金属材料的强度与应力–应变关系的球压入测试方法

压入法获取材料单轴应力–应变关系和抗拉强度对服役结构完整性评价有重要的基础意义.假定材料均匀连续、各向同性、应力应变关系符合Hollomon律,基于能量等效假定,即代表性体积单元(representative volume element, RVE)的von Mises等效和有效变形域内能量中值等效假定,本文提出了关联材料载荷、深度、球压头直径和Hollomon律的四参数半解析球压入(semi-analytical spherical indentation, SSI)模型.通过球压入载荷–深度试验关系获得材料的应力–应变关系和抗拉强度.考虑压入过程中的损伤效应,针对金属材料提出了用于球压入测试的材料弹性模量修正模型.对11种延性金属材料完成了球压入试验,采用本文提出的球压入试验方法测到的弹性模量、应力–应变关系和抗拉强度与单轴拉伸试验结果吻合良好.     

基于试验与有限元耦合技术的延性材料全程单轴本构关系获取方法

摘 要: 材料拉伸直至断裂的全程单轴本构关系对材料大变形和断裂机理研究具有重要意义。传统拉伸试验获取的材料真应力-真应变曲线在试样颈缩后不可测。借助可以精确测量三维变形的DIC(Digital image correlate) 技术和有限元分析技术(Finite element analysis),本文提出了基于漏斗试样拉伸试验获取材料全程单轴本构关系的新方法,即TF(Test and FEA)方法。该方法将TF方法获取的材料全程单轴应力应变关系曲线作为有限元软件中的材料本构关系对漏斗试样拉伸变形过程进行模拟,其模拟载荷-位移曲线、漏斗根部直径-位移曲线和漏斗变形轮廓线等均与试验结果吻合良好,试样表面模拟应变也与DIC测试结果吻合, 根据不同半径漏斗试样模拟获得的全程真应力-真应变曲线保持良好一致性。最后,还对试样颈缩断面的力学行为进行了讨论,并给出了304不锈钢、汽轮机叶片材料2Cr12Ni4Mo3VNBN和 1Gr12Ni3Mo2VN、汽轮机转子材料30Cr2Ni4MoV的全程单轴本构关系模型参数、破断应力和破断应变。     

金属材料的强度与应力-应变关系的球压入测试方法

压入法获取材料单轴应力-应变关系和抗拉强度对服役结构完整性评价有重要的基础意义.假定材料均匀连续、各向同性、应力应变关系符合Hollomon律,基于能量等效假定,即代表性体积单元(representativevolume element, RVE)的vonMises等效和有效变形域内能量中值等效假定,本文提出了关联材料载荷、深度、球压头直径和Hollomon律的四参数半解析球压入(semi-analyticalspherical indentation,SSI)模型.通过球压入载荷-深度试验关系获得材料的应力-应变关系和抗拉强度.考虑压入过程中的损伤效应,针对金属材料提出了用于球压入测试的材料弹性模量修正模型.对11种延性金属材料完成了球压入试验,采用本文提出的球压入试验方法测到的弹性模量、应力-应变关系和抗拉强度与单轴拉伸试验结果吻合良好.      

准静态条件下金属材料的临界断裂准则研究

本文针对9种金属材料完成了具有不同约束程度的10类试样的延性断裂试验,获得了发生拉、压、扭和裂尖断裂等破坏形式构型试样的载荷-位移试验关系;基于圆棒漏斗试样拉伸试验所得直至破坏的载荷-位移曲线,采用有限元辅助试验(finite-element-analysis aided testing, FAT)方法得到了9种材料直至破坏的全程等效应力-应变曲线,以此作为材料本构关系通过有限元分析获得了各类试样直至临界破坏的载荷-位移关系模拟.载荷-位移关系模拟结果与试验结果有较好的一致性,表明用于解决试样颈缩问题的FAT方法所获得的全程材料本构关系针对各向同性材料具有真实性和普适性.对应9种材料、10类试样的36个载荷-位移临界断裂点,通过有限元分析获得了对应的材料临界断裂应力、应变与临界应力三轴度,研究表明,第一主应力在延性变形过程中为主控断裂的主导参量;通过研究光滑、缺口、裂纹等构型试样的断裂状态,提出了-1至3范围的应力三轴度下由第一主应力主控的统一塑性临界断裂准则.     

柔度法研究镍铬合金焊材的高温疲劳裂纹扩展行为

金属材料的高温疲劳裂纹扩展速率试验,关键问题在于高温环境下精确测量试样的裂纹长度.基于柔度测试技术,通过改进现有高温应变引伸计实现了FFCT试样的高温疲劳裂纹扩展速率测试.利用有限元方法对具有分层构形CT试样的柔度方法进行了研究,获得了分层结构CT试样的等效弹性模量表达式,通过迭代方法对实时裂纹长度进行修正,获得了良好的预测精度.完成了镍铬合金焊带、焊条和焊丝三种焊材常温和350℃下的疲劳裂纹扩展速率试验,获得了相应的疲劳裂纹扩展规律.     

