压力钢管弧坑缺陷有限元分析

结合因弧坑缺陷引发压力铜管焊缝开裂的工程实例,采用有限元分析软件Ansys对钢管焊缝弧坑缺陷处的应力分布进行计算,分析了在单个弧坑情况下应力强度值的分布规律,以及在多个弧坑情况下弧坑处应力强度值和应力集中系数之间的相互影响,从而为该压力铜管的安全评定提供了力学依据。     

焊缝热裂纹强度准则分析

采用数值模拟和断口试验的方法分析焊接热裂纹与应力参量间关系. 采用有限单元法分析焊接热弹塑性过程,提取焊缝热过程应力参量的时历. 以热裂纹中纵向裂纹、横向裂纹、焊趾裂纹以及弧坑裂纹为例,对比不同类型的热裂纹所处焊道区域的应力三维度、第一主应力以及剪应力等应力参量在热脆性敏感温度区间的分布特征及对焊接热量输入的依赖性,结合工程经验及断口试验,探讨焊接热裂纹开裂的应力参量作用机制. 结果表明,不同类型热裂纹对应力参量敏感性各不相同,具有不同开裂机理,由此建立不同裂纹类型的强度准则.     

核反应堆关键焊接结构应力腐蚀裂纹失效评估

以沸水堆堆芯围板焊接热影响区应力腐蚀开裂为例进行了裂纹扩展评估研究.采用有限元模拟与试验检测数据验证相结合的方法对焊接热影响区焊接残余应力场及应力腐蚀开裂扩展过程进行模拟.通过有限元方法计算了应力腐蚀开裂裂纹尖端应力强度因子,再根据应力腐蚀裂纹扩展试验数据获得裂纹尖端应力强度因子与裂纹扩展速率的关系,最终预测了沸水堆堆芯围板的使用寿命,解决了重大构件基于应力腐蚀开裂失效的安全评估问题.该研究过程为重大构件的腐蚀疲劳裂纹失效的安全使用提供了可借鉴的方法.     

T形接头承载角焊缝根部裂纹扩展角度

针对Q355B低合金钢T形接头承载角焊缝根部疲劳失效的扩展路径问题,提出了一种基于受力分析计算的等效应力强度因子法(KEQ法)预测根部裂纹的扩展角度. 经有限元模拟验证,其求解应力强度因子的最大误差小于5%. 与基于有限元分析计算的最大周向应力法(MCS法)和有效结构应力法(ETS法)相比较,并结合3种不同应力水平下弯曲疲劳试验结果发现,基于等效应力强度因子法、最大周向应力法与有效结构应力法求解的裂纹扩展角度分别为25.6°,25.9°和32.2°,相较于实际疲劳试验的根部裂纹扩展角度24°,误差分别为6.67%,7.92%和34.17%. 结果表明,基于KEQ法求解裂纹扩展角度准确度最高,更适于预测承受弯曲疲劳载荷下T形接头角焊缝根部裂纹的扩展角度.     

X80管线钢焊接接头SSCC研究及数值模拟

硫化氢应力腐蚀破裂(sulfide stress corrosion cracking,SSCC)是制约管线钢应用的主要因素.针对X80管线钢焊接接头进行恒位移硫化氢应力腐蚀试验研究,分别测得母材、焊缝和热影响区的应力强度因子门槛值KISCC和裂纹扩展速率da/dt.通过对X80管线钢焊接接头的金相显微组织、断口形貌观察以及硬度测试,分析了X80管线钢SSCC性能的影响因素.并对WOL试样进行了三维弹塑性有限元分析,得到裂纹尖端应力场分布和氢浓度的分布特征.结果表明,热影响区的KISCC最小,裂纹扩展速率最大,具有较差的抗应力腐蚀开裂的能力,其应力腐蚀试验结果与有限元数值分析相互验证.     

中缸体焊接接头断裂行为的有限元分析

液压支架中缸体是以焊接方式连接,那么焊缝位置的选择对于中缸体的使用寿命具有重要的影响。这样笔者分析了不同位置焊接接头的受力特点、应力强度因子以及与其相关的裂纹扩展速率(寿命评估)等断裂参数。通过不同位置焊接接头的有限元分析可知:焊接接头在中缸体中间时对压力的敏感性较强。应力强度因子的计算结果表明:对两种位置焊接接头的应力强度因子值的比较可以发现,焊接接头在中缸体中间时其应力强度因子值小于在中缸体端部时的应力强度因子值,说明了焊接接头在中间位置时抗疲劳和断裂能力较强。裂纹扩展速率试验结果表明:热影响区裂纹扩展速率大于焊缝的裂纹扩展速率,因此裂纹扩展沿着熔合线扩展的可能性更大。     

A7N01铝合金复合加载下的疲劳裂纹扩展行为

利用CTS试样,研究了A7N01P-T4铝合金母材在I-II型复合加载下,不同加载角度时疲劳裂纹的扩展行为,利用有限元数值计算复合加载下裂纹尖端的应力强度因子(SIF, stress intensity factor)得到了加载角度与裂纹开裂方向的关系,并与由最大周向应力准则导出的关系进行了对比,二者吻合良好;根据疲劳试验和有限元计算的结果,并引入当量应力强度因子,分析了不同加载角下疲劳裂纹的扩展速率. 结果表明,经当量化处理后,各加载角下的裂纹扩展速率曲线基本重合,并且满足Paris公式.     

