双金属接头界面裂纹几何拘束与断裂韧性的统一关联

针对均质材料A508合金钢定义了可表征面内/面外几何拘束的统一拘束参数Ap,但在双金属接头或异种金属焊接接头中,除了存在面内/面外几何拘束外,还存在材料性能失配引起的材料拘束。针对均质材料定义的统一拘束参数Ap能否同时对几何拘束与材料拘束进行表征还需要进一步的研究。采用有限元数值模拟的方法,对不同面内、面外拘束的双金属接头界面裂纹尖端的等效塑性应变等值线所围面积进行了计算;并用嵌含有GTN损伤模型的有限元法计算了不同拘束状态下双金属接头界面裂纹的J-R阻力曲线和延性断裂韧性。之后,分析了Ap作为几何拘束与材料拘束统一表征参数的可行性。结果表明:Ap可作为统一拘束参数对几何拘束和材料拘束同时进行表征,并可用其建立双金属接头中几何拘束与断裂韧性之间的统一关联线。     

不同材料延性断裂韧性与裂尖拘束的关联及其影响因素分析

基于不同材料、不同几何尺寸试样的延性断裂韧性数据,结合有限元计算,研究得到不同材料的标称化延性断裂韧性Jc/Jref与统一拘束参数Ad之间的线性关联方程,其可用于基于J-Ad二参数法纳入面内/面外统一拘束的结构断裂预测和评定中.进一步基于GTN(Gurson-Tvergaard-Needleman)延性损伤模型的有限元...     

基于裂尖张开位移的统一拘束参数与材料断裂韧性的关联

为发展可同时纳入面内/面外拘束的结构断裂评定新方法,需要研究便于工程计算和应用的统一拘束参数,并建立其与材料断裂韧性的关联。基于裂尖张开位移(CTOD)定义了一个新的拘束参数A_d,采用有限元法计算了核电压力容器用A508钢不同面内和面外拘束的SEN(B)和C(T)试样在断裂J积分J_c下的A_d,研究了A_d与A508钢断裂韧性的可关联性。研究发现,不同面内/面外拘束试样的断裂韧性J_c/J_(ref)数据和拘束参数A_d之间可以形成一条与参考试样无关的关联直线,表明A_d可以同时纳入面内与面外拘束。A_d参数便于测量和计算,其可望成为一个便于工程应用的统一拘束参数;A_d参数与材料断裂韧性J_c/J_(ref)之间的关联线可望用于结构(如压力容器和管道等)纳入面内/面外拘束效应的断裂评定,以提高传统不考虑拘束的断裂评定的精度。     

实际结构拘束相关断裂韧性的确定方法研究

材料的断裂韧性受裂尖拘束的影响,为了对含裂纹结构进行准确的完整性评定,需要计算拘束相关的断裂韧性。基于统一拘束参数Ap及其与断裂韧性的统一关联,提出了一种实际结构拘束相关断裂韧性的确定方法。并以核电站主管道为例,对不同长度、不同深度3D裂纹的断裂韧性与起裂弯矩进行了计算。计算结果表明:管道裂纹的断裂韧性和起裂弯矩与裂尖拘束密切相关,a/t=0.5,a/c=0.5~0.6形状尺寸的裂纹更容易发生断裂。此研究对于发展纳入拘束效应的结构完整性评定技术和方法、提高结构可靠性等方面具有重要的意义。     

面内、面外拘束交互作用下异种金属焊接接头的断裂行为

为了对异种金属焊接接头进行准确的结构完整性评定,以核电安全端52M镍基合金异种金属焊接接头最薄弱位置熔合区为研究对象,通过室温断裂力学试验和断口形貌观察等对面内、面外拘束交互作用下异种金属焊接接头的断裂行为进行研究。结果表明:在低面内、低面外拘束作用下,试样发生了高延性断裂,其J-R曲线较高;在低面内、高面外拘束作用下,试样在靠近初始裂纹的位置发生了延性断裂,在远离初始裂纹的位置发生了脆性断裂和延性断裂共存的混合断裂,其J-R曲线居中;在高面内、低面外拘束下和高面内、高面外拘束作用下,试样均发生了以脆性断裂为主的混合断裂,其J-R曲线均较低。     

焊接接头中不均匀性因素与裂端拘束强度

采用有限元方法研究了平面应变条件下焊接接头中不均匀性因素对裂端拘束强度－应力三轴性的影响。结果表明焊接接头裂端应力三轴性焊缝和母材匹配性质及裂纹几何不同而变化。与均匀材料相比，高匹配接头裂端应力三轴性降低，低匹配接头裂端应力三轴性升高。裂纹变浅后，应力三轴性降低，屈服强度匹配的影响也更为显著。焊缝宽度变化时，裂端应力三轴性也有改变。这些对了解不同接头断裂行为，以改进焊接结构设计具有重要意义。     

