基于SENT试样获取材料断裂韧度的载荷分离法研究

单边裂纹拉伸(Single edged notched tension,SENT)试样因其低约束特性逐渐被用于管道材料的断裂韧度评定。根据有限元法,提出SENT试样的应力强度因子表达式,J积分计算中的增量塑性功算式以及塑性因子算式,并与文献中公式进行对比证实公式的精确性和有效性。依据ASTM用于CT试样获取断裂韧度载荷分离理论规则化方法提出适用于SENT试样的量纲一载荷分离法,并通过有限元计算证实SENT试样载荷分离的成立性。由量纲一载荷分离理论中的规则化方法完成了汽轮机低压转子材料30Cr2Ni4MoV、电站用P92管道钢以及5083-H112铝合金SENT试样断裂韧度值以及J阻力曲线测定,获得了各材料合理的J阻力曲线及条件断裂韧度JQ值。     

用于断裂韧度测试的C形环小试样的规则化方法与应用

伴随结构精细化、小型化的发展,薄板、薄壁管件等小尺寸构件得到应用,试样小型化对满足特殊取样要求和材料断裂韧度测试需求有重要工程意义,而基于非标小试样的材料断裂性能测试方法尚难满足需求。设计用于延性材料断裂韧度测试的C形环小试样,提出应用该类小尺寸试样获取材料延性断裂韧度的、基于量纲一载荷分离理论的规则化测试方法。分别采用C形环小试样和传统紧凑拉伸型(Compact tension,CT)大试样完成转子材料26Ni Cr Mo V11-5钢和压力容器材料A508-Ⅲ钢的J阻力曲线试验,讨论C形环小试样厚度、初始裂纹长度对试验结果的影响。结果表明,试样厚度和初始裂纹长度对C形环的J阻力曲线测试结果影响有限,但C形环试样裂尖具有更高的约束水平,由C形环试样得到的J阻力曲线明显低于CT试样的结果。     

高温长期运行Cr-Mo钢断裂性能微试样测试实验研究

开展采用小冲杆微试样试验技术评定材料断裂性能的研究.针对2.25Cr-1Mo钢(脆化态和脱脆态)及1.25Cr-0.5Mo钢,将小冲杆试验测试结果与常规冲击韧度及断裂韧度试验结果相关联,得到小冲杆试样变形过程中消耗的总变形能与常规夏比冲击功间的对应关系经验公式,以及小冲杆试样等效断裂应变与材料延性断裂韧度间的关联式,说明可以直接采用小冲杆试验结果估算材料的冲击及断裂韧度值,为无法取标准试样进行材料抗断裂性能测试场合提供了一种可行的间接测试技术.     

微试样法测量25Cr2NiMo1V钢断裂韧度试验研究

以25Cr2Ni Mo1V转子钢为研究对象,采用微三点弯曲试样开展了室温下的断裂韧度试验,分析了断裂韧度的尺寸相关性。结果表明,相对于大尺寸试样,微试样断裂韧度减小且数据分散。这主要由于微试样平面应力状态占主导,试样厚度和韧带对裂尖变形的拘束程度减小,裂纹稳定扩展能力下降。结果为采用缺口微试样测量断裂韧度提供了有益的尝试。     

应用解理断裂局部法预测任意应力-应变关系材料断裂韧度KIC的新方法

提出了采用解理断裂局部法模型预测任意应力-应变关系材料断裂韧度的新方法,并预测了国产A508-Ⅲ钢及16MnR钢在不同解理断裂概率时的断裂韧度,从理论上证明了对于大多数压力容器所使用的C-Mn钢,62%的解理断裂概率相对应的载荷是最有可能引起结构解理断裂的载荷,此时对应的断裂韧度值也最有可能接近材料真实的断裂韧度值.国产A508-Ⅲ钢及16MnR钢三点弯曲试样62%的解理断裂概率相对应的断裂韧度值与试验值较为接近.     

基于材料断裂韧度测试的COD换算方法研究

考虑到断裂韧度J积分塑性分量的塑性功由载荷与加载线位移关系得到,通过测试CT(compact tension)和SEB(single edge bending)试样的裂纹嘴张开位移实现J积分计算,提出适用于两种试样的裂纹嘴张开位移与加载线张开位移转换的换算公式,并采用45钢CT试样和30CrMo钢SEB试样对新公式进行有限元数值比对和试验比对。结果表明,新公式结果与规范演算结果之间的相对误差不超过0.4%,与有限元分析结果之间的相对误差不超过0.6%,与CT试样试验结果之间的相对误差小于4.5%,与SEB试样试验结果之间的相对误差小于6%。     

