ON THE VOID GROWTH OF C-Mn STRUCTURAL STEEL DURING PLASTIC DEFORMATION——Ductile Fracture Mechanisms in a Structural Steel (Ⅱ)

在试验分析的基础上,本研究提出了一种程序,以建立C-Mn结构钢在韧性断裂过程中的空穴增长与塑性应变及三轴应力状态之间的关系,并确定了空穴增长系数。由光滑拉伸试样和预制裂纹侧槽三点弯曲试样试验所确定的空穴增长系数,可能适宜较宽的试样拘束变化范围。空穴增长的实验关系式表明,当三轴应力状态(σm/(?))约大于1.2时,在该结构钢中的实际空穴增长速率低于由Rice-Tracey理论所确定的空穴增长速率,然而当三轴应力状态(σm/(?))约小于1.2时,由Rice-Tracey理论所确定的空穴增长表现为对实际材料中的空穴增长估计略为不足。另外,根据实验空穴增长研究,对预制裂纹侧槽三点弯曲试样在韧性起裂时钝化裂纹前端的塑性应变、相对空穴体积和应力状态三轴性的变化进行了测量和估计。     

结构钢焊缝金属的塑性和三轴应力状态

为了评价应力状态对低强度结构钢及其焊缝金属塑性和韧性的影响,采用20G低碳锅炉结构钢及其全焊缝金属的圆周缺口拉伸试样进行试验.结果表明结构钢及其焊缝金属的初始断裂应变受到三轴应力状态的强烈影响.在同样的三轴应力状态条件下,J427焊缝金属的断裂应变值最高,J422焊缝金属的断裂应变值最低.同时,就实验所用结构钢及其焊缝金属确定了反映其冶金特征的材料常数C值。     

高强度结构钢的韧性启裂和稳态扩展

研究了具有一定韧度的高强度结构钢裂纹早期扩展阻力与材料的微观组织结构、应力状态、变形历史和应变特性之间的关系。结果表明:裂纹扩展阻力(指J_R阻力曲线中的J_i和dJ/da)主要决定于裂纹尖端的塑性约束程度和应力应变场中消耗的弹性能和塑性功。这与三轴应力状态函数σ_mσ~(1/2)有关。材料的流变曲线描述了形变过程中的变形历史和应变特性,有明显的阶段性,其中第Ⅱ阶段的变形历史和应变特性制约着裂纹的启裂过程,第Ⅲ阶段的变形历史和应变特性制约着裂纹的扩展过程。应变硬化率dσ/dε可以敏感地反映出材料内部的应力分布和微观断裂机制。     

PLASTICITY AND TRIAXIALITY IN STRUCTURAL STEEL AND ASSOCIATED WELD METALS

为了评价应力状态对低强度结构钢及其焊缝金属塑性和韧性的影响,采用20G低碳锅炉结构钢及其全焊缝金属的圆周缺口拉伸试样进行试验.结果表明结构钢及其焊缝金属的初始断裂应变受到三轴应力状态的强烈影响.在同样的三轴应力状态条件下,J427焊缝金属的断裂应变值最高,J422焊缝金属的断裂应变值最低.同时,就实验所用结构钢及其焊缝金属确定了反映其冶金特征的材料常数C值。     

C-Mn结构钢拉伸变形过程中空穴形核的研究——结构钢韧性断裂机理研究之一

本文比较了各种可能揭示钢中空穴的方法,采用一系列具有增量塑性应变的光滑拉伸试棒调查C-Mn结构钢空穴的形核。并根据本研究提出的分析程序,确定了空穴的临界形核应变以及在形核应变时的相对空穴体积。     

应力三轴度和罗德参数对铝合金材料韧性断裂的影响

大量研究表明应力三轴度对韧性断裂有重要影响。然而,最新研究表明,与应力偏张量第三不变量相关的罗德参数也是影响韧性断裂的重要因素。采用7075铝合金制成的缺口圆棒和凹槽平板试样分析了应力三轴度和罗德参数对韧性断裂的影响及相应的微观机理。通过准静态拉伸试验和数值模拟得到应力三轴度、罗德参数及失效轨迹,同时利用扫描电镜分析了试样不同应力状态下的空穴演化规律。结果表明,应力三轴度和罗德参数对破坏应变有重要影响,并且罗德参数的影响随应力三轴度的增加而降低。断口分析表明,孔洞的尺寸随着应力三轴度的增大而减小,不同罗德参数的空穴形态明显不同。二级孔洞的成核速率和生长程度也受罗德参数的影响。     

