对J积分测试方法中几个问题的讨论

针对延性断裂韧度JIC测试中遇到的困难，讨论现行，积分测试标准中关于最小裂纹扩展线和对裂纹扩展阻力JR值的上限限制及JIC的定义.研究认为，不同金属具有不同的裂纹钝化特征，钝化线方程取决于材料的强度、塑性和应变强化能力。测试标准中规定的钝化线方程只与材料强度水平有关，而且斜率太低，不能准确描述裂纹的钝化行为，进而以此钝化线为基础设置最小裂纹扩展线，并用它排除裂纹未真实扩展的试验数据势必造成某些不准确判断。因此，在提出合理的钝化线方程之前，建议采用下列原则处理J积分测试结果：J=1．5(σa σb)△α作为钝化线方程；由钝化线向右偏置0．03mm的平行线作为最小裂纹扩展线；Ja≤b0σY／15作为测试数据的有效性条件。另外对饱和伸张区(critical length of the stretched zone width，SZWC)的测试结果表明，钝化线与JR曲线交点所对应的J值即Ji可定义为延性断裂韧度JIC。文中还比较了不同研究者报告的16Mn钢测试结果的差别，并分析造成差别的原因。     

等温退火对30Si2MnCrMOVE钢显微组织和力学性能的影响

30Si2MnCrMoVE钢是立足国内资源自行设计、研制最成功的钢种之一,是为了解决航天某产品发动机壳体材料的高性能要求而生产的超高强度钢。某产品发动机壳体对超高强度钢有高断裂韧性、较好的塑韧性和高的比强度,以及低缺口敏感性、     

基于SENT试样获取材料断裂韧度的载荷分离法研究

单边裂纹拉伸(Single edged notched tension,SENT)试样因其低约束特性逐渐被用于管道材料的断裂韧度评定。根据有限元法,提出SENT试样的应力强度因子表达式,J积分计算中的增量塑性功算式以及塑性因子算式,并与文献中公式进行对比证实公式的精确性和有效性。依据ASTM用于CT试样获取断裂韧度载荷分离理论规则化方法提出适用于SENT试样的量纲一载荷分离法,并通过有限元计算证实SENT试样载荷分离的成立性。由量纲一载荷分离理论中的规则化方法完成了汽轮机低压转子材料30Cr2Ni4MoV、电站用P92管道钢以及5083-H112铝合金SENT试样断裂韧度值以及J阻力曲线测定,获得了各材料合理的J阻力曲线及条件断裂韧度JQ值。     

考虑裂尖约束效应的小尺寸CIET试样延性断裂行为

应用单试样规则化法完成了压力容器用钢SA-508紧凑拉伸(Compact tension,CT)、三点弯曲(Single edge-notched bending,SEB)和小尺寸含内侧边裂纹C形拉伸(C-shaped inside edge-notched tension,CIET)三类试样的延性裂纹扩展行为试验,获得了J-Δa阻力曲线。结果表明,SA-508钢的J-Δa阻力曲线受试样构形和裂纹尺寸的影响较大,其根本原因在于试样裂纹尖端约束不同而引起延性断裂行为差异。引入J-Q-M三参数约束理论考察断裂试样的裂尖约束效应,采用权重平均法求解与距离无关的约束参数Q。弹塑性有限元分析结果表明,平面应变条件下的Q参数与载荷水平无关,但三维条件下的Q参数却仍受载荷水平的影响。基于J-Q-M三参数约束方法,建立三类试样满足J-Q-M控制的有效尺寸条件。进一步地,结合条件启裂韧度J0.2BL、J0.5BL试验结果和J-Q-M理论,获得了基于Q参数的约束修正J-Δa阻力曲线簇,可用于任意约束试样以及实际含裂纹结构的延性断裂行为预测。     

反应堆压力容器用钢断裂韧度的表征方法及其统计模型

简要介绍了目前反应堆压力容器(RPV)用钢断裂韧度的两种表征方法——基于参考无延性转变温度(TNDT)的下限曲线法和基于参考温度(T0)的主曲线法,并阐述了断裂韧度的典型统计模型,以表征断裂韧度试验数据的分散性。基于所开发的概率断裂力学(PFM)分析程序,分析了不同统计模型对承压热冲击(PTS)条件下含缺陷RPV失效概率的影响,为国产RPV用钢断裂韧度数据的统计分析提供参考。     

