脆性材料在双向应力下的断裂和失效研究

采用热力学方法对脆性薄片试样成功地进行了双向和单向平面拉伸试验,通过观察和记录试片中心的直通裂纹的扩展和断裂过程,测试出玻璃和陶瓷薄片的断裂韧性在双向和单向拉伸载荷时的差别．结果表明双向拉伸使裂纹阻力增强,平行于裂纹的应力对裂纹扩展有影响．该研究表明,对线弹性材料在双向载荷作用下,传统的应力强度因子准则不适用．裂纹张开的应变依赖性被证实在双向应力的断裂评价中．     

各向同性均质材料典型断裂行为的I_1断裂准则适用性分析

基于弹塑性有限元模拟数据,采用I_1断裂准则分析了各向同性均质材料圆棒单向拉伸、平面应力和平面应变状态含中心裂纹体单向拉伸、含贯穿性中心裂纹有限尺寸板单向拉伸等典型力学行为的断裂特征。结果显示,基于I_1断裂准则的断裂特征分析结果与实际情况一致,表明I_1断裂准则可适用于完整和含缺陷的各向同性均质材料的断裂行为。     

平面应变断裂韧度的试验原理与过程控制

阐述了平面应变断裂韧度试验的理论模型和GB/T 4161-2007中平面应变断裂韧度KIC有效性判定依据的构建原理,在此基础上分析了预置裂纹应力强度因子和拉伸速率两个影响试验结果的因素,明确说明增大试样厚度是有效提高试验获得KIC值的方法,并以TC4和TA15两种钛合金材料的平面应变断裂韧度试验数据加以证明。     

防辐射含钆有机玻璃的断裂韧性研究

利用紧凑拉伸实验方法,测定含钆有机玻璃的平面应变断裂韧性KIC,并对紧凑拉伸试样的断面形貌进行分析。利用环境扫描电子显微镜原位拉伸测试技术,分析含钆有机玻璃在拉伸应力下的断裂过程,认为用裂尖银纹-裂纹模型和次级破裂模型分别解释含钆有机玻璃的慢速裂纹扩展和快速裂纹扩展过程是合适的。     

复合型裂纹起裂角厚度效应的实验研究

完成了飞机结构铝合金LC4CS的2、4、8和14mm四种不同厚度试样在I+II复合加载条件下的复合型断裂实验,系统分析了厚度和复合载荷对裂纹起裂角的影响,揭示了常用复合型断裂准则的厚度适用范围,用三维断裂理论对结果进行了讨论。结果表明:复合型裂纹起裂角具有明显的厚度效应;最大周向应力准则能够准确预测薄试样和厚试样(厚度为2 mm 和14 mm)在各种复合加载条件下的起裂方向,但是不适用于中间厚度的试样,尤其是8 mm厚度的情况。最大三轴应力准则试图考虑裂纹尖端三维约束对裂纹起裂的影响,但是结果并不理想。最小应变能密度因子理论的预测结果与最大周向应力准则的预测结果非常接近,但同样不能预测8mm厚度试样的起裂方向。非常有必要建立一个普遍适用的三维复合型断裂准则。     

螺旋桨用铜合金ZCuAl8Mn14Fe3Ni2的疲劳裂纹扩展特性

采用标准紧凑拉伸CT试样及改进型CT试样,研究了螺旋桨用铜合金ZCuAl8Mn14Fe3Ni2在空气、自来水及3.5%氯化钠水溶液中的疲劳裂纹扩展特性。结果显示:在自来水中,试验材料的疲劳裂纹扩展速率与在空气中的差别不大,表明自来水对试验材料的腐蚀作用不明显;当应力强度因子范围ΔK在(17~32)MPa.m1/2之间变化时,在3.5%氯化钠水溶液中,试验材料的疲劳裂纹扩展速率明显比在空气中时快,表明试验材料同时受到了腐蚀作用,但当应力强度因子范围ΔK大于32MPa.m1/2时,这种腐蚀作用却随着ΔK的增加在逐渐弱化。研究结果为试验材料的工程应用提供了依据。     

亚温淬火45钢的断裂韧度试验

针对平面应变断裂韧度测试中试样厚度条件的选择问题,以760℃亚温淬火45钢紧凑拉伸试样断裂韧度试验为例,分析讨论了试样厚度对断裂韧度的影响以及试验获得平面应变断裂韧度有效值的约束条件。结果表明:传统断裂韧度试验的厚度要求不一定适合作为亚温淬火45钢试样尺寸的要求依据;对于亚温淬火45钢脆性材料的试样,若断裂破坏以正断为主,其厚度已经满足平面应变条件的要求,从而可以测出断裂韧度。     

