基于材料断裂韧度测试的COD换算方法研究

考虑到断裂韧度J积分塑性分量的塑性功由载荷与加载线位移关系得到,通过测试CT(compact tension)和SEB(single edge bending)试样的裂纹嘴张开位移实现J积分计算,提出适用于两种试样的裂纹嘴张开位移与加载线张开位移转换的换算公式,并采用45钢CT试样和30CrMo钢SEB试样对新公式进行有限元数值比对和试验比对。结果表明,新公式结果与规范演算结果之间的相对误差不超过0.4%,与有限元分析结果之间的相对误差不超过0.6%,与CT试样试验结果之间的相对误差小于4.5%,与SEB试样试验结果之间的相对误差小于6%。     

应变疲劳da/dN的测定及其与J积分关系的探讨

本文进行的恒应变疲劳(恒裂纹嘴张开位移幅疲劳)较成功地测定了16Mn钢材单边裂纹的应变疲劳扩展速率,并运用EPRI提供的弹塑性评定公式,计算了应变疲劳裂纹扩展过程中,不同裂纹长度所相应的J积分值,得出了da/dN与⊿J的指数规律关系式。即对16Mn钢材单边裂纹平板试样有: da/dN=1.3×10~(-7)(⊿J)~(2.06)     

用线弹性和弹塑性方法确定断裂韧性

用线弹性和弹塑性方法测定了二种Ni-Cr-Mo钢的断裂韧性,从对线弹性/理想塑性的载荷位移曲线的计算以及从实验结果得知:应该采用Merkle和Corten关系来计算紧凑拉伸试样的J积分。用来确定临界J值的外推法,含有某些问题。作为一种选择,建议测定离钝化线一个固定距离的J。从J计算的以及从线弹性方法计算的应力强度因子之间的比较表明:线弹性断裂力学可以使用比金属材料平面应变断裂韧性试验方法ASTM(E 399-74)所规定的尺寸小得多的试样。等价能量法和用不同的夹式仪在离裂纹尖端的不同距离处测定的裂纹尖端张开位移给出了与J积分方法一致的应力强度因子。     

弹塑性材料裂纹扩展的动态J阻力曲线实验研究简介

为得到弹塑性材料裂纹扩展的阻力曲线,采用较大外径和较大韧带直径的周边切口短圆柱小试件,在自行研制的间接杆-杆型冲击拉伸试验装置上进行动态断裂和起裂止裂试验.采用数值分析提出的修正方法得到韧带面上的载荷,结合测得的裂纹嘴张开位移(crack mouth opening displacement,CMOD),推广Rice远场J积分公式来计算动态J积分;依据柔度变化率法确定起裂点,获得动态起裂韧度JID.利用柔度标定法得到裂纹扩展轨迹;提出周边切口拉伸试件裂纹扩展阻力的动态JM(t)积分表征的修正形式,从而得到弹塑性材料裂纹扩展至止裂前的阻力曲线,并对相关问题进行讨论.试验结果表明,修正后的JM(t)可以作为裂纹扩展阻力的表征参量,不仅适用稳态扩展过程,对裂纹扩展较大时也是适用的;对弹塑性材料裂纹扩展阻力曲线是唯一的,与裂纹初始长度无关.     

环状裂纹圆棒拉伸试样J积分研究

本文根据一个考虑了环状裂纹圆棒拉伸试样的弹塑性状态及裂纹深度 d/D 影响的轴向位移函数,给出了一个近似的但考虑了裂纹深度 d/D 影响的加载点位移函数δ_c=rg[P/r~2f(d/D)],由此导出了环状裂纹圆棒拉伸试样的 J 积分公式。并用实验比较了现有的几个环状裂纹圆棒拉伸试样的 J 积分公式。常用的深裂纹(d/D=0.5～0.6)的实验表明该公式的结果比现有的考虑了裂纹深度 d/D 影响的公式的结果与实际符合得更为好一些。     

共线裂纹弹塑性双参数断裂分析

用弹塑性双参数断裂理论分析共线双裂纹之间的干涉效应.计算不同裂纹尺寸与不同裂纹间距情况下主裂纹断裂驱动力J积分和约束参数A2.结果表明,随着载荷的增加,次裂纹对主裂纹的弹塑性干涉效应明显大于线弹性干涉效应,并且干涉效应随着裂纹间距的减小或次裂纹长度的增加而相应增大.当载荷比较大时,次裂纹的存在对主裂纹尖端的约束水平也有影响,裂纹尖端约束水平随着裂纹间距的减小或次裂纹长度的增加而相应增大.在采用工程简化方法对多裂纹问题进行断裂评定时,应该考虑次裂纹对主裂纹.J积分和约束水平的影响.     

基于双悬臂梁试样的柔度方法

NACE TM0177-96标准推荐的双悬臂梁DCB(double cantilever beam)试样主要用于测试硫化物腐蚀条件所产生的平衡载荷与裂纹扩展的相互关系,进而评估材料抗应力腐蚀开裂临界强度因子的优劣,但未提供确定裂纹长度的方法.文中通过有限元分析法提出计算V形裂纹长度的统一柔度公式,该公式在满足有效性条件下,与试样几何尺寸无关,可用于通过测试试样加载线和端面裂纹张开位移计算柔度,进而实现裂纹长度预测.文中采用30CrMo钢DCB试样和已有文献的试验数据对统一公式进行有限元模拟和试验结果对比.研究表明,所提出的柔度公式对不同V形裂纹DCB试样的裂纹长度预测结果与有限元分析结果之间的相对误差不超过2％,与试验结果之间的相对误差不大于5％.     

