扩展裂纹端变形的有限元计算结果和分析

本文使用与试样几何、加载类型一致的模型,用节点漂移和节点松驰相结合的方法模拟裂纹扩展,进行了扩展裂纹端变形的弹塑性有限元计算。结果表明,在裂纹稳定扩展过程中,裂尖后方微小距离γ_m处,裂纹上、下表面间的张开位移δ_m和裂尖张开角(CTOA)_m均为常值,与实验结果相符。这说明控制裂纹扩展的因素是δ和CTOA,它们应是描述裂纹稳定扩展过程的参量。     

X70管道钢裂纹尖端张开角的试验研究

高压富气输送管道要求发展管道钢的裂纹尖端张开角(CTOA)的测试方法。采用准静态的撕裂过程和长裂纹扩展长度试件,进行了X70管道钢的裂纹扩展试验,用摄像机跟踪拍摄裂纹扩展全过程,从获得的照片上直接测量出裂纹扩展全过程的CTOA值,分析了裂纹扩展中的断裂力学行为。试验结果表明:试件的韧带厚度越小,越容易获得稳定的扩展过程,且稳态裂纹扩展的CTOA值随试件韧带厚度的增加而增大,太厚的试件不易得到稳态扩展过程。韧带厚度为4mm、8mm试件的稳态的裂纹扩展阶段分别为7.6°、11.3°,裂纹扩展长度与韧带厚度比在4―25、4―10之间。     

基于数字图像相关技术的裂纹扩展测量

常用的管道钢断裂韧度测试方法包括夏比冲击试验(CVN)、落锤撕裂试验(DWTT)、裂纹尖端张开位移(CTOD)试验、裂纹尖端张开角(CTOA)试验、双试件法等。双试件法对低韧性材料的测试结果比高韧性材料的要准确,对于表征高韧性的钢管材料的断裂韧度来说,CVN和DWTT方法会受与韧性断裂扩展没有关系的能量耗散的影响,CTOA被很多国内外的学者认为测量结果准确度高,简便易行,是比较方便好用的止裂判据。在对金属裂纹扩展各种测试方法进行系统分析的基础上,研究了基于数字图像相关技术的稳定裂纹扩展阻力测量技术,开发了一种高精度快速测量硬件和软件处理系统,实际应用证明了该系统的实用性和可靠性。     

基于数字图像的裂纹测量系统在X80管线钢全尺寸弯曲试验中的验证

该文提出一种测量结构变形过程中裂纹扩展长度的方法。搭建一种卷积神经网络来抵抗图像中噪声干扰并识别裂纹特征，通过卷积神经网络预测得到裂纹带的初始区域；基于该区域，又提出一种改进的裂纹尖端识别算法来计算裂纹尖端的精确位置坐标；根据位置坐标得到裂纹长度信息。通过增加摄像机的数量，可以同时检测不同位置和方向的裂纹。利用该文提出的方法可以得到裂纹扩展长度与加载信息(如疲劳周期)之间的关系。通过开展中心孔试样疲劳试验和X80管线钢全尺寸弯曲试验，验证了该方法的有效性和准确性。     

气相法白炭黑填充天然橡胶的裂纹扩展机理

研究了不同粒径,不同份数的白炭黑对天然橡胶(NR)裂纹生长行为的影响。采用具有裂纹生长测试功能的DMA(DMA-Crack Growth)对预割口试样的裂纹扩展速度进行测试。利用超高速显微摄像技术对裂纹扩展尖端进行在线追踪,得到裂纹扩展尖端的动态显微图像。结果表明,添加20 phr原生粒径为15 nm的气相法白炭黑时,裂纹尖端韧带均匀且细密,对裂纹生长起到很好的阻碍作用;添加20 phr原生粒径为7 nm的气相法白炭黑时,对试样的裂纹生长有不利影响。     