断裂力学简介

本文从裂纹的扩展,应力强度因子K_1,断裂韧度,断裂判据等四方面简介了断裂力学的基本概念。     

用于断裂韧度测试的C形环小试样的规则化方法与应用

伴随结构精细化、小型化的发展,薄板、薄壁管件等小尺寸构件得到应用,试样小型化对满足特殊取样要求和材料断裂韧度测试需求有重要工程意义,而基于非标小试样的材料断裂性能测试方法尚难满足需求。设计用于延性材料断裂韧度测试的C形环小试样,提出应用该类小尺寸试样获取材料延性断裂韧度的、基于量纲一载荷分离理论的规则化测试方法。分别采用C形环小试样和传统紧凑拉伸型(Compact tension,CT)大试样完成转子材料26Ni Cr Mo V11-5钢和压力容器材料A508-Ⅲ钢的J阻力曲线试验,讨论C形环小试样厚度、初始裂纹长度对试验结果的影响。结果表明,试样厚度和初始裂纹长度对C形环的J阻力曲线测试结果影响有限,但C形环试样裂尖具有更高的约束水平,由C形环试样得到的J阻力曲线明显低于CT试样的结果。     

某固体发动机含裂纹药柱地面点火试验及仿真分析

为分析药柱表面裂纹对发动机装药结构完整性的影响,在发动机管型装药内孔表面预制深度0.6 mm的表面裂纹,进行了低温-50℃点火试验.同时在发动机管型药柱模型表面设置不同深度的裂纹,采用有限元法对裂纹J积分进行了计算.结合工程实例,分析了在低温-50℃点火条件下裂纹的断裂韧度和裂纹止裂时的J阻力值.结果 表明,低温点火条件下,对装药的结构完整性要求更加严苛,表面裂纹更容易扩展,但随着裂纹扩展深度的增加,在接近壳体位置时裂纹可能会发生止裂.     

高撕裂阻力金属延性断裂韧度测试方法探讨

讨论现行J积分测试方法在测定高撕裂阻力(dJ/da)金属延性断裂韧度JIC时所遇到的困难,结合工业金属冶金组织特性分析裂纹试样受力后的钝化、启裂及裂纹稳态扩展过程,并给出此类材料的JIC测试方法.研究指出,裂纹启裂过程是一个由塑性变形为主导的裂纹顶端伸张变形和裂尖钝化向微孔型断裂过渡的过程;开裂点实际上是在漫长的裂纹前沿上大部分地方完成这一过渡,裂尖伸张区(stretched zone, SZ)达到饱和,微孔开裂机制开始占据主导地位的标志.采用直线和幂函数形式拟合启裂后的J-Δa关系,以及采用幂函数形式拟合启裂前与启裂后全过程的J-Δa关系均可得到很相近的相关性,且在一定程度上,后者显得更合理.     

延性断裂韧度JIC测试中的钝化线方程

钝化线是描述裂纹试样在钝化过程中J积分与伸张区宽度（stretch zone width，SZW）间关系的一条直线，在J积分测试中，有效数据区的左右界限线以及确定延性断裂韧度JIC的偏置线都是建立在钝化线基础上的，因而钝化线在J积分测试中至关重要。通过对裂尖钝化过程的分析，基于D—B模型和J积分的路径无关性原理推导出一种钝化线方程。与现行标准中的钝化线相比，此方程与试验结果吻合得更好。     

直接由KIC／KIa～（T—RTNDT）的实测数据统计分析反应堆压力容器用钢断裂韧性值的概率分布

在反应堆压力容器的结构完整性评定中,ASME规范中选择材料大量断裂韧性数据的下包络线来确定断裂韧度,这在反应堆压力容器结构完整性的概率评定中会产生过于保守的结果。为此,利用三参数威布尔分布模型和对数正态分布模型分别对起裂韧性玩数据和动态止裂韧性KIa数据进行统计分析,并给出了断裂韧性的统计分布模型。     

常用压力容器钢断裂行为研究

利用三点弯曲试验,测试了16MnR、20R和Q235B三种常用压力容器钢的断裂行为和断裂韧度,并用扫描电镜观察了试样的断口形貌。结果表明：三种材料常温下均呈现韧性断裂,所有试样断口均存在裂纹分层现象,其中以16MnR裂纹扩展区分层现象最不明显,而Q235B裂纹扩展区分层现象最明显;当裂纹扩展方向与分层方向不一致时,分层现象的存在阻止了裂纹的扩展,从而提高材料的强度与韧度。     

球墨铸铁断裂韧度的可靠性分析

通常球墨铸铁与其他铸铁材料一样被认为属于脆性材料，断裂韧度应该用线弹性力学理论进行研究。本文发现由于球墨铸铁中的石墨呈球状，当裂纹通过石墨时，裂纹扩展机理将发生相应的变化，结果显示用弹一塑性理论来研究球墨铸铁的断裂韧度是适应和有效的。对可靠度为95％球墨铸铁断裂韧度的区间估计进行分析，以便对工程中的断裂韧度提供相关的数据。     

优化组织球铁的力学性能及其微观断裂行为

根据球铁断裂过程中石墨及石墨-基体界面的微观力学行为,对球铁组织进行优化设计.以强相(马氏体)或强韧相(奥氏体-贝氏体组织)环包围石墨,基体组织为马氏体或奥氏体-贝氏体组织,加上适量的铁素体,并通过快速加热短时保温后淬火或等温淬火获得.实验结果表明,优化组织球铁具有很高的强韧性.采用扫描电镜动态拉伸观察优化组织球铁断裂过程,发现微裂纹在石墨-基体界面萌生并沿界面扩展,马氏体环或奥-贝环阻碍界面裂纹的萌生与扩展,基体中的硬相和软相分别提高球铁的强度和韧性,这些都有利于提高优化组织球铁的强韧性.     

