金属材料准静态断裂性能标准测试技术研究进展

准静态断裂性能是评价含裂纹结构完整性的重要力学参量,其测试规范的制修订可反映国家在国际断裂测试领域的技术水平。由于较复杂的断裂力学理论背景以及长期经费投入乏力,我国的断裂性能测试规范自主创新修订工作严重落后于国际水平。自2011年立项至今,历经3年的不懈研究,完成了新版国家断裂测试规范GB/T 21143-2014的修订,且在原规范的基础上取得了许多新进展。主要包括:对基于柔度原理的裂纹长度计算公式进行了简化,完善了原有J积分和CTOD计算式;推荐了考虑断裂试样大角度转动影响的旋转修正新方法;借鉴ASTM E1820-11规范,引入了改良后的单试样规则化法。为了更好地促进新规范的推广应用,本文就新规范修订中涉及的上述技术的研究进展进行详细综述。     

CTOD试验方法与转子材料的延性断裂性能

对国标GB/T 21143—2007和美标ASTM E1820-08a中的CTOD(crack tip opening displacement)计算公式和阻力曲线评定方法进行对比研究,采用柔度法完成汽轮机转子材料Cr2Ni2MoV钢的CTOD试验,并分别根据两个标准对试验结果进行分析。结果表明,GB/T 21143—2007中的CTOD计算公式和钝化线方程存在不合理的表达,对其进行相应修正;根据ASTM E1820-08a得到的CTOD值通常稍低于由GB/T 21143—2007得到的结果;钝化线方程的选取对启裂CTOD临界值的确定影响显著。     

三点弯曲试样测试J积分值试验研究

采用两个不同钢种的三点弯曲试样,以载荷-缺口张开位移曲线下的塑性面积为基础计算J积分值,依据GB/T 21143-2014和GB/T 21143-2007、GB/T 2358-1994附录D两个标准相结合,用这两种不同的方法计算J积分值。结果表明:相对于不同的裂纹扩展量Δa,J积分值从低值到高值,两种方法计算J积分值的平均相对偏差<2.0%,结果一致,说明用GB/T 21143-2007、GB/T 2358-1994附录D两个标准相结合也可以准确计算J积分值,提供了一种用三点弯曲试样测试J积分值的计算方法。     

基于双悬臂梁试样的柔度方法

NACE TM0177-96标准推荐的双悬臂梁DCB(double cantilever beam)试样主要用于测试硫化物腐蚀条件所产生的平衡载荷与裂纹扩展的相互关系,进而评估材料抗应力腐蚀开裂临界强度因子的优劣,但未提供确定裂纹长度的方法.文中通过有限元分析法提出计算V形裂纹长度的统一柔度公式,该公式在满足有效性条件下,与试样几何尺寸无关,可用于通过测试试样加载线和端面裂纹张开位移计算柔度,进而实现裂纹长度预测.文中采用30CrMo钢DCB试样和已有文献的试验数据对统一公式进行有限元模拟和试验结果对比.研究表明,所提出的柔度公式对不同V形裂纹DCB试样的裂纹长度预测结果与有限元分析结果之间的相对误差不超过2％,与试验结果之间的相对误差不大于5％.     

基于柔度法的断裂韧性误差测量分析

在柔度法测量金属材料裂纹长度的基本力学原理基础上,介绍并讨论在裂纹预制过程中影响测量三点弯曲(SEB)试样裂纹长度准确性的因素。通过试验研究发现:弹性模量对于裂纹初始长度计算非常重要,F-s关系的线性决定了试验过程中裂纹长度的估算准确性,柔度法的测量结果与裂纹实际长度存在一定误差。     

疲劳试验中柔度系数的求解方法及影响因素

在疲劳裂纹扩展速率及断裂力学试验中,用柔度法测量疲劳裂纹长度,以其方便、快捷、准确而被广泛应用,但在腐蚀环境下测量疲劳裂纹长度时,测量裂纹尖端张开位移的引伸计,即COD(crack opening displacement)规无法直接装卡在标准CT(compact tension)试样上,因此设计制作适用于腐蚀环境下的Ⅰ型和Ⅱ型类标准CT试样及其相应的腐蚀疲劳循环装置;但由于COD规装卡位置或试样型式的改变,必须求出相应的柔度系数才能方便地进行腐蚀环境下的各类试验.通过试验研究,建立不同试样型式下柔度系数的求解方法,并求出Ⅰ型和Ⅱ型类标准CT试样的柔度系数,分析讨论影响柔度系数求解精度的因素,通过大量验证试验,证明所求柔度系数的正确性.     

