孫 陽，章家寶（河海大學 港口海岸與近海工程學院，南京210098）

半潛式鉆井平臺用鋼DH36安定行為試驗研究

孫 陽，章家寶
（河海大學 港口海岸與近海工程學院，南京210098）

為了給半潛式鉆井平臺的安全性和壽命評價提供可靠試驗依據(jù)，在室溫下對半潛式鉆井平臺用鋼DH36鋼進行了考慮加載波形、加載速率和應力比影響的多工況單軸棘輪安定試驗。結果表明：循環(huán)硬化速率隨循環(huán)周次的增加快速下降，在低于某一值的循環(huán)應力作用下，應變將最終趨于棘輪飽和狀態(tài)；正弦應力波比三角波更快地趨于安定，采用較低的加載速率可以加速材料趨向飽和棘輪狀態(tài)；峰值應力固定不變時，棘輪應變對應力比歷史無明顯的記憶性；波形和加載速率對飽和棘輪應變的影響有限，飽和棘輪應變隨著應力峰值的增加而增大。

半潛式鉆井平臺；DH36鋼；棘輪安定；加載波形；加載速率；應力比

0 引 言

金屬材料在非對稱應力循環(huán)載荷作用下將會產(chǎn)生一種稱之為棘輪效應的塑性變形循環(huán)累積現(xiàn)象[1]，并且不同材料的棘輪效應特征是明顯不同的[2-3]。安定是指材料在經(jīng)歷一定循環(huán)次數(shù)之后，棘輪應變率低于某一特定值，即認為此時棘輪效應達到飽和，材料處于某種棘輪安定狀態(tài)。在一定應力范圍內(nèi)的加載工況下，棘輪效應不會促使材料塑性變形累積無限發(fā)展至破壞，此時材料在經(jīng)歷一定的循環(huán)次數(shù)后達到棘輪安定狀態(tài)[4]。棘輪行為對承受非對稱應力循環(huán)加載的工程結構的安全性和壽命評價是非常重要的，目前已引起人們的廣泛重視。

近年來，已有不少學者對不同材料的棘輪行為進行了室溫和高溫下的一些實驗研究，并在實驗基礎上發(fā)展了一些描述棘輪行為的循環(huán)本構模型[5-10]。然而，由于棘輪行為的復雜性和不同材料循環(huán)特性的差異，以及這些研究中側重于對實際工程更有意義的材料安定行為的研究較少，要全面揭示材料的安定行為還需進行大量深入的試驗研究。

本文在室溫下對半潛式海洋鉆井平臺用鋼DH36進行了考慮加載波形、加載速率、應力比影響的多工況單軸棘輪安定試驗，揭示了該材料應力循環(huán)下棘輪安定行為特性，結果可為安定性數(shù)值分析方法在承受交變循環(huán)荷載作用的半潛式海洋鉆井平臺結構強度評估中的實施提供可靠的試驗依據(jù)。

1 試驗條件

本文試驗所采用的材料為DH36鋼，該種鋼為建造和修理半潛式鉆井平臺的專用碳素鋼。為使材料結構組織均勻、力學性能穩(wěn)定，將母材經(jīng)800℃保溫60分鐘，進行水冷固溶處理后，加工成實心圓棒試樣，試樣尺寸如圖1所示。實心圓棒試樣中心標距段的直徑為6 mm，等直段長度為30 mm，兩邊夾頭直徑為18 mm、長度為50 mm[11]。

試驗用設備為MTS809（250kN）拉—扭電液伺服控制試驗機，控制系統(tǒng)為TeststarⅡ。試驗中的循環(huán)加載過程采用應力控制，按時間同步采集連續(xù)的軸向載荷和它們的峰谷值數(shù)據(jù)。