X70钢临界CTOD值ANSYS计算

随着海洋工程的发展,探索海洋油气的项目增多,天然气、石油的输送工程也日渐发展起来。UOE生产工艺下的高强X70钢被广泛运用到油气输运工程中,然后强度越高的钢其断裂韧度越低,需对这种高强钢的断裂韧度值进行确定。材料断裂韧度大小可以用临界裂纹尖端张开位移CTOD(crack tipopening displacement)来度量。临界CTOD是弹塑性断裂力学中重要的参数,其大小直接反映了裂纹尖端材料抵抗开裂的能力,临界CTOD值越大表示材料抗开裂性能越好,反之抗开裂性能越差,确定临界CTOD值意义重大。首先依据BS7448规范对X70钢断裂韧度临界CTOD值进行了测试,然后利用Ansys软件从CTOD定义出发对X70钢临界CTOD进行了计算,实现了试验与模拟的对比分析,可供压力容器和管道生产和结构安全性评估企业借鉴。     

基于局部法定量表征面外拘束效应对转变区间断裂韧度的影响

拘束效应制约了主曲线法表征转变区间的断裂韧度,局部法作为一种细观解理断裂力学方法有望用来解决这个问题。利用两种不同拘束配置的三点弯曲试样,通过交点法标定了国产压力容器用钢Q345R的局部法参量,借助于韧性换算思想将低拘束的试样断裂韧度结果换算成高拘束的结果。通过对比高拘束实测参考温度T 0值,验证了模型的正确性。基于此提出了一种预测不同面外拘束试样参考温度的方法,通过改变厚度的大小,研究了三点弯曲试样厚度对T 0的影响。结果表明,试样厚度越大,韧脆转变温度越高,断裂韧性下降,当厚度大于25.4 mm后会出现一个韧性平台,接近平面应变状态;厚度低于该值会造成严重的拘束缺失,T 0值远大于真实值会造成危险评估,尤其对于低硬化材料,这种现象更为明显。     

基于显微组织的多层焊接接头断裂韧性试验研究

对NiCrMoV钢多层焊接接头进行了准静态断裂性能试验,试验中发现埋弧焊焊缝断裂韧性J值分散性较大。根据焊接试样韧性断裂和脆性断裂的情况,分组拟合J-R阻力曲线和计算有pop-in效应的尺寸敏感断裂韧度Jc(25)值。分别对呈现韧断和脆断的多层焊接试样断口的启裂部分进行扫描电镜分析,发现多层焊接焊缝的断裂韧性与试样预制裂纹尖端在焊缝接头中的位置有很大关系。对多层焊接接头各组织的成因以及对断裂韧性的影响进行了分析和研究,可知多层焊缝的粗大柱状晶、再结晶粗晶和再结晶细晶区交替存在的复杂组织是焊接接头断裂韧性分散性大的根本原因。     

材料断裂韧度与试样厚度关系研究

研究试样厚度对材料断裂韧度的影响，通过采用格利菲斯表面能理论和巴林布拉特吸附力理论，结合达格代尔塑性准则，给出有关断裂韧度与试样厚度关系的数学描述。并通过两种试验材料LY12CZ（L－T）与TC4（L－T）进行了验证。     

31Si2MnCrMoVE钢薄板试样表面裂纹断裂韧度测试

31Si2MnCrMoVE钢是为符合固体火箭发动机壳体设计需要而专门研制的超高强度钢。随着冶炼技术的进步,31Si2MnCrMoVE钢断裂韧度不断提高,构件采用的板厚也越来越薄。由于较高的断裂韧度和较小的板厚,给钢板表面裂纹断裂韧度测试带来困难,韧带尺寸偏小,难以满足有效性判据。这种情况下,不应该用线弹性断裂力学方法评价材料的断裂韧度,而应采用弹塑性断裂力学测试材料的延性断裂韧度JIC。基于以上原因,在条件断裂韧度不满足有效性判据的情况下,采用试验与有限元分析相结合的方法,通过试验测出裂纹启裂时的条件载荷,用有限元法计算出在条件载荷作用下的延性断裂韧度JIC,再用断裂力学理论转换成表面裂纹断裂韧度KIe。用JIC作为断裂参量,就必须分析J积分的有效性,因此讨论超高强度钢表面裂纹前缘的J守恒和J主导的有效性,从而为固体火箭发动机设计提供依据。     

X70管线钢J1d和K1a与V型缺口Ak关系研究

在不同温度下测试了X70管线钢动态断裂韧度K1d、J1d和止裂韧度K1a以及夏氏V型缺口冲击韧度Ak,对三者的关系进行了分析.结果表明温度和加载速率都对断裂韧度产生影响;加载速率变化引起的韧-脆断裂转变具有热激活特征,在热激活分析基础上,在应力强度因子速率K=15 MPa·m1/2s-1条件下,得出断裂韧度、止裂韧度和冲击韧度三者的关系Ak=4.84×106T-2.8K1d(或K1a).可以用小试样Ak数据计算得到K1d和K1a.     

