关于COD试验中试样尺寸效应的试验研究

本试验测定了三种材料的不同尺寸三点弯曲试样的临界COD数值,并绘出了裂纹扩展阻力曲线。得出在本试验范围内不同几何尺寸的试样开裂COD(δ_i)值基本相同的结论,开裂以后抗裂纹扩展的能力虽有差异,但阻力曲线基本落在同一分散带内。图7,表6,参考文献10。     

控制J积分和COD值的试验方法

一、引言由于下列两个主要原因,使目前J积分和COD试验方法的标准采用了所谓多试样阻力曲线的方法: (1) 到目前为止,还沒有一个具有一定可靠性及普遍适用性的关于裂纹起裂和扩展的物理监测手段;(2)即使用物理监测方法定出开裂点来测得材料的起裂韧性,也只是材料断裂特征的一个侧面,而材料抵抗裂纹继续扩展的能力则需要用阻力曲线来描述。今年国家标准局批准颁布的“利用J_R阻力曲线确定金属材料延性断裂韧度的试验方法”,(简称J积分标准“GB 2038”) 和“COD试验方法”(GB 2358),均采用了多试样阻力曲线方法,并要求得到尽可能均匀分布的试验点,即在要求的Δa范围内,使各试样的Δa分     

单边裂纹弯曲试样的转动修正方法研究

由SEB( single edged bending)试样变形几何关系,提出断裂韧度测试中用于SEB试样J积分塑性功计算的裂纹嘴张开位移V0与加载点在加载线位移VLL的弹塑性转换公式.对SEB试样进行弹塑性有限元分析表明:试样转动中心位置受材料本构关系的影响微小,仅与裂纹长度α与试样宽度W之比有关,进而提出SEB试样转动半径R(裂纹嘴初始位置到转动中心的距离)的表达式,并对公式的有效性进行验证;应用线弹性柔度公式预测裂纹长度,可以忽略试样转动效应的影响,而刚性转动对SEB试样的J积分计算有一定影响,需采用考虑转动效应的载荷与加载线位移关系曲线来获得真实的J-△α阻力曲线.     

考虑裂尖约束效应的小尺寸CIET试样延性断裂行为

应用单试样规则化法完成了压力容器用钢SA-508紧凑拉伸(Compact tension,CT)、三点弯曲(Single edge-notched bending,SEB)和小尺寸含内侧边裂纹C形拉伸(C-shaped inside edge-notched tension,CIET)三类试样的延性裂纹扩展行为试验,获得了J-Δa阻力曲线。结果表明,SA-508钢的J-Δa阻力曲线受试样构形和裂纹尺寸的影响较大,其根本原因在于试样裂纹尖端约束不同而引起延性断裂行为差异。引入J-Q-M三参数约束理论考察断裂试样的裂尖约束效应,采用权重平均法求解与距离无关的约束参数Q。弹塑性有限元分析结果表明,平面应变条件下的Q参数与载荷水平无关,但三维条件下的Q参数却仍受载荷水平的影响。基于J-Q-M三参数约束方法,建立三类试样满足J-Q-M控制的有效尺寸条件。进一步地,结合条件启裂韧度J0.2BL、J0.5BL试验结果和J-Q-M理论,获得了基于Q参数的约束修正J-Δa阻力曲线簇,可用于任意约束试样以及实际含裂纹结构的延性断裂行为预测。     

用线弹性和弹塑性方法确定断裂韧性

用线弹性和弹塑性方法测定了二种Ni-Cr-Mo钢的断裂韧性,从对线弹性/理想塑性的载荷位移曲线的计算以及从实验结果得知:应该采用Merkle和Corten关系来计算紧凑拉伸试样的J积分。用来确定临界J值的外推法,含有某些问题。作为一种选择,建议测定离钝化线一个固定距离的J。从J计算的以及从线弹性方法计算的应力强度因子之间的比较表明:线弹性断裂力学可以使用比金属材料平面应变断裂韧性试验方法ASTM(E 399-74)所规定的尺寸小得多的试样。等价能量法和用不同的夹式仪在离裂纹尖端的不同距离处测定的裂纹尖端张开位移给出了与J积分方法一致的应力强度因子。     

材料拘束相关的J-R阻力曲线的构建

材料的J-R阻力曲线受裂尖拘束的影响。为在结构完整性评定中准确纳入这种影响,需要构建材料拘束相关的J-R阻力曲线。基于新发展的面内与面外统一拘束参数Ad,定义了一个载荷无关的统一拘束参数A_d~*。用有限元法计算了不同拘束试样在不同J积分下的A_d~*值,验证了A_d~*的载荷无关性。基于参数A_d~*和不同拘束试样的J-R阻力曲线,研究了构建材料拘束相关的J-R阻力曲线的方法,并得到了核电压力容器A508钢和X80管线钢的拘束相关的J-R阻力曲线的数学方程。通过方程预测的J-R阻力曲线与数值模拟曲线和试验曲线的对比,验证了方程预测的准确性。所构建的J-R阻力曲线方程可用于结构(如压力容器、管道等)的延性撕裂及裂纹扩展稳定性评定,以提高传统不考虑拘束评定的精度。     