硫化氢腐蚀对X80管线钢断裂韧性的影响EI北大核心CSCD

测试X80管线钢分别在未腐蚀状态下及饱和H2S预腐蚀后的δ-Δa阻力曲线;分析了H2S腐蚀对其裂纹扩展阻力曲线、断裂韧性、塑性功等方面影响。结果表明,H2S腐蚀后X80材料KIC下限为75.43 MPa·m?。对比分析H2S腐蚀前后测试结果,发现H2S腐蚀会对X80钢的断裂韧性产生显著影响:未腐蚀试样的裂纹扩展阻力曲线明显高于H2S腐蚀后的;H2S腐蚀前后材料的稳定裂纹扩展下的启裂韧度δ0.2BL分别为0.740 mm和0.365 mm,前者是后者的2.02倍;扩展量Δa相近的情况下,未腐蚀试样的裂纹扩展过程所需塑性功是H2S预腐蚀后的2.29倍左右,H2S腐蚀明显会降低X80材料的断裂韧度。因此,管道在输送天然气过程中应尽量避免H2S的腐蚀,保证材料的韧性不受破坏。     

X80油气管道焊缝双裂纹干涉效应多场耦合数值模拟方法

基于漏磁法检测管道焊缝理论,应用虚拟裂纹闭合法(Virtual crack closure technique,VCCT)提出一种流固磁多场耦合方法。以解决工程问题为例,由于实际管道中裂纹多以裂纹群的形式存在,因而应用该方法研究了X80管道焊缝共线双裂纹、环向对称双裂纹扩展问题。通过对管道焊缝内壁动态施加流体压力载荷,每完成一次裂纹增量扩展,重构网格,计算裂纹扩展进程中的特征量,包括管道内流体压力载荷P、裂纹尖端能量释放率GⅠ、扩展长度L、裂纹尖端张开角度CTOA、磁感应强度分量峰值Bxp,循环进行裂纹扩展和磁场分析。数值算例结果表明:共线双裂纹的干涉效应加速了裂纹扩展进程;环向对称双裂纹间距较大时,加速了裂纹扩展进程,当环向间距小于或等于0. 5倍的焊缝环向弧长的双裂纹时,由于双裂纹干涉效应,双裂纹的存在抑制了裂纹的扩展。该方法的实现可为指导实际X80管道安全评估提供理论依据。     

硫化氢腐蚀对X80管线钢断裂韧性的影响

测试X80管线钢分别在未腐蚀状态下及饱和H2S预腐蚀后的δ-Δa阻力曲线;分析了H2S腐蚀对其裂纹扩展阻力曲线、断裂韧性、塑性功等方面影响。结果表明,H2S腐蚀后X80材料KIC下限为75.43 MPa·m?。对比分析H2S腐蚀前后测试结果,发现H2S腐蚀会对X80钢的断裂韧性产生显著影响:未腐蚀试样的裂纹扩展阻力曲线明显高于H2S腐蚀后的;H2S腐蚀前后材料的稳定裂纹扩展下的启裂韧度δ0.2BL分别为0.740 mm和0.365 mm,前者是后者的2.02倍;扩展量Δa相近的情况下,未腐蚀试样的裂纹扩展过程所需塑性功是H2S预腐蚀后的2.29倍左右,H2S腐蚀明显会降低X80材料的断裂韧度。因此,管道在输送天然气过程中应尽量避免H2S的腐蚀,保证材料的韧性不受破坏。     

落锤撕裂试验的发展及其在评价材料韧断止裂性能中的应用

综述了按GB/T 8363与API RP 5L3等标准所执行的铁素体钢落锤撕裂试验(DWTT)技术的发展概况及其在评价高强度、高韧性金属材料动态断裂性能,特别是在韧断止裂性能中的应用,如高等级管线钢、压力容器用钢以及高止裂性能船板用钢等。具体而言,第一代DWTT试验机具有较高打击能量冲断试样暴露断裂面,仅用于评价设定温度断口剪切面积分数pSA指标;第二代试验机可实测试样的DWTT吸收能,是夏比冲击技术在大尺寸试样与实物性能评测中的重要拓展;第三代试验机具备仪器化测力分析功能,可结合弹塑性断裂力学原理开展动态断裂性能评价,特别是评估管线钢的临界裂纹尖端张开角度指标,即ψCTOA,c。     