小冲杆试验评价材料的断裂韧度

为了评价材料断裂韧度，通过小冲杆试验对2．25Cr1Mo的回火脆态、脱脆态、焊缝区以及1．25Cr0．5Mo钢进行了试验研究，并对所得的小冲杆试验数据进行了分析。结果表明小冲杆等效断裂应变εe与小冲杆能量Esp之间存在重要的线性关系；同时发现断裂点的小冲杆能量值与材料的断裂韧度值线性相关。该方法为无法获取标准试样进行材料抗断裂性能评价场合提供了一种可行的测试技术。     

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。     

温度及显微组织对30A钢断裂韧度的影响

用三点弯曲试样通过系列温度下的裂纹尖端张开位移(COD)试验，研究了温度对30A钢断裂韧度的影响。同时采用透射电镜(TEM)分析研究了30A钢在不同热处理制度下的显微组织结构特征，得出了温度、显微组织对30A钢断裂韧度的影响规律。     

基于BS7910含缺陷X80钢焊接管道的安全评定

根据英国标准BS7448,制备带预制疲劳裂纹的三点弯曲(three point bent,TPB)标准试样,对X80管线钢焊缝、热影响区和母材进行0℃断裂韧度试验,根据CTOD(crack tip opening displacement)试验结果,结合材料的力学性能、载荷条件,采用英国BS7910结构完整性评定方法的1A、2A评定曲线,针对焊缝内部的深埋裂纹,对X80钢管道焊缝进行安全评定。通过迭代计算确定含有深埋裂纹X80钢管道焊缝中的容许裂纹尺寸。     

基于示波冲击实验材料动态断裂韧度测试技术的研究

采用预裂纹Charpy冲击试样,基于示波冲击试验建立了测试材料动态断裂韧度的试验方法。与以往预裂纹试样动态应力强度因子的计算方法不同,采用Timoshenko梁理论,提出了一种简单方法来计算三点弯曲试样的刚度K(a),由此建立了三点弯曲试样动态应力强度因子的计算方法,通过实验测得启裂时间,从而确定动态断裂韧度。采用有限元方法对试样动态应力强度因子的理论计算方法进行了验证。结果表明,建立的计算方法准确、可靠,避免了复杂的数值计算,便于工程应用。     

两种缺口Q420钢的低温断裂韧度

结合工程应用背景,采用Q420桥梁用钢板,加工成W/B=2、S/W=5的非标准三点弯曲试样,通过线切割和线切割后预制疲劳裂纹两种方式得到相同长度的初始缺口,对其-30 ℃的低温断裂韧度进行试验研究,分析比较两种缺口试样断裂韧度测试条件值Kq和强度比Rsb,评价具有以上两种缺口时材料对脆性失稳扩展的不同抵抗能力,并求得相应的缺口修正系数;最后,从试样的P-V曲线图和断口分析其中的原因.试验分析结果为Q420钢的具体工程应用提供依据.     

平纹编织C/SiC复合材料层间断裂行为试验研究

通过双悬臂梁和端部切口弯曲试验分别对平纹编织C/SiC复合材料的Ⅰ型(张开型)和Ⅱ型(滑开型)层间断裂行为进行试验研究,得到该材料以临界能量释放率GⅠC和GⅡC表征的层间断裂韧度值.试验后利用光学显微镜对两组试验的试样断口进行显微观察,以分析其破坏机理.结果表明:Ⅰ型层间断裂韧度值GⅠC和Ⅱ型层间断裂韧度值GⅡC分别为(737.2±57) J/m2和(1082.7±90) J/m2;Ⅰ型开裂为层间SiC基体沿初始裂纹方向的断裂破坏;Ⅱ型开裂与Ⅰ型开裂相似,但裂纹上下表面包裹碳纤维束的SiC基体发生脱落,并且出现碳纤维束中部分碳纤维剪切破坏.     

非均质焊接接头断裂行为预测研究

基于局部法定量研究了焊接接头中强度匹配、试样几何形式对接头断裂行为的影响。首先由标准三点弯曲试样的断裂韧度值,得出反映材料脆性断裂的控制参量,再根据该参量对不同接头强度匹配下三点弯曲和双边裂纹拉伸试样的断裂行为进行了定量预测,当考虑由于延性裂纹扩展所造成的应力升高后,其结果与试验结果相当吻合。表明局部法能很好地描述材料的断裂行为。