裂纹起始扩展阻力J_i与基本力学性能的关系

韧性裂纹开始扩展的J积分值对于韧性断裂的工程构件是一个重要的材料性能指标。统计了三个钢种两种焊缝 2 0 0多个J积分值。发现当裂纹生长量Δa <0 .6mm时 ,Δa与J积分值存在线性关系 ,可以用J =J0 +K(Δa)表示 ,式中K =di dΔa(Δa =a0 +da) ,a0 是J—Δa曲线与钝化线的交点。当da =0时的J值以Ji 表示 ,它表示了韧性裂纹开始扩展时的J积分值。实验证明 ,只有Ji 与静拉伸发生颈缩时的颈缩比功有良好的线性相关性 ,从而由Ji 换算得KⅠC也应与颈缩比功线性相关 (相关系数 >99% ) ,而与静力韧度无关。而韧性裂纹开始扩展以后 ,各个扩展量下的JR 值与静力韧度、颈缩比功无任何相关性。从J积分的条件、裂纹尖端的特征、断裂的微观机理对试验结果进行了分析。从工程应用角度出发 ,说明Ji 与屈服强度与强度极限之比 (称屈强比 )无关 ,低屈强比不是保证缺陷 (或微裂纹 )抵抗其扩展的有效方法 ,有效的方法是提高强度的同时 ,不降低均匀塑性变形能力Ψb,这可以通过提高冶金质量如细化晶粒来实现。     

为JR阻力曲线推荐一种回归函数

根据J控制裂纹增长条件下δ_R和J_R两种阻力曲线斜率间的关系以及裂纹张开角CTOA与Δa关系的实验结果,建议在整个稳定裂纹扩展阶段把dJ_R da的回归函数取为双曲线。积分得到J_R回归函数表达式。用最小二乘法和起裂点参数(J_i、Δa_0)决定其中的三个常数。用这种回归函数在整个稳定裂纹扩展阶段(Δa～10mm)对实验点拟合效果较好。且有希望适用于多种韧性金属材料。文中有两个应用实例。     

“过载”在da/dN—ΔK曲线与ΔK_(th)降载法测量中的影响及其对策

对在 10 - 5～ 10 - 7mm cycle疲劳裂纹扩展曲线da dN—ΔK和疲劳裂纹扩展门槛值ΔKth测量中常用的降载法进行研究。每一级载荷疲劳裂纹扩展二次 (Δa1i,ΔN1i)和 (Δa2i,ΔN2i)。用多点多项式分别拟合 (Δa1i,ΔN1i,ΔK1i)和(Δa2i,ΔN2i,ΔK2i) ,i=1,2 ,3 ,… ,n。每一种材料得到两条da dN—ΔK曲线和两个ΔKth。结果表明 ,降载法中的前一级载荷仍明显有过载作用 ,干扰材料疲劳裂纹扩展 ,影响测量数据的真实性。本文提出解决方法———“二次扩展法” ,即在每一级载荷 ,舍去受前一级载荷影响大的第一次循环数据 ,而用受前一级载荷影响较小的第二次循环数据作为疲劳裂纹扩展曲线da dN—ΔK和计算疲劳裂纹扩展门槛值ΔKth的数据     

氢对347L不锈钢堆焊层的低频疲劳特性的影响

应用弹塑性断裂力学和ΔJ参数 ,研究了原始状态与热渗氢后 3 4 7L不锈钢堆焊层短裂纹的疲劳破坏特性。并用 da/d N=C(ΔJ) n 计算了裂纹扩展速度和门槛值。结果表明 ,在氢的作用下 ,3 4 7L钢堆焊层裂纹扩展的门槛值 (ΔJth) ,从 3 55× 1 0 - 6 MN/m,下降为热渗氢后的 2 52× 1 0 - 6MN/m,da/d N～ΔJ曲线也比原始状态的向左移 ,提高了裂纹扩展速度。断口分析表明 ,氢既有在柱状晶界及滑移面上位错塞积处聚集 ,促进脆化的作用 ,同时还有与交变载荷的动态协同作用     

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.     

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。     

ZG20MnSi钢断裂韧度和疲劳裂纹扩展速率试验研究

研究了ZG20MnSi钢及其焊接热影响区的断裂韧度和疲劳裂纹扩展速率。ZG20MnSi钢在常温下有较高的断裂韧度,δi达0.158mm,在0℃时δi为0.145mm。焊接热影响区的断裂韧度降低,但常温下δi也达0.146mm,在0℃时δi为0.139mm。ZG20MnSi钢在空气中的疲劳裂纹扩展速率方程为dn/dN=5.2857×10-12(△K)4.1;在滴水环境中的疲劳裂纹扩展速率方程为da/dN=3.7515×10-13(△K)4.9。     

大模数淬火齿条表面裂纹扩展规律及寿命预测研究

针对大模数齿条的疲劳寿命难以精确计算问题,对大模数表面淬火齿条的裂纹扩展规律进行了研究。建立了含共线初始双裂纹的齿条FRANC3D模型,齿条啮合区离散为15个区域载荷;分析了表面感应淬火齿条硬度分布、残余压应力分布对疲劳裂纹扩展寿命的影响,推导了齿条的断裂韧度K_(IC)与应力强度因子门槛值ΔK_(th);运用FRANC3D软件,对双共线初始裂纹在三种水平间距下的裂纹扩展、联通、继续扩展过程进行了仿真,得出了应力强度因子幅值ΔK随裂纹深度a扩展的表达式;根据裂纹扩展速率da/dN与ΔK、K_(IC)、ΔK_(th)的关系,预测了三峡升船机齿条的寿命N。研究结果表明:齿条满足疲劳寿命要求,但表面感应淬火降低了齿条的疲劳寿命;硬度分布对于裂纹扩展的促进作用大于残余压应力的抑制作用。     

Q235材料的Paris常数C、m及ΔK_(th)值测试

以大型机械结构最常用的Q2 3 5板材 (等同于ASTMA3 6)为研究对象 ,在实验室条件下测取裂纹扩展速率的Paris常数C、m ,并验证与轧制方向垂直的裂纹受平行于轧制方向应力作用时最易扩展的结论。同时以应力比R =0 .1加载试验数据外延计算获得其门槛值ΔKth(da dN =0 .5× 10 - 6 mm cycle时 )。     

波动载荷下X70管线钢裂纹扩展特性研究

用预裂纹试样研究了应力比为0.9的波动载荷下X70管线钢在不同环境中的裂纹扩展特性,并进行了定量分析。结果表明:不同环境中管线钢的裂纹扩展具有真腐蚀疲劳的特征,裂纹扩展速率主要受波动载荷产生的应力强度因子幅ΔK控制,给定载荷波动频率的裂纹扩展速率可表示为:da/dN=B(ΔK-ΔKth)2。在模拟管线局部环境的中性碳酸盐和NS4中,裂纹扩展具有较高的B值,且随载荷波动频率的降低B值升高。碱性碳酸盐环境中裂纹扩展的B值较低,载荷波动频率对裂纹扩展无影响。各种环境中ΔKth变化不大,在2.3～2.6MPa·m1/2范围。