圖1 DH36鋼試樣尺寸Fig.1 Dimension of the specimen

2 試驗內(nèi)容、結果及討論

2.1 棘輪安定的界定

由于應力控制循環(huán)中，滯后環(huán)一般都不是完全封閉的，因此，將棘輪應變定義為[12]：

式中：εmax為一個加載循環(huán)中最大軸向應變，εmin為一個加載循環(huán)中最小軸向應變。如果材料的棘輪行為達到安定狀態(tài)，則稱此時材料的棘輪應變?yōu)轱柡图啈儯洖?/p>

單軸條件下的棘輪應變率ε˙r反應了棘輪應變隨著循環(huán)次數(shù)的變化情況，定義為：

式中：N是循環(huán)次數(shù)，dεr表示每一次循環(huán)中棘輪應變εr的增量。本文取文獻[10]中ε˙r＜1×10-7mm/mm/ cycle為安定界定標準。經(jīng)過取試件進行百萬周次的循環(huán)加載驗證，以此標準作為安定界定標準是十分可靠的。

圖2給出了循環(huán)加載時鋼材兩種不同的εr-T響應曲線，當最大應力低于某一值時，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，應變最后趨于收斂，達到棘輪安定狀態(tài)；當最大應力增加到超出某一值時，棘輪安定狀態(tài)被改變，棘輪應變率不等于零，應變隨著循環(huán)次數(shù)的增加不斷累積，直至最終破壞。

2.2 加載波形對DH36鋼安定行為的影響

在平均應力、應力幅、周期相同的情況下，對正弦加載與三角形加載情況進行比較，考察不同加載波形對試件棘輪安定行為的影響。取三種工況包括正弦波、三角波、正弦波和三角波交替分別對試件進行循環(huán)加載，表1給出了加載工況，表中σm表示加載平均應力，σa表示加載應力幅。

圖2 循環(huán)加載時兩種不同的εr-T關系曲線Fig.2 Two types of εr-T curves under cyclic loading

表1 不同加載波形工況Tab.1 Different conditions of loading wave forms

圖3給出了表1中工況1、工況2分別循環(huán)加載10 000T時的εr-T關系曲線，圖中σmin為加載過程中最小應力值，σmax為峰值應力值。由圖可以看出，在兩種波形作用下，材料均體現(xiàn)出了明顯的循環(huán)硬化特性，并具有相同的演化規(guī)律。最終應變均達到了穩(wěn)定狀態(tài)，即應變不再隨著循環(huán)周次的增加而變化。圖3所反映出的不同變化規(guī)律是，正弦應力波形作用下的飽和棘輪應變均都略高過同平均應力、同應力幅、同周期的三角波，即正弦應力波比三角波更快地趨于安定。這種現(xiàn)象應該主要是因為正弦波形的應力峰谷值處加載率極小，相當于在循環(huán)峰谷值的高應力區(qū)有荷載保持，由此增大的應變則包含有類似于蠕變的變形。

圖3 不同加載波形的εr-T關系曲線Fig.3 Curves of εr-T under different loading waves

圖4三角波的荷載—應變關系Fig.4 Relationships between load and strain under triangular loading waves

圖4 給出了三角波加載時四種不同周期10T、200T、3 000T、4 000T下的荷載與應變之間的關系，由圖可以看出，每一級加載下的循環(huán)硬化速率隨循環(huán)周次的增加快速下降。10T時，加、卸載曲線明顯不重合，應變隨著循環(huán)加載過程的進行，不斷增長，但卸載過程沒有發(fā)生反向屈服。到200T時，加、卸載曲線已比10T時明顯的接近，表明應變速率在不斷減小。3 000T時，加、卸載曲線基本上已經(jīng)重合，呈一條直線狀，即此過程中，應變不隨荷載施加方式發(fā)生變化，荷載—應變是彈性關系。4 000T和3 000T的加、卸載曲線也是重合的，說明荷載—應變關系不但在加、卸載過程中是彈性的，而且不隨新的加載循環(huán)次數(shù)的變化而變化，應變達到了穩(wěn)定狀態(tài)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是由于經(jīng)過較大平均應力的應力循環(huán)后，材料內(nèi)部的位錯密度升高，位錯組態(tài)也逐漸變成較為穩(wěn)定的位錯胞狀結構，材料產(chǎn)生了較大的循環(huán)硬化，變形阻力增加，不易產(chǎn)生新的塑性變形，從而使后續(xù)應力循環(huán)下的棘輪應變率明顯下降。正弦波以及后續(xù)的加載工況中也都存在類似的情況，不再重復贅述。

