管道穿透斜裂纹应力强度因子计算

裂纹是引起管道开裂失效的主要原因,裂纹尖端应力强度因子是表征裂纹应力场强度的主要物理量,也是对管道进行安全评估时的主要依据之一,但管道不同于平板,有曲率影响,因此基于平板推导出来的裂纹尖端应力强度因子公式必须进行修正。为了准确计算管道上斜裂纹应力强度因子,建立了不同管道直径、不同裂纹倾角以及不同裂纹长度下的管道穿透斜裂纹有限元模型,并计算了裂纹尖端应力强度因子,在无限大板中心斜裂纹应力强度因子计算公式基础上,修正得到了管道穿透斜裂纹应力强度因子计算公式,这对于含裂纹管道安全评定有重要参考价值。     

X80管线钢焊接接头TEM观察下的断裂行为对比

对X80管线钢焊接接头3个区域的试样在透射电子显微镜（TEM）下进行原位拉伸试验,通过观察各个区域裂纹的萌生与扩展过程,对其微观断裂行为进行了研究和分析。结果表明：母材区中,裂纹萌生扩展主要以多裂纹起裂为主,表现为沿晶扩展的断裂形式,最后造成在切应力作用下的剪切脆性断裂;热影响区内,主裂纹首先在切应力作用下以45°方向起裂,整个扩展过程是主裂纹钝化、位错发射、主裂纹前方无位错区形成、微裂纹形核、主裂纹与微裂纹连接扩展这一多尺度过程不断重复的过程,最后导致准解理穿晶断裂;焊缝区中,从主裂纹分支出多条裂纹,裂纹均以与拉伸轴成45°的方向起裂,表现为沿晶与穿晶混合的断裂模式,最后造成穿晶脆性解理断裂。     

具有中心穿透直裂纹的圆柱体弯曲应力强度因子

文中讨论了具有中心穿透直裂纹的圆柱体的非对称弯曲问题,给出了裂纹尖端应力强度因子的解析算式,其特点是形式简单、计算方便,具有较好的计算精度,利于实用。     

钝化的预裂纹尖端产生的短裂纹对解理断裂的影响

结合-130℃下C-Mn钢三点弯曲(3PB)断裂韧度试验时预裂纹尖端构形的变化和断口观察,用有限元对预裂纹尖端起裂并扩展的短裂纹进行模拟与计算,通过计算得到的应力、应变、三向应力度来说明短裂纹的产生和钝化对钢最终发生解理断裂的影响。结果表明:当预裂纹仅仅被钝化时,预裂纹尖端一区域内积累的应变足以使裂纹形核;另一区域三向应力度和正应力也足以使一裂纹核扩展,但是这两个区域不重合,之间有一距离,因此形核的裂纹不能扩展,能扩展的区域内没有裂纹核,解理断裂也就不能引发。在钝化的预裂纹尖端产生短裂纹后将改变应力、应变、三向应力度的分布,特别是改变他们在裂尖前的相对位置。裂尖前短裂纹起裂、扩展及钝化产生更尖锐的构形,使应力及三向应力度区向钝化的裂尖方向靠近,从而使上述两个区域彼此重叠,这时解理裂纹起裂与扩展的条件同时具备,而在钝化的预裂纹尖端的一定距离处起裂与扩展。     

不同缺口取向X70管线钢三点弯曲断裂试验研究

通过对X70管线钢不同厚度含不同V型缺口取向试样在不同温度下三点弯曲断裂试验，研究高韧性管线钢缺口取向、试验湿度和分层裂纹对材料韧性的耦合效应。发现X70管线钢具有严重的各向异性现象，其在平行钢板表面方向和沿钢板厚度方向力学性能差异较大；试样缺口取向不同，试样破坏形式不同，但均产生垂直于板厚方向的分层裂纹；分层裂纹的产生可以提高试样的单位厚度裂纹起始功和单位厚度破坏总功；分层裂纹以及由分层裂纹所产生的效应主要是试样中的应力状态和材料固有的片状缺陷或夹杂所致，有确定的方向性，同时与试验温度又有密切的关系。     

980MPa高强钢TIG焊接接头原位拉伸断裂机理

对新型980MPa深海用高强钢TIG焊接接头5种不同缺口位置的试样进行了原位拉伸试验,通过试验观察了每个试样的动态断裂过程,并对其断裂机理进行了详细研究和分析,最终确定焊接接头的薄弱环节。试验结果表明:直缺口试样的微观断裂经历了塑性变形、缺口处起裂、裂纹扩展、裂纹尖端钝化,直至试样断裂的过程,并且在裂纹扩展过程中,裂纹尖端重复钝化、扩展、新裂纹产生、再钝化、再扩展的过程;圆弧试样和平板试样在剪切力的作用下经历塑性变形、颈缩、出现微裂纹、微裂纹扩展,直至试样瞬间断裂的过程,并且圆弧试样和平板试样的起裂应力和断裂应力十分接近,表现为突发形式;平板试样中发现最后断裂在焊缝金属处,这说明其薄弱环节为焊缝金属处。     

