试样取向

工程结构的安全设计

试样取向是管线设计和安全评定主要使用平面应变冲击韧性、平面应变断裂韧性作为材料破坏的指标，也是工程结构的安全设计和评定都是依据现有规范和材料实验标准，利用实验室获得的标准试样材料性能数据进行的。在远距离天然气、石油管道输送过程中，管道的安全性具有重要意义。

原理

高分子的试样取向方式使高分子聚合物在各个方向上呈现相同的品质，即各向同性性质。高分子链段也可能沿某些方向规整地周期性排列，从而形成高分子晶体。在一些条件下，如外力，流动等，相当数量的高分子链段会平行指向同一方向，由此形成的高分子聚集态结构被称作取向态结构。高分子链段平行地向同一方向排列的现象叫做高分子聚合物的试样取向。

HTP管线试样取向与冲击韧性的相关性

实验结果表明，14.3mmHTP管线钢带具有严重的各向异性现象，平行于轧制方向的试样在同一温度下冲击功明显高于45。和垂直于轧制方向冲击功，出现分层裂纹的倾向最大。分层裂纹主要是试样中条状缺陷所致，受位错组态影响，有确定的方向性，与温度有关。

冲击试样的断口分析

由于试验环境温度不同以及试样的取向不同，冲击试样破坏断口的宏观图像呈现明显的不同。无论试样沿何种方向取样，冲击试样断口均出现分层现象。不同取向产生的分层裂纹倾向和出现分层裂纹的温度区间不同，纵向试样在20-80℃的温度区间均出现分层裂纹，横向试样出现的区间为0～-40℃，45。方向试样出现分层裂纹的温度区间为20～-40℃。冲击试样断口的分层裂纹都垂直于缺口，由此说明，HTP管线钢板在轧制过程中产生了严重的各向异性现象。研究表明，分层裂纹的起因是夹杂物、偏析、带状显微组织和织构等，在热轧卷板中这些缺陷均呈平行于钢板的轧制方向。

在垂直于缺于缺陷方向的应力作用下，这些缺陷的尖部产生非常高的集中应力，使得缺口根部附近产生分层裂纹，同时，由于分层裂纹的主裂纹扩展方向与轧制方向的角度不同，裂纹扩展阻力不同，平行于轧制方向试样出现分层裂纹的倾向最大。其次是45。方向，而横向取样时，分层裂纹的扩展于轧制方向垂直，裂纹表面因撕裂扩展所吸收的能量较大，扩展阻力大，故产生分层裂纹倾向最小。

冲击荷载、试样取向和温度之间的关系

无论试样取向如何，随着温度的降低，3个取向的冲击功均下降，冲击韧性下降，这符合TMCP工艺下X70钢冲击性能和温度的关系；其中-80～-40℃时的升幅较大，表现出试样对低温的敏感性很大。对比不同取向试样得：平行于轧制方向和45。方向的冲击功曲线均冲击了明显的上升上台阶能，而垂直于轧制方向则未出现；同时前两者的冲击功也高于后者。平行于轧制方向的试样在同一温度下的冲击功明显高于其他取向。在试验温度较高如20℃时，根据断口的分析，分层裂纹对试样的冲击韧性影响较大，。平行于轧制方向的试样易于在缺口根部产生分层裂纹，该分层裂纹阻止了缺口裂纹的扩展，裂纹的扩展需要较高的能量，因此，冲击功（CVN）较大。随着试验温度的降低，材料的脆性增加，垂直于断口处的分层裂纹数量减少，试样的冲击韧性减小，-80℃时，45。方向和垂直轧制方向的试样断口基本为放射区，缺口附近裂纹较少，因此CVN较小。

试样取向对复合材料断裂韧性的影响

L-R取向的紧凑拉伸试样的KIC明显高于R-L取向和C-R取向。断口形貌观察表明：L-R取向的复合材料试样，断裂以SiC颗粒解理开裂为主，较少出现大面积的基体合金撕裂，没有出现SiCp/基体合金界面脱粘的现象。SiC颗粒的大量断裂以及高的界面结合强度会引起复合材料断裂韧性的提高。

L-R和R-L取向的断裂韧性

选取厚度B=15mm，按L-R，R-L取向加工T4态试样，然后进行断裂韧性测试。可以看出，几乎所有试样都无法获得有效的KIC值，这是因为在测试过程中，除RL-2外的所有试样，均不能满足 KIC有效性判据中的B≥2.5(Kq/σy)2。

通常，在断裂韧性试验中理论上考虑的是自然裂纹，宽度仅1μm左右。而实验中试样的人工切口大于自然裂纹，由此产生的应力集中程度小得多，使KIC的实测值偏大，并随切口宽度的增大而增大，称为 “切口钝化效应 ”。试验所用的紧凑拉伸试样，是用人工切口代替疲劳裂纹的，切口宽度0.3～0.4mm。切口宽度偏大导致测得的Kq值偏高。这是造成判据无法生效的另一因素。

根据国标GB4161-84，当试样尺寸比B/W≥0.40且断裂韧性试验中的Pmax/Pq≤1.10时，无效的Kq可以视为有意义的断裂韧度。试验中全部试样皆满足条件。所以，即便测出的Kq无法作为用于表征材料性能的有效KIC，也可作为有意义的参数用来比对。L-R取向的试样，Kq均值明显高于R-L取向。说明相比R-L取向，L-R取向的试样具有更高的断裂韧度。

通过对R-L取向、 L-R取向的试样断口进行SEM对比分析可知：两者的微观断面上均出现了大量韧窝，韧窝大小和深浅不一，分布较均匀；存在较大的孔洞和裂纹。韧窝主要有两种存在方式：一种是与SiC颗粒关系紧密的韧窝，尺寸稍大，它们中的一部分不包含SiC颗粒，位于SiC颗粒周边，另一部分则将SiC颗粒包围在其中，说明并非每个韧窝都包含第二相粒子的，因为粒子分布在两个匹配断口上。另一种是大量分布于第一种韧窝之间的尺寸较小的一些韧窝 (10μm左右 )。

L-R和C-R取向的断裂韧性

对L-R取向和C-R取向的紧凑拉伸试样进行断裂韧性测试。结果表明：L-R取向的试样，其KIC要明显高于C-R取向的试样。

L-R取向时，试样在断裂韧性试验中受沿挤压方向 (棒材轴向 )的拉伸载荷作用直至断裂；C-R取向时，试样在试验中受垂直于挤压方向 (棒材径向 )的拉伸载荷作用直至断裂。不难看出，复合材料沿挤压方向 (棒材轴向 )的性能优于垂直于挤压方向(棒材径向 )，而断裂韧度KIC通常是材料强度和塑性的综合性能。所以L-R取向的试样的KIC明显高于C-R取向。

另外，试样采用L-R取向时裂纹扩展面垂直于热挤压方向，这种情况下将有利于更多的SiC颗粒参与到断裂过程之中，这是引起复合材料L-R取向的KIC高于C-R取向的又一原因。

复合材料沿挤压方向 (棒材轴向 )的强度性能要优于垂直于挤压方向 (棒材径向 )的 ,对于L-R取向的试样，SiC颗粒起到了约束基体变形的作用并产生较大的应力集中，这时首先发生SiC颗粒开裂，裂纹再在基体合金中扩展。而多的SiC颗粒破裂又会起到阻碍基体合金中裂纹扩展的作用，引起断裂韧性的提高。另外，L-R取向的试样界面结合良好，说明材料具有好的界面结合。较强的颗粒/基体结合可以使界面开裂时间推迟，提高复合材料的断裂韧性。

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