圖5交替加載波形下的εr-T關系曲線Fig.5 Curves of εr-T under alternating loading waves

圖5 給出了表1中工況3兩種波形交替加載循環(huán)10 000T得到的εr-T試驗結果，由圖可以看出，應變εr最終也達到了穩(wěn)定狀態(tài)，且飽和棘輪應變與圖3中三角波和正弦波的飽和棘輪應變相差不大。應變達到穩(wěn)定前，波形歷史對棘輪應變的變化過程有一些影響；應變達到穩(wěn)定后，波形歷史對飽和棘輪應變影響不大。

2.3 加載速率對DH36鋼安定行為的影響

三角波加載，采用四種工況考察加載速率對棘輪安定的影響，工況如表2所示。

表2 不同加載速率工況Tab.2 Different conditions of loading rates

圖6 不同加載速率下的εr-T關系曲線Fig.6 Curves of εr-T under different loading rate

圖7 加載速率歷史下的εr-T關系曲線Fig.7 Curves of εr-T under history of loading rate

圖6給出了表2中工況1、工況2、工況3各循環(huán)加載10 000T得到的εr-T試驗結果，由圖可以看出，在三種加載速率下，材料具有相同的應變演化規(guī)律。應變隨循環(huán)周次的增加而增大，應變速率隨循環(huán)周次的增加而逐漸下降，且三種加載速率下的應變εr最終都達到了穩(wěn)定狀態(tài)。三種工況加載速率的最終飽和棘輪應變差別不大，隨著應力加載速率的降低，產(chǎn)生的飽和棘輪應變略有增加。在選定的試驗條件下，加載速率對最終飽和棘輪應變的影響有限。

圖7給出了表2中工況4三種加載速率1 Hz、5 Hz、10 Hz交替加載得到的εr-T試驗結果，由圖可以看出，最終應變也達到了穩(wěn)定狀態(tài)。和圖6相比，加載速率的交替變化對εr-T曲線的變化過程無明顯影響，且對最終飽和棘輪應變的影響也非常有限。

2.4 應力比對DH36鋼安定行為的影響

將定義應力比為：

應力比可以綜合反映加載應力幅、平均應力以及峰值應力對棘輪應變的影響，三角波循環(huán)加載，采用三種工況考察應力比對DH36鋼安定行為的影響，工況如表3所示。

表3 不同應力比工況Tab.3 Different conditions of stress ratio

圖8 峰值應力固不變時不同應力比下的 εr-T關系曲線Fig.8 Curves of εr-T under different stress ratio with the same peak stress

圖9峰值應力固不變時應力比歷史下的 εr-T關系曲線Fig.9 Curves of εr-T under history of stress ratio with the same peak stress

圖8 給出了表3中工況1在峰值應力固定不變的情況下，三種不同應力比r=0.15、r=0.25、r=0.5時的εr-T關系曲線試驗結果。由圖可以看出，εr隨著T的增加不斷衰減，最終都達到了穩(wěn)定值。峰值應力不變，最小應力值變化意味著平均應力和應力幅的變化。同時，圖8顯示應力比對初始階段的棘輪應變演化規(guī)律有一定影響。當r較大，即平均應力比較大而應力幅比較小時，棘輪應變經(jīng)過衰減階段后會很快產(chǎn)生達到安定，也就是說三種應力比作用下棘輪應變達到穩(wěn)定的速度為：r=0.5>r=0.25>r=0.15。