NiTi合金动态断裂过程的实验和数值方法研究

为获得Ni Ti合金的动态起裂韧度和动态扩展速度与动态加载率之间的定量变化规律。利用分离式霍普金森压杆(SHPB)测试系统对单边三点弯曲试样(SENB)进行冲击加载试验,采用实验-有限元相结合的方法,获得动态断裂参数随时间的变化规律。SENB试样裂纹起裂时刻和裂纹扩展速度由粘贴在裂纹尖端的裂纹扩展计(CPG)测定。采用上述方法和数据获得Ni Ti合金的I型动态起裂韧度和动态扩展速度。实验结果表明:裂纹扩展计测得的起裂时刻与粘贴在同一试样上的监裂应变片测得的结果基本相符,因此可以利用裂纹扩展计代替传统的监裂应变片来监测裂纹起裂时刻,并获得Ni Ti合金的起裂韧度。同时,可以利用裂纹扩展计(CPG)获得裂纹动态扩展过程,绘制出裂纹扩展速度与时间的关系曲线,从而探讨Ni Ti合金的动态断裂韧度和裂纹扩展速度与动态加载率之间的定量变化规律。     

X80管线钢焊接接头微观断裂行为的TEM原位观察

为了从微纳米尺度研究管线钢的断裂方式,通过透射电镜原位拉伸方法,从焊缝区和热影响区直接取样,直观测试了X80管线钢在晶粒尺度范围的裂纹生长、扩展等断裂过程和机理.研究表明:在原位拉伸过程中,晶内发射的螺型位错与刃型位错速率之比约为4∶1;晶界裂纹为不连续扩展,而裂纹在晶内沿其DFZ的方向萌生扩展,其扩展是连续的.在加载过程中,裂纹会越过晶界扩展,当裂纹越过大角度晶界时,裂纹扩展方向改变约为30°,扩展方式也会有所变化;当裂纹越过小角度晶界时,裂纹扩展方向不变,扩展方式也不变.     

预制裂纹角度对橡胶拉伸断裂影响的有限元分析

初始裂纹的形态影响着裂纹尖端的应力场和扩展方向,进而决定着橡胶材料的使用寿命。目前人们关于预制裂纹试样拉伸断裂的研究主要集中在直裂纹,很少涉及预制裂纹角度的改变对橡胶拉伸断裂的影响。文中应用ANSYS有限元分析软件计算拉伸状态下含不同裂纹角度橡胶试样裂纹尖端的等效应力值和撕裂能的大小,判断裂纹是否扩展及扩展方向,并对橡胶试样进行拉伸验证试验测试。结果表明,在拉伸断裂过程中,裂纹尖端的应力值和撕裂能随着初始预制裂纹角度的增大而增大,裂纹尖端形状均由初始的尖点变成圆弧状;含不同裂纹角度橡胶试样的拉伸断裂形貌与裂纹预测扩展方向基本一致,验证了有限元分析的正确性。     

管线钢在近中性pH值溶液中的应力腐蚀

为研究不同强度管线钢在近中性土壤环境中的耐腐蚀性能,模拟近中性土壤环境,采用C型环试样进行浸泡试验、电化学试验(极化曲线)来研究X80和X100这2种高强度管线钢在近中性环境中的应力腐蚀行为,采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)对试验后的试样腐蚀形貌、产物、结构进行了分析。结果表明:在模拟近中性土壤环境下,耐点腐蚀性能X100>X80,加载应力试样<不加载应力试样; 2种材料均表现出应力腐蚀开裂(SCC)敏感性,SCC敏感性X100>X80,说明随着管线钢强度的提高,SCC敏感性增大;应力腐蚀机制为阳极溶解(AD)+氢脆(HE)。     

基于等效能量原理的延性材料J (δ)阻力曲线测试新方法研究

基于等效能量原理获取的I型裂纹试样弹塑性载荷-位移关系和J积分-载荷关系半解析统一表达式,借助半解析法实现了对多种裂纹试样J阻力曲线的有效测试;采用该方法,还可很容易实现C型外缺口压缩(C-shaped outside edge-notched compression,COEC)小试样的高温J阻力曲线测试。此外,借助半解析公式确定的锐裂纹试样的实时裂纹扩展长度,亦可实现延性材料的裂尖张开位移(Crack tip opening displacement,CTOD,δ)阻力曲线测试。     

