[发明专利]用于在评估平面内断裂韧性的标准测试中测试材料样品的方法和装置

说明书

一种在评估平面内断裂韧性的标准测试中，测试结构的壁中所用的一种类型的材料样品的方法。所述方法包含：获得横向长度不大于所述结构的壁的厚度的样品；使所述样品成形为具有(a)底表面，(b)具有中央缺口的成型顶表面，(c)在所述中央缺口的第一侧上的第一耦接特征部，和(d)在所述中央缺口的第二侧上的第二耦接特征部；组装试样，所述试样通过将第一横向延伸部耦接于所述第一耦接特征部，并且将第二横向延伸部耦接于所述第二耦接特征部而使所述样品的宽度增加到超过横向宽度；并且对如此组装的试样和样品进行标准断裂韧性测试，以评估所述样品的断裂韧性。

相关申请的交叉参考

本申请要求具有相同的标题的2017年12月29日提交的美国非临时申请序列号15/858,273和2017年6月15日提交的美国临时申请序列号62/520,489的优先权，所述申请通过引用特此并入，如同在此完整阐述一样。

技术领域

本发明涉及测试材料的结构适合性，并且更具体地说，涉及一种用于在评估平面内断裂韧性的的标准测试中测试厚度相对较小的材料样品的方法和装置。

背景技术

在伴随高硫化氢(H₂S)浓度的酸性环境的石油和天然气管道及相关设备中会遇到氢致开裂(HIC)。这些缺陷归因于由于酸腐蚀产生的原子氢进入钢主体。原子氢反应并重组，从而在微结构中存在的非金属空间的界面处形成高压分子氢腔。HIC往往会在平行于管壁的平面中扩展，如图1所示，所述图1显示由HIC诱发的裂纹的实例。断裂韧性(FT)测试是标准化的机械测试设计，旨在测量材料对裂纹增长的抗性。在FT测试中，将预破裂的试样以受控的位移速率加载，同时测量合力。力-位移曲线用于计算FT参数，如平面应变应力强度因子(K)和J积分(J)。

在进行断裂韧性(FT)测试以表征材料抵抗裂纹扩展的能力时，FT试样的尺寸和取向至关重要。将矩形锻造/轧制板材样品的尺寸定义为平行于板材轧制/锻造方向的纵向(L)、横向尺寸(T)和短横向或厚度尺寸(S)。图2显示示出这些平面的样品的示意性模型。第一个字母表示垂直于裂纹平面的方向(与模型I断裂的主拉伸应力方向一致)，而第二个字母表示裂纹扩展的方向。

HIC裂纹扩展(并且通常是逐步开裂)的相关方向是图2中所示的S-T或S-L方向，所述图2是平行的平面内裂纹出现的方向。已证明很难测量出沿这些方向的薄或相对较薄(壁厚10-30mm)的管道的断裂韧性(FT)特性。这特别成问题，因为通常沿SL和ST方向的FT值并不等于沿其它方向(例如TL、LT)的FT值，因此沿其它方向进行的测量不能用作估算沿SL和ST方向的FT值的可靠方式。

美国材料与试验协会(American Society for Testing and Materials；ASTM)1820断裂韧性测试标准要求使用呈单边弯曲(SEB)或紧凑拉伸(CT)型的特定试样。然而，此类试样并不适合沿S-T和S-L方向进行的FT测量，因为沿厚度方向没有足够的材料来提取完整的SEB或CT试样。例如，要加工10毫米厚的典型SEB试样，需要的最小板材厚度为约90毫米，这远远高于石油和天然气行业中所用的管设备的常见管厚度。

虽然不需要针对金属结构的断裂而设计平面内FT数据，但当相关设备可能会产生平面内裂纹(如HIC)时，所述数据就变得尤为重要。此类数据可以在材料选择阶段在不同类型的钢之间帮助区分不同制造商所提供的金属质量，还可以预测裂纹增长速度以及其在设备使用寿命期间对设备剩余完整性的影响。

因此，需要一种能够对平面内断裂进行FT测试的方法，所述方法可以对金属板材的平面内断裂韧性进行有效测量(即符合标准)。出于这些和其它考虑，提出了本文进行的公开内容。

发明内容