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。     

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。     

高撕裂阻力金属延性断裂韧度测试方法探讨

讨论现行J积分测试方法在测定高撕裂阻力(dJ/da)金属延性断裂韧度JIC时所遇到的困难,结合工业金属冶金组织特性分析裂纹试样受力后的钝化、启裂及裂纹稳态扩展过程,并给出此类材料的JIC测试方法.研究指出,裂纹启裂过程是一个由塑性变形为主导的裂纹顶端伸张变形和裂尖钝化向微孔型断裂过渡的过程;开裂点实际上是在漫长的裂纹前沿上大部分地方完成这一过渡,裂尖伸张区(stretched zone, SZ)达到饱和,微孔开裂机制开始占据主导地位的标志.采用直线和幂函数形式拟合启裂后的J-Δa关系,以及采用幂函数形式拟合启裂前与启裂后全过程的J-Δa关系均可得到很相近的相关性,且在一定程度上,后者显得更合理.     

X70管线钢管环焊接头在低约束条件下的断裂韧性

针对基于应变设计的X70管线钢管,采用单边缺口拉伸试验对该钢钢管环焊缝金属及热影响区的裂纹尖端张开位移进行研究,获得了裂纹延性扩展过程的断裂阻力曲线,并对热影响区试样的试验结果进行了有效性验证。结果表明:热影响区试样的裂纹尖端距熔合线的距离在0.5mm以内,焊缝金属和热影响区试样的断裂阻力曲线分别为δ=1.395 78(Δa)0.783 35,δ=1.553 38(Δa)0.821 75;采用单边缺口拉伸试验能准确测出管线钢环焊接头在低约束条件下的断裂韧性;试验结果可以为管线基于应变设计和工程临界评价提供依据。     

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     

判定延性材料断裂行为和裂尖约束的无因次参量R

从应变能密度概念出发,运用无因次参量Ｒ讨论了裂尖附近处元素的三轴应力状态和裂尖约束程度。利用参量Ｒ估计了大尺寸三点弯曲试样在不同裂纹长度下的断裂行为,根据Ｒ的大小可以判定具有较好延性的材料是忙属于剪切断裂还是解理断裂,利用无因次参量Ｒ对判定延性材料的断裂行为和裂尖约束程度具有普遍意义。本文提出的方法简单、实用,在工程上有使用价值。     

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。     

全层状TiAl基合金拉伸试验断裂过程及机理

通过对全层组织TiAl基合金不同缺口试样进行原位拉伸试验,结合数据分析以及断口形貌的观察,研究TiAl基合金拉伸的断裂过程和断裂机理.研究发现在原位拉伸试验中,对于直缺口试样,裂纹起裂于缺口根部,其断裂过程主要是主裂纹(沿层裂纹)首先起裂、扩展、连接,然后形成解理断裂起裂源.这一起裂源形成的同时,在刚好能满足Griffiths脆性解理断裂所需要的临界裂纹尺寸时,引起整个试件发生脆性解理断裂.裂纹首先起裂于层间,层间是薄弱环节,断裂方式是穿层断裂和沿层断裂的混合体,以穿层断裂为主.对于大圆弧和平板试样,这种材料的断裂过程是:首先在较高外加载荷下,在标距范围内比较薄弱的区域沿层开裂,随着外加载荷的进一步增加,这些微裂纹扩展,当微裂纹引起的应力集中和外加载荷共同作用足以引起微裂纹进一步贯穿的瞬间,即能量积累到一定程度时,试样整体发生解理断裂.很多试样的断裂是直接起裂的过程,一旦产生裂纹试样立即解理断裂,即这种材料的强度较高,材料很难产生裂纹,也不易损伤.     

管道结构与不同实验室试样间裂尖拘束度的匹配

选用统一拘束参数Ap,采用有限元模拟方法分别对不同初始裂纹尺寸下管道结构和实验室单边缺口弯曲(SENB)试样、紧凑拉伸(CT)试样、单边裂纹拉伸(SENT)试样和中心裂纹拉伸(CCT)试样的裂尖拘束度进行了表征,并构建了管道结构与实验室试样间裂尖拘束度的匹配。结果表明:管道结构的裂尖拘束度与SENB试样和CCT试样的裂尖拘束度匹配性较差;初始裂纹尺寸a/c=0.2,a/t=0.5(a为裂纹深度,c为1/2裂纹长度,t为管壁厚度)条件下管道结构的裂尖拘束度与含有深裂纹(a/W=0.7,W为试样宽度)CT试样的裂尖拘束度相接近,初始裂纹尺寸a/c=0.8,a/t=0.5,0.8条件下管道结构的裂尖拘束度与含有深裂纹(a/W=0.5,0.6,0.7)CT试样的裂尖拘束度相匹配;管道结构的裂尖拘束度与SENT试样的裂尖拘束度相近,二者具有较好的匹配性;在对实际结构进行完整性评定时,可选择与实际结构裂尖拘束度相近的实验室试样进行断裂力学试验,以其测定的断裂力学性能对该实际结构进行评定,从而增加评定的准确性。     

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。     

金属材料J—R曲线及条件起裂值的单试样三曲线法

用单试样三曲线法测定了１２Ｃｒ１ＭｏＶ，１．２５Ｃｒ０．５ＭｏＳｉ，１６ＭｎＲ三种钢材和一利焊缝金属的Ｊ积分阻力曲线及其条件其条件直起值，与标准的多度样测定结果基本吻合。实验表明，单试样三曲线的关联分析反裂纹三点弯曲试样的宏观断裂物理过程，延性裂纹的扩展符合幂函数规律。     