力学性能不均匀性对焊接接头三点弯曲试样塑性区发展规律的影响

利用弹塑性有限元方法对焊接接头试样在三点弯曲试验中塑性区的发展情况进行了计算。分析了不同的裂纹深度、强度组配，焊缝宽度以及不同位置裂纹的焊接接头试样对塑性区形状发展的影响规律。分析结果显示，不同强度组配和几何特征的焊接接头试样对裂纹尖端塑性区的发展规律有较大的影响，由于裂纹尖端拘束程度的不同会造成塑性区的形状和尺寸的改变，因此在做焊接接头试样三点弯曲试验时，可能会得出与均质材料试样不同的驱动力曲线     

钎焊接头的蠕变损伤与寿命预测

钎焊连接技术被广泛应用于航空航天、核电等领域的高效紧凑换热器制造中.高温高压工作条件下,蠕变及蠕变损伤引起的裂纹扩展是换热器中钎焊接头的主要失效方式之一.以高效紧凑换热器中常用的Incone1625/BNi-2及C276/BNi-2钎焊接头为研究对象,对其蠕变及蠕变裂纹扩展扩展行为进行了研究,获得钎焊接头的蠕变变形及裂纹扩展规律,澄清其蠕变及蠕变裂纹扩展失效机理.同时结合蠕变损伤本构模型和试验,对钎焊接头的蠕变损伤与寿命预测进行研究与综述,讨论钎焊工艺、扩散区性能及尺寸对钎焊接头蠕变裂纹扩展行为的影响规律,建立钎焊接头蠕变拘束参数,实现钎焊接头蠕变裂纹扩展行为尺寸效应的统一拘束表征,进而为基于材料-组件-装备一体化的寿命预测方法提供理论基础.     

强度匹配对焊接管韧性断裂行为的影响

针对焊接过程中强度匹配对焊接接头断裂韧性及韧性裂纹扩展阻力曲线行为的影响,以弹塑性断裂力学理论为基础,基于细观塑性损伤模型,应用ABAQUS有限元软件,采用修正边界层(MBL)模型进行有限元模拟与分析。同时考虑加工硬化指数以及材料屈服强度等因素对断裂韧性及阻力曲线的影响。结果表明,不同屈服强度和应变硬化指数条件下,随着强度匹配系数My增加,焊接接头的断裂韧性及阻力曲线降低。     

外部拘束条件下Q345钢单道堆焊接头面外变形机理的探讨

采用数值模拟和试验手段相结合的方法研究外部拘束对低合金高强钢Q345单道堆焊接头面外变形影响的机理。基于有限元软件ABAQUS平台,开发同时考虑材料非线性、几何非线性与接触非线性的热-弹-塑性有限元算法来模拟板厚为2 mm和4 mm的低合金高强钢薄板单道堆焊的温度场、残余应力和焊接变形。同时,采用试验方法测量了薄板接头的面外变形。通过比较试验结果和模拟结果,验证了所开发的有限元计算方法的有效性。分析自由状态和外加约束条件下接头的面外变形模式;比较中央截面平均压应力和其临界失稳应力的数值;研究不同拘束位置对纵向塑性应变和横向塑性应变分布的影响。结果表明,在薄板发生失稳变形时,外加拘束对面外变形的控制作用不明显;而在薄板未发生失稳变形时,外部拘束能够明显减小面外变形。     

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。     

非匹配焊接接头中裂纹尖端三维拘束状态分析

应用三维弹塑性有限元方法详细分析了焊接接头中裂纹尖端三维拘束状态的分布特征,结果表明：在试样中面附近围绕Ⅰ型裂纹前缘,应力状态均具有明显的平面应变特征,而应力三轴度（Rσ）仅在韧带附近为最大。匹配参数M、尺寸因素（h/a、B、a/w)及加载方式（CCP、TPB、SEC）均会对试样内部的应力三轴度产生显著影响,其中匹配程度是导强度,平面应变参量β仅表示三维应力状态趋珩平面应变的程度大小,而应力三轴度参量Rσ确实描述了三向拉应力状态的严重程度,对于给定试样形式,裂纹张开位移CTOD相等不能保证三维裂纹端存在相似的三轴应力状态,因而用CTOD参量表征材料断裂行为具有局限性。     

LY12CZ铝合金及其搅拌摩擦焊接头断裂性能试验研究

结合多年断裂韧性测试试验的经验,研究了较薄板材C(T)试验件测定KR曲线和断裂韧性的注意事项。通过试验测定了LY12CZ铝合金及其搅拌摩擦焊接接头的KR曲线和断裂韧性,并通过金相显微镜对焊接接头的显微组织进行了观察。试验结果表明,由于焊缝中心处的致密再结晶微观组织,搅拌摩擦焊接接头的断裂韧性明显高于母材,且裂纹垂直于板材轧制方向的母材和焊接接头试验件,断裂韧性均高于裂纹平行于板材轧制方向的试验件。此外,试验结果表明C(T)试验件的断裂韧性值与面内尺寸有关,尺寸越大,断裂韧性值越高。     