含表面裂纹非匹配焊接接头的断裂行为

测试了两种超高强度钢低匹配接头母材、焊缝和热影响区的表面裂纹断裂韧性,比较了母材与热影响区的断裂韧度概率分布.同时采用有限元方法分析了匹配因子和裂纹位置对裂纹尖端张开应力和应力三轴度的影响.结果表明,当裂纹位于热影响区时,由于软焊缝使其应力三轴度降低,其断裂韧性明显好于母材;而当裂纹位于焊缝一侧时,匹配因子越高,距熔合线越远,则应力三轴度越低,断裂韧性越好;当裂纹位于焊缝中心时,两种匹配的断裂韧度相当.从而解释了试验结果.     

2A12-T4铝合金搅拌摩擦焊多区域疲劳裂纹扩展行为

疲劳裂纹扩展速率是材料内在组织性能的宏观外在表现,显微组织和残余应力对宏观疲劳裂纹的扩展有显著的影响. 文中研究了2A12-T4铝合金搅拌摩擦焊不同区域的疲劳裂纹扩展速率. 结果表明,在焊缝区域,由于搅拌针强烈的机械和焊接热作用,材料组织发生变化,并伴有残余应力的产生,导致不同区域裂纹的扩展速率存在明显差异. 在低应力强度因子范围(ΔK)时,热影响区和垂直于焊缝方向的疲劳裂纹扩展速率基本相同,并且都高于沿焊缝方向裂纹的扩展速率;在高应力强度因子范围(ΔK)时,垂直于焊缝方向的扩展速率逐渐高于热影响区速率,此时这两个区域的裂纹扩展速率仍然高于沿焊缝方向裂纹的扩展速率.     

某弯头断裂原因分析

通过断口宏观、微观分析和母材的理化性能、组织分析,对某采油厂一埋地弯头的断裂原因进行了分析。结果表明,弯头开裂为低应力脆断。弯头用母管为直缝电阻焊钢管,焊缝热影响区的珠光体球化且沿晶界聚集,降低了晶界结合强度。同时,焊缝位置位于该失效弯头的外弧区,在弯管制造及服役过程中承受了最大的环向拉应力,因此在焊缝及热影响区产生裂纹。     

新型含钪Al-Mg-Cu合金的抗应力腐蚀开裂特性

对3.5%NaCl溶液中新型含钪Al-Mg-Cu合金的应力腐蚀开裂宏观性能进行测试,并对裂纹尖端的成分与微观形貌进行分析。根据线弹性断裂力学理论,预制疲劳裂纹试样裂纹尖端处于平面应变状态,得到裂纹匀速扩展时的扩展速率、裂纹尖端应力强度因子以及应力腐蚀开裂强度因子的门槛值。扫描电镜及EDS分析表明:应力腐蚀开裂主要是沿晶扩展,预制裂纹与腐蚀介质中的溶解氧生成Al2O3,产生楔入力促使裂纹扩展;裂纹尖端基体主要发生阳极溶解反应,腐蚀产物以氯化铝为主。     

B101连续油管应力腐蚀开裂行为分析

研究了连续油管的抗H2S环境应力腐蚀开裂(SSCC)行为.利用扫描电镜(SEM)观察了断口形貌,用能谱仪(EDS)分析了断口元素组成,从环境因素、材料组织、化学成分等方面分析了断裂机理.结果表明,母材对应力腐蚀不敏感,焊缝是应力腐蚀的薄弱区域.焊缝断裂可分为裂纹孕育期、裂纹发展期、裂纹快速增长期、完全破坏期.应力在72...     

Combine S-N curve and fracture mechanics for fatigue life analysis of welded structures

Based on the evolution of fatigue cracks in welded structures, the fatigue life of welded structures was defined as the sum of the crack initiation life N_i and the crack propagation life N_p. Correspondingly, a fatigue-life analysis method combining S-N curves and fracture mechanics theory was proposed. The equivalent structural stress method and the lower 99% boundary of the master S-N curve were used to evaluate N_i, and cracks at the end of the initiation stage were considered as semi-elliptical surface cracks. Moreover, Paris equation and the stress intensity factor range of the cracks were used to evaluate N_p. Furthermore, the fatigue test results obtained from the running girder of cranes were used as a reference for comparison and verification of the results. The results revealed that the equivalent structural stress is a good indicator for the crack initiation behavior of complex welded structures. In addition, the predicted fatigue life corresponded closely to the testing life.     