Stellite12钴基合金热循环冲击前后拉伸断裂机理研究

对不同缺口的Stellite12钴基合金试样(700℃/20℃进行不同次数的热循环冲击和未冲击)进行原位拉伸,并结合试验数据的分析以及断口形貌的扫描电镜观察,分析了Stellite12钴基合金热循环冲击前后的拉伸断裂过程和断裂机理。结果发现:热循环冲击后不同半径试样的断裂过程略有不同,热循环冲击后的小圆弧缺口试样在缺口根部产生表面微裂纹,试样边缘及微裂纹两侧产生氧化微孔;原位拉伸时,该试样热冲击过程产生的裂纹先向试样厚度方向扩展,待厚度方向贯通,然后裂纹尖端的基体发生变形、黑相(白相)穿晶开裂、少量沿氧化微孔裂开,试样瞬间发生断裂;而经历热循环冲击后的大圆弧试样表面并未产生明显的裂纹,拉伸加载过程经历大圆弧根部基体变形、黑白相内开裂、边缘氧化微孔张开,试样突然断裂;对于未冲击试样,在加载过程中,试样的断裂过程经历基体变形、黑白相内部开裂,能量聚集到一定程度试样突然断裂。对于未热冲击的三种不同试样其断裂过程基本类似,仅仅是由于小圆弧半径的试样应力集中程度更大,从而使得其断裂应力低于平板以及大圆弧试样。     

铁素体钢断裂韧度尺寸效应的小冲孔试验

对六种不同厚度的试样进行了小冲孔试验,并进行了有限元模拟,此外还通过扫描电镜观察并分析了断裂面的微观结构。试验结果显示,试样的SP断裂变形能和断裂韧度随试样厚度的增大而增大。提出了裂纹起始遵循断裂应变准则及裂纹扩展遵循断裂能密度准则的观点。有限元模拟结果与试验结果基本吻合。断裂面呈典型的韧性断裂特征,试样变形后的半球状外表面布满微小的褶皱状突起和微裂纹。     

铝镁合金平面应力断裂韧性测试研究

为测试铝镁合金平面应力的断裂韧性,根据HB 5261-1983《金属板村KR曲线试验方法》要求,在MTS-810试验机上,对铝镁合金中心裂纹拉伸试样(CCT)进行裂纹扩展阻力曲线KR与平面应力断裂韧性KC的测试;分析屈曲、裂纹长度的修正以及KR曲线有效数据点等因素的影响.测试结果表明:铝镁合金材料的平面应力断裂韧性KC较平面应变断裂韧性KIC高40％.     

声发射技术监测疲劳损伤探讨

在实验室的高频疲劳试验机上,对紧凑拉伸试样进行疲劳损伤试验,用声发射技术记录声发射参数的变化.使用小波分析识别降噪方法和外触发采集卡(只在裂纹扩展时才采集数据,裂纹闭合时不采集数据)等措施,将各种噪音分离出去,最后只有试样的疲劳损伤裂纹起裂和扩展的声发射波形信号,经处理后获得的疲劳裂纹扩展长度与应力循环次数关系,接近于人工测得的疲劳裂纹扩展长度与应力循环次数关系曲线.     

预制裂纹角度对橡胶拉伸断裂影响的有限元分析

初始裂纹的形态影响着裂纹尖端的应力场和扩展方向,进而决定着橡胶材料的使用寿命。目前人们关于预制裂纹试样拉伸断裂的研究主要集中在直裂纹,很少涉及预制裂纹角度的改变对橡胶拉伸断裂的影响。文中应用ANSYS有限元分析软件计算拉伸状态下含不同裂纹角度橡胶试样裂纹尖端的等效应力值和撕裂能的大小,判断裂纹是否扩展及扩展方向,并对橡胶试样进行拉伸验证试验测试。结果表明,在拉伸断裂过程中,裂纹尖端的应力值和撕裂能随着初始预制裂纹角度的增大而增大,裂纹尖端形状均由初始的尖点变成圆弧状;含不同裂纹角度橡胶试样的拉伸断裂形貌与裂纹预测扩展方向基本一致,验证了有限元分析的正确性。     

桥梁高性能钢HPS485W疲劳裂纹扩展速率试验研究

以国产桥梁用高性能钢HPS485W为研究对象,对7.5mm、12.5mm和19.5mm的HPS485W紧凑拉伸试样分别在应力比R=0.1、R=0.5和R=0.8的疲劳荷载下进行疲劳裂纹扩展速率(da/dN)试验,采用七点递增多项式的方法进行局部拟合求得试样的疲劳裂纹扩展速率。与传统桥梁用钢14MnNb相比,该文试验测得高性能钢HPS485W具有更优越的忍受疲劳裂纹扩展能力。试验结果表明：试样厚度是影响疲劳裂纹扩展速率的关键因素;对同一厚度的试样,疲劳裂纹扩展速率随着应力比R的增大而增大。此外,对19.5mm试样在荷载比R=0.1的情况下,进行工程门槛值的试验测定和理论门槛值的数值求解,分析求得19.5mm的HPS485W的理论门槛值为7.22MPa·m^1/2。该文试验得到的HPS485W疲劳裂纹扩展曲线,可用于高性能钢桥的抗疲劳、防断裂设计与寿命预测。     