油气输送管线钢的分层机理及其对断裂的影响

对不同厚度油气输送管线钢进行各种裂纹的断裂试验，对各裂纹的断口进行了分析，探讨了分层机理及其对不同形式裂纹体承载能力的影响。结果表明，分层在各裂纹形式中均存在，此钢在室温为韧性断裂。对于非穿透裂纹，裂纹先起裂，穿透后情形就与穿透裂纹相似，由于扩展初期无分层，裂纹端部保持高的三维应力约束，所以其起裂应力强度比穿透裂纹要低。因此不能直接用穿透裂纹试验得到的断裂韧度值来评定管道中的非穿透裂纹起裂。     

单试样测试材料JId值方法的比较

利用示波冲击试验，以小角度多试样冲击试验结果为标准，对几种单试样测试材料动态弹塑性断裂韧度JId值的方法进行了比较。结果表明：最大载荷前能量方法只适用于测试启裂后无显著形变强化的高强钢；柔度变化率方法不宜于测试撕裂阻力较高的材料；而对于裂尖钝化时近似呈半圆形的材料，利用饱和伸张区宽度方法可以方便地得到材料的JId值。     

Numerical Investigation on Fracture Initiation Properties of Interface Crack in Dissimilar Steel Welded Joints

Fracture toughness property is of significant importance when evaluating structural safety. The current research of fracture toughness mainly focused on crack in homogeneous material and experimental results. When the crack is located in a welded joint with high-gradient microstructure and mechanical property distribution, it becomes difficult to evaluate the fracture toughness behavior since the stress distribution may be affected by various factors. In recent years, numerical method has become an ideal approach to reveal the essence and mechanism of fracture toughness behavior. This study focuses on the crack initiation behavior and driving force at different interfaces in dissimilar steel welded joints. The stress and strain fields around the crack tip lying at the interfaces of ductile-ductile, ductile-brittle and brittle-brittle materials are analyzed by the numerical simulation. For the interface of ductile-ductile materials, the strain concentration on the softer material side is responsible for ductile fracture initiation. For the ductile-brittle interface, the shielding effect of the ductile material plays an important role in decreasing the fracture driving force on the brittle material side. In the case of brittle-brittle interface, a careful matching is required, because the strength mismatch decreases the fracture driving force in one side, whereas the driving force in another side is increased. The results are deemed to offer support for the safety assessment of welded structures.     

The fracture toughness behaviour of interpenetrating phase composites

The fracture toughness properties of two interpenetrating phase composites (IPCs)—a bronze-infiltrated porous 420 stainless steel and a polymer resin-impregnated porous 316L stainless steel—have been measured using ASTM Standard E 813-89. Both IPCs exhibited stable crack growth at all volume fractions, resulting from an increase in toughness with crack growth (R-curve behaviour). Initiation toughness, J_Ic, increased and R-curve behaviour became more pronounced with increasing volume fraction of the more ductile constituent phase. R-curve behaviour is attributed to the mechanisms of crack bridging and unloading in the wake of a process zone, which is characterized by secondary cracking and plasticity. The importance of an interpenetrating phase morphology is dependent upon the combination of materials, but it appears that interconnecting the more ductile phase will result in increased toughness, particularly if this is the stronger and stiffer phase. The application of ASTM Standard E 813-89 to the IPCs investigated was found to result in a large number of validity criterion failures. The implications of these failures are discussed.     

力学不均匀性对焊接接头动态J积分影响的实验研究

用真空电子束焊的方法建立焊接接头的“软夹硬”非均匀体模型。用示波冲击的试验方法测出试件的动态断裂韧性,用该模型研究了焊接接头的力学不均匀性对其动态J积分的影响。结果表明,裂纹位于硬区材料,断裂韧性值理接近硬区材料,与软区材料的断裂韧性值差别较大;随夹层宽度增加,断裂韧性值减小,夹层宽度到某一值时,断裂韧性值趋于稳定。     

焊接表面裂纹J积分直接测试法研究

对半椭圆形表面裂纹弹塑性断裂力学参量Ｊ积分的直接测试方法进行了深入分析,并在此基础上,实际测试了存在于均匀母材试样及力学性能不均匀的高匹配焊接接头焊缝区的表面裂纹的断裂力学参量Ｊ积分。