交变载荷下化学镀Ni-P合金在45钢疲劳裂纹尖端的沉积行为研究

研究了在交变载荷作用下,化学镀液渗注到裂纹尖端的沉积行为对裂纹扩展速率的影响.用扫描电镜观察了化学沉积处理后裂纹面的形貌,并用能谱仪和X射线衍射仪对裂纹尖端镀层进行了成分和物相分析,最后将未处理试样与化学沉积处理过试样的裂纹扩展速率进行对比.结果表明:裂纹尖端发生了明显的镍磷合金的沉积行为,且在裂纹尖端进行化学沉积处理能有效降低裂纹扩展的速率.     

论几何尺寸因素对大变形时裂纹扩展J积分阻力线变化规律的影响

本文对大塑性变形条件下，裂纹稳定扩展过程的Ｊ积分阻力曲线变化规律进行了全面的分析。给出了不同的约束条件下ｄＪ／ｄａ与试样的载荷因子Ｌ、裂纹尖端张开角ＣＴＯＡ及裂纹扩展时的瞬时旋转中心的系数ｒ＾＊之间的理论表达式。从而论证了不同的约束条件下，试样的几何尺寸因素对其Ｊ阻力曲线变化趋势的影响规律。     

论几何尺寸因素对大变形时裂纹扩展J积分阻力曲线变化规律的影响

本文对大塑性变形条件下,裂纹稳定扩展过程的Ｊ积分阻力曲线变化规律进行了全面 的分析。给出了不同的约束条件下ｄＪ／ｄａ与试样的载荷因子Ｌ、裂纹尖端张开角ＣＴＯＡ及裂 纹扩展时的瞬时旋转中心的系数ｒ~＊之间的理论表达式。从而论证了不同的约束条件下,试样 的几何尺寸因素对其Ｊ阻力曲线变化趋势的影响规律。     

铌钒系X70管线钢落锤撕裂试验断口分离的原因

为了分析铌钒系X70管线钢落锤撕裂试验(DWTT)断口分离的原因,通过光学显微镜观察分离裂纹尖端和断口附近未变形区组织形态,发现分离裂纹起源于带状组织薄弱界面;通过图像分析软件统计了不同断口分离严重程度试样的铁素体晶粒度和珠光体面积百分比,找出组织形态与分离严重程度的关系,认为中心偏析带状组织以及珠光体带状组织是导致断口分离的原因;通过控轧控冷(TMCP)工艺,特别是ACC水冷工艺的优化,使组织细化,带状组织消除,最终使DWTT断口的分离裂纹得以消除。     

高温合金CT试样裂纹前沿应力分布及第二相影响的模拟计算

利用有限元方法分析了IN718合金CT试样裂纹区域的应力应变分布、裂纹尖端应力强度因子及第二相状态对它的影响，计算结果与实测数据基本一致，表明采用有限元方法研究含裂纹体构件的蠕变行为是一种较好的研究手段。通过计算认为，IN718合金在时效初期虽然有α-Cr相的析出而不至于促进蠕变裂纹扩展，是由于α—Cr于δ相周围γ″贫化区(微塑性区)内析出而处于微塑性区内使得裂纹尖端钝化，不利于裂纹扩展。     

10Ni5CrMoV钢双轴弯曲应力下表面裂纹疲劳扩展特性研究

以10Ni5CrMoV钢为研究对象,在加载条件与构件使用环境相近条件下,在原板厚大尺寸试样表面引入人工缺口模拟实际构件中存在的类表面裂纹缺陷,采用双轴弯曲疲劳试验方法,开展原板厚大尺寸试样双轴弯曲应力下的表面裂纹疲劳扩展特性试验研究。结果表明,裂纹半长c和裂纹深度a都随循环次数N单调递增,且曲线a-N满足一定的线性关系。建立表面裂纹半长c与深度a之间的定量关系式预测模型,从而定量解决裂纹深度尺寸不好直接测量的难题。