LC4CS铝合金三维复合型断裂的试验研究

设计并完成了LC4CS铝合金2mm,4mm,8mm,14mm等四种不同厚度紧凑拉伸试样的Ⅰ＋Ⅱ复合型断裂试验，得到各个厚度下不同加载条件时不同加载条件的载荷位移曲线和裂纹起角。结果表明试样厚度和载荷复合比对试样的承载能力，裂纹起裂角均有明显影响，纯I型载荷下载薄试样的承载能力好于厚试样；Ⅰ＋Ⅱ复合载荷条件下4mm的承载能力最大，2mm和8mm接近，14mm最小，纯Ⅱ型载荷条件下各厚度的承载能力基本一致。2mm试样的起裂角值与14mm试样的值很接近，4mm试样的值略高，8mm试样的值低得多，基于平面假设基础上的最大周向应力准则能够很好地预测2mm薄试样和14mm厚试样的裂纹起裂角，但预测8mm中间厚度时误差很大，此结果为建立三维复合型断裂准则提供必要的试验基础。     

平面应力条件下裂端约束与裂纹启裂准则

本文利用有限元方法对平面应务条件下带有不同裂纹深度的各种裂纹试样裂端应力三轴性约束水平及其他性质进行了大量的计算分析。结果表明：平面应力裂端约束强度完全符合HRR场的要求,而且与试样几何形状、裂纹深度、材料状态等基本无关。由此确保了J积分主导裂端场的有效性、裂纹启裂准则的材料党数性质及其有同等裂端约束条件下表征不同材料断裂韧度的可比性,并得到实验结果的证明。     

裂纹起扩展阻力Ji与基本力学性能的关系

韧性裂纹开始扩展的J积分值对于韧性断裂的工程构件是一个重要的材料性能指标.统计了三个钢种两种焊缝200多个J积分值.发现当裂纹生长量Δa＜0.6 mm时,Δa与J积分值存在线性关系,可以用J=J0+K(Δa)表示,式中K=di/dΔa(Δa=a0+da),a0是J-Δa曲线与钝化线的交点.当da=0时的J值以Ji表示,它表示了韧性裂纹开始扩展时的J积分值.实验证明,只有Ji与静拉伸发生颈缩时的颈缩比功有良好的线性相关性,从而由Ji换算得KIC也应与颈缩比功线性相关(相关系数＞99%),而与静力韧度无关.而韧性裂纹开始扩展以后,各个扩展量下的JR值与静力韧度、颈缩比功无任何相关性.     

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。     

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。     

弹塑性材料裂纹扩展的动态J阻力曲线实验研究简介

为得到弹塑性材料裂纹扩展的阻力曲线,采用较大外径和较大韧带直径的周边切口短圆柱小试件,在自行研制的间接杆-杆型冲击拉伸试验装置上进行动态断裂和起裂止裂试验.采用数值分析提出的修正方法得到韧带面上的载荷,结合测得的裂纹嘴张开位移(crack mouth opening displacement,CMOD),推广Rice远场J积分公式来计算动态J积分;依据柔度变化率法确定起裂点,获得动态起裂韧度JID.利用柔度标定法得到裂纹扩展轨迹;提出周边切口拉伸试件裂纹扩展阻力的动态JM(t)积分表征的修正形式,从而得到弹塑性材料裂纹扩展至止裂前的阻力曲线,并对相关问题进行讨论.试验结果表明,修正后的JM(t)可以作为裂纹扩展阻力的表征参量,不仅适用稳态扩展过程,对裂纹扩展较大时也是适用的;对弹塑性材料裂纹扩展阻力曲线是唯一的,与裂纹初始长度无关.     

试件和内压管道裂纹端约束效应的相关性分析

为使实验得到的结果更好地应用于估测内压管道的断裂,选取X80钢试件的一些几何体和载荷配置,在J-A2方法的基础上,用平面应变及非线性分析,对不同形式和尺寸的断裂试件裂纹端的约束效应进行数值计算,得到各种试件的J-A2曲线.结果表明,单边缺口拉伸试件的约束参数A2对载荷水平J不是很敏感.而单边缺口弯曲和紧凑拉伸试件由于弯曲应力的影响,A2值随J有一定的变化.具有相同裂纹深度的单边缺口拉伸试件与内压管道的J-A2和a/W-A2曲线相关性较好.最后,应用单边缺口拉伸试件的实验曲线和管道的有限元数值结果,对有裂纹管道进行断裂预测.     

条形微裂纹对16MnR钢解理断裂韧性的影响

在常温下对热轧16MnR低合金钢缺口试样进行了不同预加载荷的正反弯曲试验,以在缺口前引入不同尺寸的条形微裂纹,然后通过高温回火消除残余应力和加工硬化,随后在—196℃下进行4点弯曲断裂试验,研究了条形微裂纹尺寸对缺口试样解理断裂韧性的影响。结果表明:当预载荷比(P₀/P_gy)小于0.861时,预载荷对解理断裂韧性影响较小;当预载荷比大于0.861后,条形缺陷在外加载荷作用下撕裂而形成的条形微裂纹,并且随预载荷比的增大条形微裂纹数量增多、尺寸增大、分布区域扩大,断裂载荷、断裂吸收功随预载荷比的增加而迅速下降;条形微裂纹所引起的局部高应力应变范围增大,使解理起裂源分布范围增大,也造成了缺口韧性参数P₁和W数值的分散。     

加载CTOD的直接测定

作者借助扫描电镜,在加载条件下观测了10×10mm预裂纹三点弯曲试样裂纹顶端的钝化和起裂过程。提出了微裂纹扩展阻力曲线概念,给出了宏观起裂状态的确切定义,同时提供了一个测定起裂COD的全新方法。