Q460D结构钢在不同应力状态下的断裂机制

用扫描电镜和金相显微镜对Q460D高强度结构钢不同几何形状试件断口处的微观形貌和组织变化进行了分析。结果表明：在高应力三轴度纯拉状态下,Q460D结构钢断裂呈空穴聚合型穿晶断裂,微观组织发生抛物线状的聚合变形;在应力三轴度为零的纯剪状态下,断裂呈脆性穿晶解理断裂,微观组织变形成长条状且铁素体变形较大;在低应力三轴度拉剪状态下,断裂呈抛物线形韧窝穿晶断裂,微观组织中铁素体变得粗大,珠光体变得细小;而在高应力三轴度平面应变状态下的断裂呈韧窝型沿晶断裂。     

基于临界空穴扩张比理论的不锈钢管高温韧性损伤研究

针对不锈钢管在高温塑性加工过程中出现的裂纹缺陷，在Gleeble-3800热模拟试验机上对TP321奥氏体不锈钢光滑棒材进行高温拉断试验，得到了TP321在温度850～1180℃、应变速率0.01～10 s^-1下的真应力-真应变曲线和试样拉伸断裂瞬间的等效塑性应变。结合有限元仿真，对试验结果进行了数值模拟，得到了应力三轴度的数值，从而计算出了临界空穴扩张比参数V_GC。在此基础上，验证了临界空穴扩张比参数韧性断裂准则在高温下的适用性。发现在特定温度范围内TP321断裂瞬间的V_GC与应变速率相关性较小，与温度呈线性关系，并建立了奥氏体不锈钢断裂瞬间的V_GC与温度的数学表达式。将得到的V_GC准则应用于TP321管坯的不同辊形斜轧穿孔过程中的韧性损伤，对比分析了不同辊形斜轧穿孔仿真结果，发现V_GC准则可准确预测缺陷情况。     

高温高速下合金结构钢流动应力研究

采用恒应变速率凸轮式压缩试验机对8种合金结构钢的流动应力进行了实验研究。其变形温度(T)、应变速率((?))及变形程度(ε%)分别为850—1150℃,5—80s~(-1)及5—69%。分析了变形温度、变形程度及应变速率对流动应力(σ)的影响。通过对变形温度影响项具有两种表达式的流动应力数学模型的非线性回归分析及比较,提出了拟合精度较高的8个合金结构钢流动应力的数学模型,并给出了数学模型的回归系数值。     

应变速率和应力三轴度对316LN钢强度的影响

为了获得应变速率和应力三轴度对316LN钢强度的影响,在Gleeble-1500D热模拟实验机上进行了温度为1050℃的热拉伸实验。对于光滑试样,应变速率分别为0.005,0.05,0.5和1 s-1。对于缺口试样,应变速率设为0.5 s-1,缺口半径分别设为0.5,1,2和4 mm。结果表明,随应变速率和应力三轴度的增加,屈服强度和抗拉强度增加,屈强比减小,裂纹不易萌生。通过回归分析,分别建立了强度指标与应变速率和应力三轴度之间的数学模型,并通过敏感性分析得到:随应变速率增加和应力三轴度减小,应变速率和应力三轴度对强度的影响变小。     

合金元素对TC4钛合金动态力学性能的影响

利用分离式Hopkinson压杆装置,在应变率=2000,3000,4000s-1加载条件下,对4种TC4钛合金的等轴组织试样进行了动态压缩试验,得到了不同状态下的动态真应力-应变(σ-ε)曲线。结果表明:随着Al、V含量的增加,TC4钛合金等轴组织试样的平均动态流变应力、均匀动态塑性应变和冲击吸收功都有所增加,动态力学性能有所提高;随着间隙元素含量的增加,TC4钛合金等轴组织试样的平均动态流变应力和冲击吸收功有所提高,而均匀动态塑性应变有所降低。     

