “切口鈍化效應 ”。試驗所用的緊湊拉伸試樣，是用人工切口代替疲勞裂紋的，切口寬度0.3～0.4mm。切口寬度偏大導致測得的Kq值偏高。這是造成判據無法生效的另一因素。
根據國標GB4161-84，當試樣尺寸比B/W≥0.40且斷裂韌性試驗中的Pmax/Pq≤1.10時，無效的Kq可以視為有意義的斷裂韌度。試驗中全部試樣皆滿足條件。所以，即便測出的Kq無法作為用於表征材料性能的有效KIC，也可作為有意義的參數用來比對。L-R取向的試樣，Kq均值明顯高於R-L取向。說明相比R-L取向，L-R取向的試樣具有更高的斷裂韌度。
通過對R-L取向 、 L-R取向的試樣斷口進行SEM對比分析可知：兩者的微觀斷面上均出現了大量韌窩，韌窩大小和深淺不一，分布較均勻；存在較大的孔洞和裂紋。韌窩主要有兩種存在方式：一種是與SiC顆粒關係緊密的韌窩，尺寸稍大，它們中的一部分不包含SiC顆粒，位於SiC顆粒周邊，另一 部分則將SiC顆粒包圍在其中，說明並非每個韌窩都包含第二相粒子的，因為粒子分布在兩個匹配斷口上。另一種是大量分布於第一種韌窩之間的尺寸較小的一些韌窩 (10μm左右 )。
L-R和C-R取向的斷裂韌性
對L-R取向和C-R取向的緊湊拉伸試樣進行斷裂韌性測試。結果表明：L-R取向的試樣，其KIC要明顯高於C-R取向的試樣。
L-R取向時，試樣在斷裂韌性試驗中受沿擠壓方向 (棒材軸向 )的拉伸載荷作用直至斷裂；C-R取向時，試樣在試驗中受垂直於擠壓方向 (棒材徑向 )的拉伸載荷作用直至斷裂。不難看出，複合材料沿擠壓方向 (棒材軸向 )的性能優於垂直於擠壓方向(棒材徑向 )，而斷裂韌度KIC通常是材料強度和塑性的綜合性能。所以L-R取向的試樣的KIC明顯高於C-R取向。
另外，試樣採用L-R取向 時裂紋擴展面 垂直於熱擠壓方向，這種情況下將有利於更多的SiC顆粒參與到斷裂過程之中，這是引起複合材料L-R取向的KIC高於C-R取向的又一原因。
複合材料沿擠壓方向 (棒材軸向 )的強度性能要優於垂直於擠壓方向 (棒材徑向 )的 ,對於L-R取向的試樣，SiC顆粒起到了約束基體變形的作用並產生較大的應力集中，這時首先 發生SiC顆粒開裂，裂紋再在基體合金中擴展。而多的SiC顆粒破裂又會起到阻礙基體合金中裂紋擴展的作用，引起斷裂韌性的提高。另外，L-R取向的試樣界面結合良好，說明材料具有好的界面結合。較強的顆粒/基體結合可以使界面開裂時間推遲，提高複合材料的斷裂韌性。