推荐一种用于平面应变断裂韧性试验的标准圆形紧凑试样

推荐一种圆盘形试样作为一种标准试样补入ASTM(E399-78a)金属材料平面应变断裂韧性试验。它是径向开裂纹试样,其加载方式与现行的标准紧凑试样的普通方法相同。已进行的试验和分析工作,旨在证明所推荐的圆形紧凑试样及与之相关的应力强度因子K解适合于标准平面应变断裂韧性试验。本文还介绍了圆形紧凑试样在其它断裂试验方面的应用。     

近似二维应力状态下I_1断裂准则假设有效性的试验验证

I_1断裂准则假设是基于原子间相互作用模型和断裂物理过程分析提出的一个新的断裂准则,该准则认为,对于完整材料和含缺陷材料,当局部区域的应力第一不变量I_1达到临界值Ib时,材料发生断裂,临界值Ib定义为断裂强度。利用该准则与Mises屈服准则,可给出材料的四种基本力学行为判据,包括弹性变形、塑性变形、脆性断裂与塑性断裂。为验证近似二维应力状态下I_1断裂准则假设的有效性,设计了液压-轴向拉伸联合作用下的薄壁圆管双向应力试验并针对304不锈钢、10Ni5CrMoV钢和EH50钢三种材料开展了试验研究,试验结果表明,对于同一种材料,在不同应力组合下断裂时的第一主应力和第二主应力满足线性关系,应力第一不变量I_1保持恒定,材料存在特定的断裂强度Ib值,从而验证了近似二维应力状态下I_1断裂准则假设的有效性。     

4.5Ni钢在海水中的应力腐蚀行为试验研究

采用悬臂梁弯曲预裂纹试样应力腐蚀试验方法,进行了4.5Ni钢在海水环境下应力腐蚀试验和应力腐蚀断裂(SCC)试样断口扫描电镜观察,分析了该钢在海水中的应力腐蚀断裂特征。指出该材料在海水中属SCC不敏感材料。在海水环境中试验所产生的开裂带,SCC作用不明显。在高应力水平下,主要由于裂纹顶端的高塑性变形,裂纹顶端出现的长时间蠕变引起的。     

C—Mn钢焊接接头的解理断裂应力的研究

测定了Ｃ－Ｍｎ钢焊接接头不同焊缝百分含量ｗ％的光滑试样,缺口试样和裂纹试样的解理断裂应力,发现不同试样有两个解理断裂应力表征了解理断裂起裂于母材、焊颖两区。而且发现裂纹试验解理断裂应力比缺口试样高,缺口试样解理断裂应力比光滑试样高,其原因是因为裂纹试样解理断裂临界事件最小,光滑试样最大。     

基于边界效应理论确定热轧碳素钢的韧度与强度

该文研究确定热轧碳素钢的材料韧度与强度特性,提出一种确定热轧碳素钢材料的断裂韧度与屈服强度的模型及方法。建立了等效裂缝长度、名义应力等具体设计参数的计算表达式。通过相同尺寸而不同初始缝高比的单边拉伸Q235B热轧碳素钢板的系列试验,证明所提模型及方法的合理性与适用性。所提模型及方法只需由小尺寸单边裂缝钢板的拉伸试验测得的屈服荷载,即可同时确定出热轧碳素钢平面应力条件下的断裂韧度K_C及屈服强度σ_Y。采用该文所提方法确定热轧碳素钢的材料特性,试验试样不需要满足现行国内外规范对试验试样尺寸、型式,加载条件等的严格规定,试样不需要预制疲劳裂纹。     

浮空器用柔性复合材料的力学性能

通过试验研究了某浮空器蒙皮用柔性复合材料的基本力学性能和断裂力学性能。通过单轴拉伸试验研究了该材料经向和纬向试样的力学特性,结果发现两者的弹性模量均在10GPa左右,复合材料的柔软度很高;而经向拉伸试样的抗拉强度比纬向拉伸试样的高出约32％;通过改变切口相对宽度的撕裂试验发现撕裂试验的载荷一位移曲线和裂纹扩展特性基本表现为脆性断裂特性,试验结果和根据弹塑性断裂理论计算得到的结果相一致,即随着切口相对宽度的增加,柔性复合材料的极限载荷降低。     

恒幅载荷下疲劳裂纹扩展速率试验的数据处理及寿命估算的ALGOL程序

本文叙述了疲劳裂纹扩展速率试验数据处理的ALGOL计算程序。 本程序有下列几个特点:用七点递增多项式法对裂纹长度a与循环数N的数据进行拟合,并对ASTM E647—78T中推荐的FORTRAN程序做了一些改进;可用Paris公式或Forman公式对紧凑拉伸试样(CT)或中心穿透试样(CCT)的数据进行处理;能按照线弹性判据自动筛选数据;对实验有效性检验,采用表征da/dN数据分散度的可变因子VF,VF=exp(4s),s为剩余标准离差;给出置信度为95％的概率分散带。 本程序计算结果,可列表打印以下参数:a,N;△K,da/dN;材料常数C,n(或m);[(1—R)K_c-△K]da/dN,△K;以及带裂纹试样的寿命估算值等等。 大量的实践表明:本文推荐的ALGOL计算程序,是处理分析疲劳裂纹扩展速率试验数据的简便而有效的好方法。