新型转子钢FW2高温断裂韧性实验研究

对新型转子钢FW2使用多试样法、规则化法和弹性卸载柔度法进行630℃高温断裂韧性测试,其中使用多试样法和规则化法均得到有效高温断裂韧性试验结果,对两组试验结果比较可知:规则化法获取的J-R阻力曲线位于多试样法拟合曲线的±99.7％置信区间内,规则化法获取的断裂韧性特征值J0.2BL低于多试样法特征值J0.2BL,位于多...     

超声波技术探测疲劳裂纹扩张速率的初步试验

在测定裂纹扩张速率的试验中,对于裂纹长度的测定,有显微镜法、电阻法、划线法、喷镀金属膜栅法和柔度法等等。在这些方法中,有的只能测定试样表面的裂纹长度;有的不能连续测量,有的准确度较差;有的计算复杂,各有一定的局限性。为了探索出一种较好的测量技术,我们对利用超声波技术探测裂纹长度的方法,进行了初步的试验。试验主要是在材质为30Cr2MoV的50毫米紧凑拉伸试样上进行的。试验结果表明:利用一般的超声波探伤     

硫化氢环境中低周疲劳裂纹扩展速率da/dN的研究

研究了4130X钢在硫化氢(H2S)腐蚀介质中的疲劳裂纹扩展速率da/dN。应用改进型WOL试样,采用符合实际工况的中等浓度200×10-6的H2S溶液、0.0067 Hz的超低周频率,在自行改造的专用低周腐蚀疲劳试验机上进行了试验。在恒定疲劳载荷谱作用下,采用三保险的位移测量装置,利用计算机自动采集系统,时时采集载荷及位移,用柔度方程求解试样瞬时裂纹长度。克服了表面直读法在腐蚀环境中不易观测裂纹长度的缺点,对所有试验数据,以KISCC为分界线,用Paris公式进行两段式拟合,给出了da/dN—ΔK的数学表达式,为确定气瓶的临界裂纹尺寸提供了试验依据。文中还将本试验结果与相关文献中其它硫化氢环境及空气中的疲劳裂纹扩展速率结果进行了比较。结果表明:H2S环境中裂纹扩展速率远大于空气中结果,不同环境、频率对da/dN有较大影响。     

《金属材料 准静态断裂韧度的统一试验方法》(GB/T21143-2007)试验标准的研讨

本文首先简述了《金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法》(GB/T21143-2007)的应用范围和应用特点,然后重点通过对比GB/T21143-2007和国际标准ISO12135:2002《Metallicmaterials-Unifiedmethodoftestforthedeterminationofquasistaticfracturetoughness》的相关条目,提出我国现行的断裂韧度标准GB/T21143-2007存在的诸多问题,认为该标准需要完善和修改。     

拉伸试验准应变速率控制法

为了满足GB/T 228.1-2010方法A对拉伸速度的要求,提出了一种准应变速率控制方法,即用全程位移自动控制间接实现对试样的应变速率控制,它考虑了系统柔度.无论测试何种材料、何种尺寸试样,仅需输入试样尺寸、估计的弹性模量和屈服强度,程序会自动计算出系统柔度和各阶段拉伸速度,对整个试验进行自动控制,使不同试验机做出的试验结果真正具有可比性.     

全尺寸管试样JR阻力曲线测试技术研究（一）—基本原理

本文介绍了全尺寸管试样测定含裂纹管道结构J_R阻力曲线的测试技术。根据形变功定义导出了J积分计算表达式,给出了直流电位法测定裂纹长度的方法;分析了柔度法在测定管道裂纹长度时存在的问题;并用管壁上截取的CT试样测试了国产碳钢管道的J_R阻力曲线。     

水泵轴用钢疲劳裂纹扩展特性研究

介绍了柔度法疲劳裂纹扩展自动测量系统的研制和结果。该系统适用于频率不高于２５０Ｈｚ的疲劳试验,可以实时地将采集到的载荷位移数据用柔度法转换为裂纹长度,并计算出相应的应力强度因子范围和裂纹扩展速率。利用该系统对水泵轴用钢的疲劳裂纹扩展特性进行了较详细的研究,给出了４２ＣｒＶ和ＩＲ３Ｍｏ的疲劳裂纹扩展速率和门槛值。     