T型钎焊接头蠕变裂纹扩展的有限元分析

钎焊接头蠕变断裂是高温紧凑式回热器的主要失效形式之一。为研究钎焊接头的蠕变失效过程,运用有限元分析软件Abaqus建立了T型钎焊接头的有限元模型,对T型接头在600℃下蠕变裂纹扩展过程进行了数值模拟,得到了此类接头的蠕变裂纹扩展规律。其结果表明:T型接头的蠕变裂纹扩展可分为起裂、稳定扩展、快速扩展三个阶段;起裂过程中,随着蠕变时间的增加,钎焊焊缝边缘处的高应力区会发生应力松弛;起裂时间与载荷呈幂律关系;随着施加载荷的增加,蠕变裂纹扩展速率上升越快。     

基于延性耗竭模型的边缘型穿透多裂纹干涉与合并分析

基于延性耗竭理论并结合有限元技术,建立延性损伤分析方法,预测了含两个边缘穿透裂纹平板试样的最大载荷及裂纹合并情况,并将预测结果与试验数据进行对比.结果表明,断裂应变轨迹关系和几何模型应力状态假设对预测结果具有显著影响.当采用非单调断裂应变轨迹关系和三维几何模型进行模拟时,预测的最大载荷及裂纹合并情况与试验结果吻合最好....     

纳米尺度孔边裂纹裂尖Ⅲ型应力强度因子研究

研究了纳米尺度圆孔孔边裂纹在远场反平面剪切载荷作用下的断裂性能。基于Gurtin-Murdoch表面弹性理论和保角映射技术,利用复变弹性理论获得了该类非均匀材料应力场的解析解,给出了裂尖Ⅲ型应力强度因子的闭合解。基于所得解答,研究了孔边的应力场分布规律,讨论了裂尖应力强度因子的尺寸依赖效应以及圆孔相对尺寸对应力强度因子的影响。研究结果表明：孔边应力场呈现非单调分布,表面效应对孔边不同位置应力的影响程度不同;当圆孔裂纹的尺寸在纳米量级时,裂尖应力强度因子具有显著的尺寸依赖效应;圆孔相对裂纹尺寸对裂尖应力强度因子的影响规律受表面性能的制约,同时表面性能对应力强度因子的影响也取决于圆孔的相对尺寸。     

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。     

激光冲击强化对LZ50车轴钢疲劳性能影响试验研究

为了研究激光冲击强化对LZ50车轴钢疲劳性能的影响,对LZ50车轴钢车轴试样进行激光冲击强化处理并在JD-1轮轨模拟试验机上进行了旋转弯曲疲劳试验。结果显示:采用不同参数激光冲击强化处理的2个试样,硬度分别增大18%和27%;对LZ50车轴钢试样的过盈配合面进行激光冲击处理后产生了塑性变形层,形成了较高的残余压应力;试验后试样过盈配合表面两侧区域都可见明显的环形损伤带,出现了以剥落和犁沟为特征的磨损形貌,损伤机制为磨粒磨损、氧化磨损和剥层。激光冲击前后试样断口形貌特征相似,疲劳源呈多源性;在裂纹扩展区域段观察到大量的准解理小面,属于脆性穿晶断裂;瞬断区内出现大量韧窝和二次裂纹。激光冲击强化处理显著提高了车轴钢的疲劳寿命,不同激光冲击强化参数处理的2个车轴试样疲劳寿命比未处理试样疲劳寿命分别提高31%和21%。     

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.     

980MPa级低碳贝氏体高强钢MAG焊接接头不同试样的拉伸断裂机理

在980MPa级深海用低碳贝氏体高强钢MAG焊接接头上,制取5种不同形状和缺口位置的试样进行拉伸试验,原位观察了每种试样的动态断裂过程,并对其断裂机理进行了分析,确定了焊接接头的薄弱部位。结果表明:直缺口试样的断裂经历了塑性变形、裂纹起裂、裂纹扩展、裂纹尖端钝化,直至断裂的过程,并且在裂纹扩展过程中,裂纹尖端重复钝化、扩展、新裂纹产生、再钝化、再扩展;圆弧和平板试样以剪切方式断裂,经历了塑性变形、颈缩、出现微裂纹、微裂纹扩展,直至瞬间断裂的过程;所有试样的薄弱部位都为焊缝金属。     

Effects of porosity on the fatigue performance of polymethyl methacrylate bone cement: an analytical investigation