圖9給出了表3中工況2在峰值應力固定不變的情況下，三種不同應力比r=0.15、r=0.25、r=0.5交替變化得到的εr-T關系試驗結果。同樣，棘輪應變也是隨著T的增加不斷衰減，最后達到了穩(wěn)定狀態(tài)。

圖10給出了表3中工況3在最小值應力固定不變的情況下，三種不同應力比r=0.211、r=0.2、r= 0.186交替變化得到的εr-T關系曲線試驗結果。由圖可以看出，試件對加載歷史中的最大峰值應力值循環(huán)特性具有明顯的記憶效應，先前較大峰值應力循環(huán)會抑制后續(xù)較小峰值應力循環(huán)的棘輪行為，棘輪行為也具有明顯的峰值應力歷史依賴性；低峰值應力棘輪歷史對后繼高峰值應力水平下的飽和棘輪應變狀態(tài)影響微弱，飽和棘輪應變和峰值真應力之間存在著不受先前低峰值應力棘輪歷史影響的關系。

圖10 最小應力固不變時不同應力比歷史下的εr-T關系曲線Fig.10 Curves of εr-T under history of stress ratio with the same minimum stress

3 結 論

（1）不同工況下，DH36鋼的試驗結果顯示均體現(xiàn)出了明顯的循環(huán)硬化特性，并具有類似的演化規(guī)律。循環(huán)硬化速率隨循環(huán)周次的增加快速下降，在低于某一值的應力作用下，應變將最終趨于棘輪飽和狀態(tài)。

（2）在平均應力、應力幅和周期相同的情況下，波形對棘輪應變的變化過程有一些影響，尤其是對加載初期，正弦波形作用下的飽和棘輪應變略高過三角波，正弦應力波比三角波更快地趨于安定；波形對飽和棘輪應變的影響較小。

（3）在等幅值、等平均應力條件下，加載速率對初始階段的棘輪應變量有明顯的影響，加載速率越低，相同循環(huán)次數(shù)下的棘輪應變越大，采取較低的加載速率可以加速材料趨向飽和棘輪狀態(tài)。不同加載速率對飽和棘輪應變的影響有限。

（4）峰值應力固定不變的情況下，較大的應力比能使棘輪應變經(jīng)過衰減階段后會更快達到安定，應力比未對飽和棘輪應變產(chǎn)生明顯的影響，且棘輪應變對應力比歷史無明顯的記憶性。最小應力固定不變的情況下，應力峰值對飽和棘輪應變有明顯的影響，飽和棘輪應變隨著應力峰值的增加而增大。

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Experimental study on shakedown behavior of DH36 steel used for semisubmersible

SUN Yang,ZHANG Jia-bao
(College of Harbour,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China)

In order to provide experimental basis for evaluation of safety and life of semisubmersible,the shakedown behavior of DH36 steel used for semisubmersible was experimentally investigated under uniaxial cyclic loading at room temperature.The effects of loading rates,loading wave forms and stress ratio on the ratcheting of DH36 steel were analyzed.The experimental results show that the rate of cyclic hardening rapidly decreases with the increase of loading cycles,and the stress amplitude will becomes gradually saturated when the cyclic strain is below a certain value.A quick shakedown of ratchetting was observed from sine loading waves instead of triangular loading waves and lower loading rates could accelerate cyclic saturation.With the same peak stress,ratcheting strain presents no memorization on previous stress ratio in loading history.Loading wave forms and loading rates hardly influence the saturated ratcheting strain of the material and saturated ratcheting strain increases with the peak stress.

semisubmersible;DH36 steel;shakedown behavior;loading wave forms; loading rates;stress ratio

TU502

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2015.07.008

1007-7294（2015）07-0827-07

2015-03-27

國家自然科學基金資助（51309151）；海洋工程國家重點實驗室開放課題研究基金資助（1107）；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助（2014B17414）

孫 陽（1979-），男，博士，副研究員，E-mail：yangsun_mail@126.com；

章家寶（1980-），男，碩士，工程師。