疲劳裂纹扩展机制和塑性区的研究

本文用三点弯曲试样测定15MnVN钢在淬火和200℃低温回火状态下疲劳裂纹扩展速率。试验在循环载荷比R=0.5的恒幅条件下进行,并利用金属塑性变形在光滑表面上产生浮凸的现象,用相衬显微镜测定裂纹顶端单调塑性区尺寸。在平面应力状态下垂直于裂纹面方向的单调塑性区尺寸与相应的(K_(max)/σ_s)~2成正比,其比例系数为0.21。根据Rice循环塑性区尺寸与单调塑性区尺寸关系,得到垂直裂纹面方向的循环塑性区尺寸与相应裂纹扩展速率之间为一指数关系。在裂纹扩展过程中,相对裂纹尺寸a/W约等于0.687时裂纹顶端从小范围屈服进入大范围屈服;a/W<0.687裂纹顶端的塑性变形约在θ=30—60°方向角内向两翼伸展;当a/W>0.687,不仅两翼向更大的θ角展开,而且在θ=0°附近塑性变形也有相当发展。金相和扫描电镜观察结果,具有板条状马氏体组织的15MnVN钢疲劳裂纹扩展是以穿晶型的解理开裂方式进行的,是一种再生核扩展机制。     

裂纹顶端应变与应力的研究

本工作应用Fry试剂及显微硬度法研究了裂纹顶端地区的应力、应变,结果证明:随着试样总体应变的增长(弯曲角的增加),裂纹顶端的应力也在增长,增长的规律遵循我们在线性硬化律■=β+γ■下所推导的关系: J=G+[(β/3~(1/2)+1/2(σ_(YY))_A)]δ_p直到临界点时 J_c=G_c+(β/3~(1/2)+1/2σ_F)δ_(p,c)证实在临界点(σ_(YY))_A=σ_F     

应力腐蚀开裂过程中的表面形变

应力腐蚀开裂是一种比较复杂的现象,不仅与裂纹尖端的力学状态有关,而且与裂纹尖端附近的腐蚀介质条件及受应力腐蚀的材料的性质和状态有关。按照断裂力学的观点,即使对于厚度满足平面应变条件的试样,在受载后,试样表面层也并不处于平面应变状态,而是处于平面应力状态.对于这种试样进行应力腐蚀试验,单从力学因素来说,裂纹应优先在试样厚度中心部位(处于三轴应力状态)处扩展,在试样表面层,由     

SURFACE DEFORMATION IN THE COURSE OF STRESS CORROSION CRACKING

<正> 应力腐蚀开裂是一种比较复杂的现象,不仅与裂纹尖端的力学状态有关,而且与裂纹尖端附近的腐蚀介质条件及受应力腐蚀的材料的性质和状态有关。按照断裂力学的观点,即使对于厚度满足平面应变条件的试样,在受载后,试样表面层也并不处于平面应变状态,而是处于平面应力状态.对于这种试样进行应力腐蚀试验,单从力学因素来说,裂纹应优先在试样厚度中心部位(处于三轴应力状态)处扩展,在试样表面层,由     

AN INVESTIGATION OF THE CRACK-TIP STRESS AND STRAIN

本工作应用Fry试剂及显微硬度法研究了裂纹顶端地区的应力、应变,结果证明:随着试样总体应变的增长(弯曲角的增加),裂纹顶端的应力也在增长,增长的规律遵循我们在线性硬化律■=β+γ■下所推导的关系: J=G+[(β/3~(1/2)+1/2(σ_(YY))_A)]δ_p直到临界点时 J_c=G_c+(β/3~(1/2)+1/2σ_F)δ_(p,c)证实在临界点(σ_(YY))_A=σ_F     