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。     

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。     

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。     

用宽板试验评定COD设计曲线的可靠性

本文检验了焊接结构中确定缺陷容限的COD设计曲线方法的可靠性。采用小尺寸COD试验估算的容许裂纹尺寸与宽板试验中断裂时的临界尺寸的统计比较方法评定COD设计曲线的保守性。通过查阅文献,总共得到80组COD—宽板试验数据,并仔细地作了评价。结果表明,用COD设计曲线估算的容许裂纹尺寸的平均安全系数为3,临界裂纹尺寸超过最大容许尺寸的概率为96.7％。采用安全系数作为比较的指标概要地看出了下述一些重要参量的意义: (a)残余应力对设计曲线估算焊后状态结构的影响。 (b)COD 设计曲线中贯穿裂纹与非贯穿裂纹的比较。 (c)通常在试验室里以三个试样为一组测定COD值,采用其最低值和平均值的相对优缺点。     

我国压力容器面型缺陷安全评估技术的进展——大连压力容器安全评估技术研讨会论文综合评述

本文对1993年11月在大连召开的压力容器安全评估技术研讨会上提出的34篇论文(包括结构J积分工程计算方法、J积分失效评定曲线、材料J—R阻力曲线测试和结构韧性撕裂分析技术等方面)进行了综合评述。     

尺寸效应对小冲杆试验方法评价拉伸性能的影响

为探究尺寸效应对小冲杆试验结果的影响,对镍基合金Incoloy 800H和低合金钢3Cr1MoV开展不同厚度试样(100～500μm)的小冲杆试验,并通过Ludwig硬化模型和有限元方法构建不同试样厚度下的力-挠度曲线和真应力数据库。基于数据库和小冲杆试验曲线获取不同试样尺寸下的真应力-塑性应变曲线。在此基础上预测了材料的强度性能,并建立了试样尺寸和流动应力以及强度性能的关系。结果表明,Incoloy 800H的拉伸性能随着试样厚度的减小逐渐增加,而试样尺寸对3Cr1MoV的拉伸性能影响很小。就拉伸性能对厚度不同的依赖关系进行探讨,为小冲杆试验方法预测拉伸性能时试样厚度的选择设计提供了依据。     

用小型圆形紧凑拉伸试样测定转子芯料的J积分值

本文介绍了一种能简便、准确地测出转子轴类锻件芯料切向J积分值的试样——圆形紧凑拉伸试样(RoundCompactTensile简称RCT)。这种试样除能获得与其他类型试样相一致的实验J积分值外,最重要的是它能测得其他类型试样难以得到的切向J积分值。     

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。     

关于COD试验方法中几个问题的研究

本文在广泛试验的基础上对COD试验方法中的几个主要问题——制备试样的疲劳预裂条件,采用COD阻力曲线方法进行试验的意义,以及具体试验中的有关问题(COD的计算,裂纹扩展量的测量和试验结果的分析处理等)进行了详细的讨论研究。有关的讨论结果将在制定我国的“COD试验方法”标准中得到应用。图9,表4,参考文献18。     

6063铝合金在冲击载荷下的尺寸效应及数值模拟

采用霍普金森压杆(SHPB)在不同冲击压力下对不同尺寸的6063铝合金圆柱试样进行压缩实验。结果表明：在相同压力冲击下,材料的应变率随着试样高径比和横截面的增大而减小。不同尺寸试样在相同的应变率下得到的应力-应变曲线基本吻合。尺寸(直径×高度)为φ8mm×4mm与φ8mm×5mm的试样能获得较广的应变率响应范围。采用ABAQUS有限元软件对铝合金的SHPB动态冲击实验进行了数值模拟,通过二波法计算得到的应力-应变曲线与拟合结果及实验结果吻合较好。     

基于数字图像相关的J积分测量方法

J积分是定量描述裂纹尖端区域应力应变场强度的重要断裂参量,J积分的快速准确测量对于评估机械装备上裂纹的稳定性和扩展性有重要意义。从J积分的原始理论公式出发,结合数字图像相关技术,提出了一种J积分测量新方法。该方法首先通过数字图像相关技术,在不同载荷下对含裂纹缺陷的紧凑拉伸试样的表面位移场和应变场进行测算;然后选取围绕裂纹尖端的矩形积分路径,用离散化的方法对积分路径进行处理,并编写Matlab程序计算J积分;最后将该方法的计算结果与美国电力研究院(EPRI)工程估算法和有限元法获得的J积分进行对比。结果表明,由本文提出的方法获得的结果与其它计算方法获得的结果相近,并且在实验测量J积分方面具有非接触、高精度、光路简单、受环境影响小等优点。方法为裂纹断裂参数J积分的实验测量提供了一种方法,并可用于大型在役机械装备上表面裂纹的安全评估。     

断裂韧性JIC及JR阻力曲线的试验研究（一）—对现有标准与规范的消化吸收

本文论述了Ｊ积分和Ｊ阻力曲线作为表征材料断裂韧性特征的过程，介绍了国际上现有的测试ＪＩＣ和ＪＲ曲线的各种标准。对标准中的几个关键问题：延性断裂韧度ＪＩＣ的确定方法，Ｊ控制裂纹扩展条件，斜化线斜率的确定和对试样几何型式与尺寸要求进行了分析与讨论。     

论J积分与COD的一致性

本文研究了一系列中低强度钢在裂缝扩展过程中的阻力值J_R与δ_R的关系。结果表明,只有通过对阻力值的塑性分量J_P与δ_P的分析,才能找出它们之间关系的合理规律。试验结果指出,在所研究的裂缝扩展范围内,J_R/σ_S—δ_P呈线性关系,这一关系可能受材料特性与试样几何的影响。本文还根据塑性铰链模型,对P-V与P-A曲线之间的相互换算进行了对比分析,结果表明这两种记录曲线实质上是等效的。因此,本文通过广泛的试验,从两个方面证明了J积分与COD的一致性。图9,表11,参考文献15。     

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。