紧凑拉伸试验CTOD双引伸计测试方法研究

以船用A36钢板为试验材料,开展紧凑拉伸试验裂纹尖端张开位移δ(crack tip opening displacement,CTOD)的双引伸计测试方法研究。结果显示,采用双引伸计方法可直接测定旋转因子r及δ,计算得到名义应力σ与裂纹尖端张开位移塑性分量δp(plastic component of CTOD)的相关性曲线。与国标GB/T 21143—2007测试方法相比,双引伸计法对δp的测试精度更高;与EPRI(Electronic Power Research Institute)计算方法相比,双引伸计法对σ—δp关系曲线的确定更为直接可靠。     

用边界元素法进行紧凑拉伸试样柔度分析

本文采用边界元素法进行了标准紧凑拉伸试样的柔度分析,给出了平面应力及平面应变时试样的柔度法标定数据和曲线,并提供了柔度计算公式。由于采用了无量纲柔度(BE’V/F),所得a/W～BE’V/F标定结果具有普遍适用性。边界元分析时采用降阶多重节点法进行角点处理,计算精度高。数值计算结果与边界配点法及实验测试结果基本吻合。     

试样几何尺寸对347L材料断裂性能的影响

开展了347L不锈钢材料紧凑拉伸试样在不同厚度及裂纹长度下的断裂韧性试验研究，并通过有限元分析了上述试样的拘束水平，建立了表观断裂韧度J_Q0.2BL与裂尖拘束Q的关联方程。结果表明：试样的断裂韧性J_Q0.2BL值随试样厚度增大而减小，1C(T)试样的J-R曲线基本不随初始裂纹长度改变而发生变化，受初始裂纹长度影响的1/2C(T)试样的J_Q0.2BL值随裂尖Q减小而增大。研究结果对于材料断裂韧性测试以及含缺陷结构安全评价具有参考意义。     

不同温度下材料低周疲劳性能的测定

以柔度法为基本原理，研究了在常浊力中温二种条件下，材料低周疲劳性能的精密测量技术。结果表明，运用柔度法自动检测裂纹长度技术测定材料低疲劳性能比同镜直读法精度高，可实现数据自动处理，特别适用于材料中高温疲劳性能的精确测定。     

定向凝固镍基高温合金DZ125疲劳裂纹扩展速率研究

选择定向凝固镍基高温合金DZ125为研究对象,选用紧凑拉伸(Compact tension,CT)试样,并根据ASTM-E647标准采用卸载柔度法分别开展室温以及高温(760℃、850℃)条件下的疲劳裂纹扩展试验。主要研究了温度以及材料取向对于裂纹扩展速率的影响,试验结果表明:高温使得裂纹扩展速率明显增加;但材料取向在高温下对裂纹扩展速率的影响较弱。同时高温导致部分试样裂纹扩展路径出现不严格垂直于载荷施加方向的现象。最后结合Paris扩展模型,拟合相关结果,建立系数C以及指数m与温度的关系,进一步比较讨论温度以及取向对DZ125裂纹扩展影响。     

COEC微小试样用于延性断裂行为评定的规则化法研究

在材料断裂行为评定中,试样小型化不仅具有取样方便和节约成本的优点,而且对满足特殊取样要求的断裂韧度测试有重要工程意义。采用含外侧边裂纹C形压缩（C-shaped outside edge-notched compression, COEC）小试样,基于量纲一载荷分离理论发展了其用于获取延性材料的断裂韧度的规则化测试方法。采用A508-III压力容器钢完成了不同规格COEC、紧凑拉伸（Compact tension, CT）和单边裂纹弯曲（Single edged-notched bending, SEB）试样的J阻力曲线试验。结果表明,相比试样厚度,初始裂纹长度对COEC试样的J阻力曲线测试结果影响更大。同时,由于COEC试样具有更高的裂尖约束水平,其J阻力曲线明显低于标准CT、SEB试样的结果。     

基于能量等效原理的K因子、柔度统一模型

当前常用裂纹试样的K因子和柔度C表达形式各异且参数的数量较多,有的裂纹试样K因子和柔度式中参数达到或超过6个,不利于计算;对于非标准试样的K因子和柔度C表达式的获取主要根据有限元分析数据而采用回归和拟合的方式,比较繁冗。针对9种Ⅰ形裂纹试样,基于Chen-Cai能量等效原理提出仅有2或3个参数的K因子、柔度C的统一模型。结果表明,K因子和柔度C统一模型与文献式、有限元结果吻合良好。统一模型的建模方法简便有效,便于工程应用,对于获得各类异型小试样的K因子和柔度C的半解析表达式十分方便。