准静态条件下金属材料的临界断裂准则研究

本文针对9种金属材料完成了具有不同约束程度的10类试样的延性断裂试验, 获得了发生拉、压、扭和裂尖断裂等破坏形式构型试样的载荷-位移试验关系; 基于圆棒漏斗试样拉伸试验所得直至破坏的载荷-位移曲线, 采用有限元辅助试验(finite-element-analysis aided testing, FAT)方法得到了9种材料直至破坏的全程等效应力-应变曲线, 以此作为材料本构关系通过有限元分析获得了各类试样直至临界破坏的载荷-位移关系模拟. 载荷-位移关系模拟结果与试验结果有较好的一致性, 表明用于解决试样颈缩问题的FAT方法所获得的全程材料本构关系针对各向同性材料具有真实性和普适性. 对应9种材料、10类试样的36 个载荷-位移临界断裂点, 通过有限元分析获得了对应的材料临界断裂应力、应变与临界应力三轴度, 研究表明, 第一主应力在延性变形过程中为主控断裂的主导参量; 通过研究光滑、缺口、裂纹等构型试样的断裂状态, 提出了$-1$至3范围的应力三轴度下由第一主应力主控的统一塑性临界断裂准则.      

加载速率和几何尺寸对国产A508-III钢断裂行为影响的实验研究

由加载速率和几何约束改变而引起的压力容器钢韧脆转变问题是核能安全领域亟待解决的关键问题. 为了准确分析国产A508-III钢的动态断裂行为, 借助INSTRON VHS高速材料试验机, 开展了不同加载速率和几何尺寸条件下的国产A508-III钢的断裂韧性试验, 研究了加载速率和几何尺寸等因素对国产A508-III钢动态断裂韧性的影响. 研究表明, A508-III钢具有良好的抗冲击韧性, 随着加载速率的提高, 试样的总冲击吸收能基本保持恒定, 裂纹萌生吸收能量不断上升, 而裂纹扩展吸收能量呈下降趋势. J-Δa阻力曲线和条件起裂韧性J_Q随着几何约束的增加而降低, 随加载速率的增加而升高. 当达到某一临界速率时, 条件起裂韧性J_Q基本恒定, 试样断裂方式也由韧性断裂转变为韧?脆?韧混合断裂. 由于出现混合断裂模式, 发生脆性断裂时的最大J积分值J_max更适于描述国产A508-III钢的断裂韧性演化规律. 随着试样面外几何约束的降低, J_max随Δa_m的增加而线性增大. 试样面内几何约束越高, J_max与Δa_m之间的线性关系斜率越大. 随着试样几何约束的增加, 材料的韧脆转变速率增加, J_max值下降. 改变几何约束只能在有限的加载速率范围内改变材料的断裂方式, 当加载速率超过某个临界值时, 加载速率成为影响材料断裂方式的主要因素.      

GTN模型参数标定方法与应用

采用有限元辅助试验的FAT(finite-element-analysis aided testing)迭代方法获取的材料直至破坏的全程本构关系曲线并借助ABAQUS和GTN(Gurson-Tvergaard-Needleman)模型,提出了基于有限元逆向法标定GTN模型参数的方法,对316L不锈钢、304不锈钢和汽轮机转子材料26Ni Cr Mo V11-5漏斗试样拉伸过程的仿真结果良好。在此基础上获得的三种材料的GTN模型参数应用于模拟CT(compact tension)试样的准静态裂纹扩展下的载荷位移曲线并基于载荷分离方法,获得了三种材料CT试样的J阻力曲线。     

无量纲载荷分离法在延性断裂韧性测定中的应用

鉴于现行载荷分离理论中存在的量纲不对等问题,依据相似原理提出了无量纲载荷分离法。弹塑性有限元分析结果较好地验证了对应于CT和SEB试样的无量纲载荷分离的普适性。基于无量纲载荷分离新方法,提出了改进的分离参数Spb法。新方法消除了参考钝裂纹试样及标定点选择的影响,通过同卸载柔度法的对比研究,新方法的可行性得到了验证。采用新方法完成了某输气管道焊接球阀的CTOD评定。     

基于小圆环试样获取金属材料单轴本构关系的FAT方法

应用小尺寸圆环进行径向压缩试验获得载荷-变形曲线,并在各向同性、等向强化假定条件下通过引入Hollomon单轴本构关系模型初值进行有限元迭代计算,进而使得试样的模拟变形与圆环试样压缩试验结果满足一致,最终获得材料的单轴本构关系曲线。借助有限元数值分析和特定试样的试验来确定材料本构关系的方法,可以称为有限元辅助测试方法,即FAT(finite-element-analysis aided tests)方法。研究表明,对于四种金属材料应用FAT方法获得的材料单轴本构关系与其单轴拉伸试验结果吻合较好。基于小尺寸材料的FAT方法在核电反应堆、石油管道等关键工程相关材料以及小尺寸构件的材料力学性能获取方面有独特优势和工程应用前景。