Porosity has been shown to affect the fatigue life of bone cements, but, although vacuum mixing is widely used to reduce porosity in the clinical setting, results have been mixed and the effects of porosity are not well understood. The aim of this study was to investigate the effects of porosity using stress analysis and fracture mechanics techniques. The stress concentrations arising at voids in test specimens were found using analytical solutions and boundary element methods. The fatigue life of specimens containing voids of various sizes was predicted using fracture mechanics techniques. For spherical voids that do not occupy a significant proportion of the cross-section, the resulting stress concentration is independent of void size and too small to account for the observed crack initiation. Cracks must therefore initiate at additional stress raisers such as radiopacifier particles or additional voids. For large voids, the stress increases as the remaining cross-section of the specimen decreases, and this may account for much of the observed reduction in fatigue strength in hand-mixed cement. Although crack initiation may be largely independent of void size, there is an effect on crack growth rate. Cracks are predicted to grow faster around larger voids, since they remain in the stress concentration around the void for longer. This effect may account for the relationship between porosity and fatigue life that has been observed in samples without large voids. Since porosity appears to affect crack growth more than initiation, it may be less damaging in high-cycle clinical fatigue, which may be predominantly initiation controlled, than in short laboratory tests.     

试样尺寸对钢的细观解理断裂应力的影响

通过三维有限元计算并结合起裂源位置的测量，精确测定一种C-Mn钢不同尺寸(W、B和α)和宽度(B)的四点弯曲(4PB)缺口试样的细观解理断裂应力。发现随试样尺寸和试样宽度的增加，断裂载荷明显变化，但细观解理断裂应力基本不变。不同尺寸和宽度的缺口试样的解理断裂主要由正应力判据控制。稳定的下限细观解理断裂应力值可以用较大尺寸的缺口试样测得，可用于评价钢的断裂韧度和结构安全性。在缺口试样中，解理断裂的临界事件是铁素体晶粒尺寸的裂纹扩展进入基体，不随试样尺寸和宽度变化。细观解理断裂应力主要由临界裂纹的长度决定。     

热障涂层层状裂纹的位置对断裂性能的影响

广泛应用于热能动力的热障涂层在高温工作环境下,由于温度梯度产生的热应力不匹配会导致热障涂层层裂或剥落失效。本文针对热障涂层层裂问题,考虑热应力不匹配因素,建立热障涂层层裂I/II复合型断裂准则,并针对分层裂纹在陶瓷层与粘结层界面上和附近的3种位置存在形式,进行了热障涂层结构单裂纹层裂的算例分析。结果表明界面处层裂纹对应变能释放率影响最大。     

Damage tolerance in hardly coated layer structure with modest elastic modulus mismatch

A study is made on the characterization of damage tolerance by spherical indentation in hardly coated layer structure with modest elastic modulus mismatch. A hard silicon nitride is prepared for the coating material and silicon nitride with 5wt% of boron nitride composites for underlayer. Hot pressing to eliminate the effect of interface delamination during the fracture makes strong interfacial bonding. The elastic modulus mismatch between the layers is not only large enough to suppress the surface crack initiation from the coating layer but sufficiently small to prevent the initiation of radial crack from the interface. The strength degradation of the layer structure after sphere contact indentation does not significantly occur, while the degradation of silicon nitride-boron nitride composite is critical at a high load and high number of contacts.     

Experimental investigation on the essential work of mixed-mode fracture of PC/ABS alloy

The mixed-mode fracture of polycarbonate (PC)/acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) alloy is experimentally investigated in this work. The essential work of fracture method is employed to measure the mixed-mode fracture toughness of PC/ABS alloy. Results show that the essential fracture work w _e increases significantly with the decrease in loading angles. Crack initiation angles are measured on the fractured specimens. The deviation of crack growth direction from the initial crack plane also increases with the decrease in loading angles, which corresponds to the increase of shear components. Microfracture processes of PC/ABS alloy with different loading angles are examined in situ by a scanning electron microscope. Crazing structures are clearly seen around the crack tip. The appearance, growth, and coalescence of crazes can be observed in the microfracture processes, and the macrocrack propagation direction is finally determined by the coalesced direction of crazes.     

脆性剖分类零件启裂数值分析

裂解槽作为初始裂解源其尖端的应力状态尤其是厚度方向的应力分布直接影响着剖分类零件的裂解性能,是裂解加工成败的关键。文中利用ABAQUS有限元软件,对脆性剖分类零件(轴承座)启裂进行了分析。分析结果表明:裂解槽应力集中效果明显,随着载荷的增加,裂解槽根部的最大正应力逐渐增加,趋近于材料的断裂强度;最大正应力从裂解槽的中间部位向两侧均匀递减;对于脆性材料,最大正应力出现在裂解槽顶端,启裂发生在工件中心对称面裂尖附近,这种启裂位置的唯一性有利于获得高质量的断裂面,减少裂解缺陷。