SA-335 P91钢全位置窄间隙热丝TIG焊接工艺及接头性能研究

针对SA-335 P91钢大口径管环缝,采用轨道式全位置热丝TIG焊机进行了窄间隙焊接。将整条环缝均分为16个区域,根据不同位置熔池受力状态对各区的焊接工艺参数进行修正设置,并对所获焊接接头的组织和性能进行了研究。所获焊缝和热影响区的组织均为回火马氏体,焊接接头的拉伸、弯曲、冲击等力学性能均满足要求。结果表明,窄间隙热丝TIG焊接工艺参数合理,分区修正设置恰当,能够满足SA-335 P91钢大口径管全位置焊接要求。     

焊接接头断裂性能的试验研究

为了理解材料及几何组配，对不同应力状态条件下不同几何构形的焊接接头试件的J积分的作用和影响，对单边裂纹板远场均匀拉伸条件下焊接试件的临界J积分进行实际测试。结果表明，试件未开裂之前，在同一载荷的作用下，焊接接头的J积分参量、加载点位移△以及裂纹嘴张开位移CMOD值介于全母材和全焊缝材料测试值之间，并且低组配焊接接头的J积分参量依照全母材、焊接接头和全焊缝的次序依次递减，而高组配则与低组配正好相反。不同材料组配焊接接头的J积分值，在焊接疑宽度较小时，与其全母材的J积分测试结果较为接近；而在焊缝宽度参数较大时，与全焊缝材料结果的差别较小。因此，在进行焊接接头的J积分值测试时必须考虑焊缝宽度参数的影响。     

力学不均匀性对含横向裂纹焊接接头J积分的影响

采用 MARC有限元程序提供的 Delorenzi虚拟裂纹扩展方法计算了平面应力条件下不同强度匹配的焊缝纵向受载的含横向裂纹的焊接接头在不同载荷的广义 J积分。计算结果表明 :力学不均匀性对含横向裂纹焊接接头的 J积分有重要影响 ,低匹配焊接接头中积分路径穿越焊缝与母材界面的 J积分值高于积分路径在焊缝内的 J积分值 ,高匹配焊接接头中积分路径穿越焊缝与母材界面的 J积分值低于积分路径在焊缝内的 J积分值 ;载荷越大 ,焊缝与母材的强度差别越大 ;积分路径中包含的焊缝与母材界面长度越大 ,J积分的差值越大。力学不均匀性对焊缝纵向受载的含横向裂纹的焊接接头 J积分的影响是由焊缝与母材的强度差别及积分路径中包含的焊缝与母材界面长度的不同造成的     

裂纹位置对焊接接头断裂参量的影响

结合焊接结构的工程安全评定,针对焊接接头熔合线上容易出现缺陷的问题,本文利用有限元计算方法,编写了断裂参量J积分计算的有限元程序,并对裂纹位置不同时的焊接接头进行了有限元计算。结果表明,无论是平面应变还是平面应力条件下,焊接接头J积分值都与全母材和全焊缝材料不同;与此同时,裂纹位于熔合线上和裂纹处于焊缝中,焊接接头的J积分值也是有所差异的,并且,这种差异在平面应变状态下表现得更加明显。在实际工作中,对焊接接头的断裂参量的计算必须考虑裂纹所处位置的影响。     

宽范围不同尺寸C(T)试样的统一蠕变拘束参数

基于三维有限元分析,对不同尺寸C(T)试样的统一蠕变拘束参数Ac进行计算研究。获得了宽范围不同厚度比B/W、不同宽度W和不同裂纹深度比a/W的C(T)试样的拘束参数Ac值,探明了试样尺寸对拘束的影响规律。结果表明,B/W对C(T)试样的拘束影响最大,W次之,a/W的影响最小。随B/W和W的增加,参数Ac降低,试样拘束水平增加,蠕变裂纹起裂(CCI)时间变短,蠕变裂纹扩展(CCG)速率加快。在测试材料的CCI时间和CCG速率及改变C(T)试样的拘束水平时,应重点考虑B/W和W的影响。     

T形焊接接头根部裂纹应力强度因子研究

建立T形焊接接头根部裂纹的半椭圆裂纹模型,定义裂纹模型的构形参数以及边界条件,分析裂纹尖端的应力强度因子。采用奇异单元法,通过有限元计算,模拟裂纹尖端的应力奇异性。并通过收敛性检验确定裂纹尖端的单元尺寸。在此基础上,计算裂纹尖端量纲一应力强度因子,并分析其受几何参数影响的变化规律。计算结果表明,对于给定的载荷条件下,不同初始裂纹尺寸时,裂纹尖端的应力强度因子存在一定的规律性,且不同几何参数对应力强度因子的影响程度存在一定差异,因此,对焊接结构疲劳强度研究时需要有一定的侧重点。采用多重线性回归方法拟合仿真计算结果,这些结果为进一步研究T形焊接接头根部裂纹扩展和疲劳寿命预测提供参考。     

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。