转向架用SMA490BW钢焊接接头超高周疲劳性能

采用超声疲劳试验方法对SMA490BW钢焊接接头的超高周疲劳性能进行研究,通过X射线应力仪对焊接试样残余应力进行测试,采用扫描电镜对疲劳裂纹的萌生、扩展及疲劳断裂机理进行观察和分析. 结果表明,SMA490BW钢母材的疲劳性能远高于焊接接头,在1 × 108循环周次条件下,接头的疲劳强度为141 MPa,仅为母材的44.2%. 接头裂纹主要萌生于焊趾表面缺陷处,疲劳断裂机理表现为准解理断裂, 并伴有塑性变形痕迹. 焊趾处几何不连续造成的应力集中和焊缝及其附近区域一定的残余拉应力,以及接头各微区组织和性能的不均匀性,是导致焊接接头疲劳性能偏低的主要原因.     

膜致应力对应力腐蚀裂尖力学特性的影响

氧化膜破裂理论是目前定量预测核电高温水环境中镍基合金应力腐蚀开裂速率应用最为广泛的理论模型之一,其中应力强度因子是衡量应力腐蚀开裂速率的重要参量。为进一步了解氧化膜破裂机理及裂纹扩展驱动力特性,提出了膜致应力强度因子。为了深入了解膜致应力强度因子在 EAC 裂纹扩展过程中裂尖的力学状况,在不考虑外载的情况下,从理论和数值模拟两方面分析研究了EAC 裂尖基体金属区域的应力应变分布状态,得出了膜致应力强度因子对裂尖Mises应力、等效塑性应变、拉伸应力、拉伸应变及拉伸应变梯度的影响规律,为提高定量预测高温高压水环境中镍基合金及不锈钢 EAC 扩展速率精度奠定基础,进而完善了氧化膜破裂机理。     

Primary water stress corrosion cracking in alloy 600 and intergranular crack growth rate

The effects of the stress intensity factor and dissolved hydrogen on the crack growth rate in primary water reactor environments was investigated with alloy 600 with continuous carbide films at grain boundaries. A primary water stress corrosion cracking of intergranular fracture mode was observed. The intergranular crack growth rate decreased with a decreasing stress intensity factor, and the dissolved hydrogen content influenced the crack growth rate. Such results are consistent with those reported previously.     

Torsional Fatigue Cracking and Fracture Behaviors of Cold-Drawn Copper:Effects of Microstructure and Axial Stress

The fatigue cracking and fracture behavior of cold-drawn copper subjected to cyclic torsional loading were investigated in this study.It was found that with increasing stress amplitude,the fracture mode of cold-drawn copper gradually changes from a shear fracture on transverse maximum shear stress plane to a mixed shear mode on both transverse and longitudinal shear planes and finally turns to the shear fracture on multiple longitudinal shear planes.Combining the cracking morphology and the relationship between torsional fatigue cracking and the grain boundaries,the fracture mechanism of cold-drawn copper under cyclic torsional loading was analyzed and proposed by considering the effects of the microstructure and axial stress caused by torsion.Because of the promotion of the grain boundary distribution on longitudinal crack propagation and the inhibition of axial stress on transverse crack grown,the tendency of crack propagation along the longitudinal direction increases with increasing stress levels.     

GH2132高温合金熔敷金属结晶裂纹敏感性

针对GH2132高温合金熔敷金属热裂纹敏感性问题,通过采用试制焊丝、熔敷金属焊接试验、组织及断口分析、凝固计算等手段对熔敷金属组织、凝固行为、开裂机制等进行了研究. 结果表明,试验熔敷金属金相组织主要由柱状树枝晶γ相(NiCrFe固溶体)、枝晶间富Ti的Laves相(Cr,Fe,Ni)₂ (Ti,Mo)、MC碳化物与共晶组织组成,凝固路径为L→L + γ→L + γ + MC→L + γ + MC + Laves→γ + MC + Laves,裂纹断口呈典型的鹅卵石共晶花样,整个断口形貌被呈自由表面的液膜所覆盖,属于发生在高温段的结晶裂纹. 结晶裂纹开裂机理为在凝固过程的终了阶段,发生了L→γ + Laves的低熔点共晶反应,在凝固收缩应力作用下,残余液相未及时补充而形成. Laves相的形成主要与凝固过程中Ti元素的偏析有关,理论计算结果表明,GH2132结晶裂纹指数(solidification cracking index, SCI)值为1944 ℃,(solidification temperature range, STR)为258 ℃,在结晶裂纹敏感性评价方面,相比STR,SCI指标能相对更为合理地实现结晶裂纹敏感性的量化评价,但仍存在考虑因素不全等问题.     

Effects of water chemistry and loading conditions on stress corrosion cracking of cold-rolled 316NG stainless steel in high temperature water

The effects of electrode potential, stress intensity factor and loading history on stress corrosion cracking growth of a cold-rolled 316NG stainless steel in 288 °C pure water were investigated. Crack branching and intergranular stress corrosion cracking along random grain boundaries were observed by electron-back scattering diffraction. A strong dependence of crack growth rate on stress intensity factor is observed. A single-cycle overloading produced a retarded transient cracking growth period. The mild inhibiting effect of decreasing electrode potential on crack growth of cold-rolled 316NG SS is analyzed based on the interaction between crack tip mechanics and crack tip oxidation kinetics.