无缝钢管疲劳断裂分离新工艺及实验研究

针对传统的金属管材分离技术存在生产效率低、能耗高以及浪费原材料等问题,采用了一种新的管材分离方法,利用偏心加载工艺和应力集中效应促使管材表面环状V形槽底尖端处快速萌生疲劳裂纹并控制疲劳裂纹的稳定扩展。描述了管材的偏心循环加载疲劳断裂分离装置的工作原理,推导出了疲劳加载下管材V形槽根部裂纹是否起裂的判断公式。设计了线性递减、多层阶梯递减、1/4凸弧递减和1/4凹弧递减四种实验控制曲线,针对304不锈钢管材进行实验研究,实现了管材的精密分离。实验结果表明,利用V形槽的应力集中效应,在偏心加载力的持续作用下,加载频率采用多层阶梯递减控制曲线由高到低地逐渐降低加载频率,能够保证管材V形槽根部裂纹的快速萌生和稳定扩展,并可实现管材快速断裂,获得良好的断面质量。     

低周疲劳精密下料新工艺及试验研究

传统的金属棒料下料工艺存在着材料利用率低、能耗高、生产效率低以及下料断面质量差等问题。采用一种新的下料工艺-周向加载低周疲劳精密下料技术,利用V形槽的应力集中效应,促使棒料V形槽底尖端处疲劳裂纹的萌生及疲劳裂纹的快速扩展。描述周向加载低周疲劳精密下料机的工作原理。给出在低周疲劳下棒料V形槽根部裂纹是否起裂的判据。采用两种控制曲线对5种材料(20钢、H59、45钢、20Cr和LY12)的棒料进行试验研究,实现加速棒料裂纹的产生、扩展并获得良好的棒料断面质量。试验结果表明,V形槽的应力集中效应可以有效地减小棒料下料过程中的平均应力,在不断增加打击位移的同时减小冲击频率可以保证棒料裂纹的稳定扩展和断裂。     

304不锈钢棒气动式可控旋弯下料工艺及试验

针对金属棒料传统下料工艺存在断面质量差、材料利用率低、能耗高等问题,提出一种综合利用预制环状V型槽缺口效应、起裂微裂纹及扩展宏观裂纹裂尖应力集中效应的新型气动式棒料可控旋弯下料工艺,详细介绍了该下料工艺的工作原理。基于该工作原理研制了金属棒料气动式旋弯下料试验装置,利用材料力学强度理论与线弹性断裂力学理论,建立了弯矩载荷作用下金属棒料下料过程的力学模型,获得了环状“V”型槽根部微裂纹萌生载荷、扩展裂纹起裂载荷及瞬断载荷的理论计算公式。采用三种不同恒应力强度因子幅水平载荷控制曲线对φ30 mm直径的304不锈钢棒料进行下料试验研究,结合所提出的坯料断面评价方法及其评价指标,对下料所得坯料质量进行了量化评价。结果表明,保持裂尖处于恒应力强度因子幅水平,可以实现金属棒料的可控精密下料,断面质量和下料时间随幅值水平提高而降低,当裂尖处△K=0.7K_c时,坯料最终瞬断区最小。该下料工艺利用断裂力学理论建立旋弯下料机理,可以指导实际下料试验,为后续下料工艺数据库的建立提供理论支撑。     

V形切口尖端裂纹起裂方向的主应力判别准则及其验证

围绕V形切口尖端裂纹起裂方向,分析了V形切口尖端裂纹应力场、位移场、应力强度因子,提出了裂纹起裂方向的主应力判别准则。首先,详细给出了V形切口尖端应力应变场的求解方法,通过裂纹尖端场本征值的三次线性拟合及误差分析,确定了V形切口尖端裂纹位移场;然后,建立了V形切口尖端的数值分析模型,运用数值计算方法确定了应力强度因子和切口强度因子,提出了V形切口尖端裂纹起裂方向的主应力判断准则,给出了外推法求解分析过程;最后,以LY8为试验材料,在张角2β＝60°的V形切口情况下,对提出的V形切口尖端裂纹起裂方向计算方法与判别准则进行了试验验证。     

热应力预制裂纹技术在低应力精密下料中的实验研究

针对棒料的精密下料问题,给出了一种热应力预制裂纹的新的下料方法,简述了热应力变频振动下料系统的组成。建立了新的激振频率控制曲线和专门针对这种下料所获断面质量的评价方法。20号钢棒料的下料实验结果表明,通过采用热应力预制棒料V型槽尖端区域微小裂纹的方法,下料时间减少了20%左右,且仍可获得高质量的断面平整度。     

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。     

激光冲击对金属板料裂纹的影响模型

研究了含有裂纹的金属板料在激光冲击波载荷作用下裂纹尖端应力强度因子和裂纹扩展速度的变化,利用断裂力学理论,对激光冲击加载下裂尖参数计算模型进行优化,采用应力强度因子叠加法,将外加载荷引起的应力强度因子和激光冲击后残留的残余压应力引起的应力强度因子叠加,推导出下裂纹尖端应力场强度因子表达式,由此可精确计算出金属板料的裂纹萌生寿命和裂纹扩展速度,实验验证了航空钛合金Ti6Al4V激光冲击后残余应力对裂纹扩展速度的影响,从而建立了激光冲击作用对板料裂纹扩展的影响的理论模型。     

反旋转弯曲载荷下V型切口棒料的疲劳寿命估算方法

针对应力下料的实际要求,介绍反旋转拉弯复合应力加载模型。提出带缺口棒料的疲劳寿命由始裂寿命和裂纹扩展寿命两部分组成的思想。在考虑V型切口棒料几何参数及材料拉伸性能影响基础上,给出裂纹起始寿命估算公式。通过分析裂纹扩展过程中应力比的变化规律,提出当量应力比概念,结合Walker公式得到反旋转弯曲载荷下带缺口棒料疲劳寿命估算公式。结合具体案例计算棒料疲劳寿命,与已有的反旋转应力下料方式实验结果对比,表明该估算公式预测结果精度高,具有较好的应用价值。     

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。     

计算应力强度因子的无网格-直接位移法

目前计算裂纹尖端应力强度因子的无网格法一般均采用。积分方法,但由于该方法为间接求解,降低了求解精度与求解效率。文中采用无网格—伽辽金方法,选取带有扩展基的奇异基函数,以精确计算裂纹尖端位移场,并借鉴有限元法中计算应力强度因子的直接位移法,提出一种计算含裂结构裂纹尖端应力强度因子的新方法,即无网格—直接位移法。数值计算结果表明,该方法具有简捷、高效的特点,可以准确计算裂纹尖端应力强度因子。