40CrNiMo钢高温拉伸变形行为和组织演变规律

采用光滑和缺口拉伸试样进行不同温度(950、1050和1150 ℃)和不同应变速率(0.5、1.0和5.0 s^-1)的高温拉伸试验,研究了40CrNiMo钢在高温拉伸时的力学性能变化、微观组织演变以及塑性损伤形成机理,分析了不同应力三轴度对高温塑性损伤的影响。结果表明,提高变形温度或降低应变速率会降低峰值应力;应变速率从0.5 s^-1增大至5 s^-1,晶粒大小不均匀程度增加,材料更容易产生塑性损伤;变形温度从950 ℃提高到1150 ℃,晶粒尺寸增大近3倍;损伤经历形核、长大并形成微裂纹3个步骤,应力三轴度与缺口半径成负相关关系,应力三轴度的增大会加剧塑性损伤的发生,使得拉伸试件的断裂应变值降低。在车轴实际轧制过程中,在保证一定生产效率的前提下,可以通过尽可能减小楔横轧模具的成形角,并适当增大展宽角的方法,来降低材料塑性变形时内部各处的动态应力三轴度值,降低损伤发生的概率。     

应力状态对无取向电工钢塑性变形和断裂行为的影响

以晶粒粗大的无取向电工钢为研究对象,通过改装的Arcan夹具和蝶形试样,研究了0°纯拉伸、45°拉伸-剪切复合、90°纯剪切3种应力状态下,应力三轴度Rσ对材料塑性变形和断裂机制的影响。采用万能拉伸试验机多次定点停车、SEM观察晶粒变形和裂纹扩展的试验方法,实现了对变形过程的"准原位跟踪"及其力学响应的动态分析。发现应力三轴度对晶粒的滑移阻力有决定性影响。应力三轴度Rσ越小滑移越容易进行,其断裂形式越接近于无空穴剪切型损伤,断面韧窝特征越少;反之,滑移越难进行,断裂形式越接近拉伸型空穴损伤,断面韧窝密集。对于无取向电工钢,当Rσ≈0时,随着变形损伤的加剧,材料最终发生剪切型断裂;当0Rσ≤0.4时,材料为剪切和韧窝混合型断裂;当Rσ0.4时,材料为韧窝型断裂。     

STUDY OF PLASTIC ZONE AND FATIGUE CRACK PROPAGATION MECHANISM

本文用三点弯曲试样测定15MnVN钢在淬火和200℃低温回火状态下疲劳裂纹扩展速率。试验在循环载荷比R=0.5的恒幅条件下进行,并利用金属塑性变形在光滑表面上产生浮凸的现象,用相衬显微镜测定裂纹顶端单调塑性区尺寸。在平面应力状态下垂直于裂纹面方向的单调塑性区尺寸与相应的(K_(max)/σ_s)~2成正比,其比例系数为0.21。根据Rice循环塑性区尺寸与单调塑性区尺寸关系,得到垂直裂纹面方向的循环塑性区尺寸与相应裂纹扩展速率之间为一指数关系。 在裂纹扩展过程中,相对裂纹尺寸a/W约等于0.687时裂纹顶端从小范围屈服进入大范围屈服;a/W<0.687裂纹顶端的塑性变形约在θ=30—60°方向角内向两翼伸展;当a/W>0.687,不仅两翼向更大的θ角展开,而且在θ=0°附近塑性变形也有相当发展。 金相和扫描电镜观察结果,具有板条状马氏体组织的15MnVN钢疲劳裂纹扩展是以穿晶型的解理开裂方式进行的,是一种再生核扩展机制。     

一种改进的Lemaitre断裂准则及其在弯曲成形裂纹预测中的应用

针对弯曲成形中的裂纹缺陷,应用Lemaitre韧性断裂准则,同时考虑应力三轴度,最大主应力比,以及塑性应变对损伤的影响,对Lemaitre准则进行改进,有效预测了弯曲成形中金属板料的成形极限。以7075-T6铝合金为研究对象,模拟得到该合金板材的裂纹产生条件,获取改进的Lemaitre准则材料参数,确定破裂阈值。对6 mm厚7075-T6铝合金板材进行三点弯曲实验,并观察其金相组织。对其产生裂纹时的压下量与断裂准则所得的理论压下量进行比较,验证了改进后断裂准则对裂纹预测的准确性。通过对比产生裂纹时的压下量,结果表明,改进后的Lemaitre断裂准则所得理论压下量为9.7 mm,与模拟和实验结果一致,证明改进后的Lemaitre准则对弯曲成形裂纹预测具有一定的准确性。