用弹塑性有限元法对焊接接头裂尖场J积分的研究

采用平面应力弹塑性有限元法研究了中心裂纹板焊接接头裂尖场J积分参量及其应用的可行性，数值分析采用MARC软件的二维弹塑性分析模型，探讨了不同强度匹配（高，等，低匹配）的焊接接头试样在加载过程中裂尖场J积分的变化情况，计算结果表明，靠近焊接接头裂纹尖端的J积分回路明显的路径相关性，而远离裂尖的J积分回路表现出路径无关性，焊接接头强度匹配因子M对裂纹尖端的J积分值有很大的影响，对应于每一个载荷P／P0，J积分的值随M的增大而减小，特别是当P／P0＞1．0时这种情况更明显。     

Charpy裂纹体的冲击响应与动态断裂韧度

采用动态弹塑性有限元法分析了Ｃｈａｒｐｙ裂纹试样在动态加载下的冲击响应。分析结果表明：在一般冲击实验机的加载速度下，惯性力对裂纹尖端的Ｊ积分影响不大。实际中，只要对示波冲击测得的载荷－时间曲线进行数字滤波处理，动态Ｊ积分可按准静态加载下的Ｊ积分计算公式计算。另外，实验表明：裂纹尖端应变片法可很好地测得冲击加载下裂纹的启裂点     

平行界面裂纹J积分的研究

利用弹塑性有限元分析方法，对平行于双相介质界面的裂纹在不同长度和不同位置时的J积分进行了计算，并研究了裂纹端的J积分随双相介质材料特征的差异和裂纹到界面的距离的变化规律。分析结果表明，裂纹位于硬介质中的J积分小于位于软介质中的J积分，当裂纹靠近界面时，硬介质中J积分将增大，而软介质中J积分将减小。     

A study on the characteristics of fracture resistance curve of ferritic steels

Fracture resistance (J-R) curves are used for elastic-plastic fracture mechanics analyses. The specimen geometry and the reversed cyclic loading affect the fracture resistance (J-R) curve. On the specimen geometry, The effects of specimen size plane size, specimen thinkness, side grooving and crack length were studied. On the reversed cyclic loading, the effects of load ratio and incremental plastic displacement were studied. The results revealed that theJ-R curves increased with increasing plane size and decreased with increasinga/W and theJ-R curves decreased with decreasing the load ratio and the incremental plastic displacement, respectively.     

Crack opening behavior of penetrated crack under fatigue load

The leak-before-break (LBB) behaviors of a structural component under high and low fatigue loads are an important problem in nuclear power plants, liquid nitrogen gas tankers and chemical plants. This paper is an experimental study to evaluate the crack opening behavior after penetration for plate and pipe specimens. Crack opening displacement after penetration under low fatigue load could be satisfactorily determined at the center of the plate thickness regardless of the specimen size. In the case of high fatigue load, it is shown that the crack opening displacement at the center of a penetrated crack can be derived using the gross stress,σ _C , and the front surface crack length, a _s , together with the back surface crack length, a _b .     

COEC微小试样用于延性断裂行为评定的规则化法研究

在材料断裂行为评定中,试样小型化不仅具有取样方便和节约成本的优点,而且对满足特殊取样要求的断裂韧度测试有重要工程意义。采用含外侧边裂纹C形压缩（C-shaped outside edge-notched compression, COEC）小试样,基于量纲一载荷分离理论发展了其用于获取延性材料的断裂韧度的规则化测试方法。采用A508-III压力容器钢完成了不同规格COEC、紧凑拉伸（Compact tension, CT）和单边裂纹弯曲（Single edged-notched bending, SEB）试样的J阻力曲线试验。结果表明,相比试样厚度,初始裂纹长度对COEC试样的J阻力曲线测试结果影响更大。同时,由于COEC试样具有更高的裂尖约束水平,其J阻力曲线明显低于标准CT、SEB试样的结果。     

304不锈钢紧凑拉伸裂尖应力强度因子有限元分析

304不锈钢结构在工程应用中经常发生疲劳断裂.利用有限元数值模拟方法对304不锈钢制成的紧凑拉伸试样进行二维分析,通过J积分计算应力强度因子.使问题满足平面应力条件,通过对数据处理,分析载荷大小和裂纹长度对应力强度因子的影响.把有限元计算的结果和经验公式对比,分析误差及有限元方法的可行性.     

钝裂纹或缺口下失效评定图的变化及修正方法研究

应用增量理论弹塑性有限元方法以及弹塑性断裂力学 Ｊ积分理论, 深入研究和全面探讨了一种用于含裂纹结构完整性评定的工程方法——失效评定图, 以及钝裂纹或缺口根部曲率半径、缺口长度、缺口端部椭圆离心率、试样形式和材料等对其的影响。提出了钝裂纹或缺口应力强度因子和极限载荷修正方法。通过这一方法建立的失效评定图可有效地消除缺口因素对失效评定图的影响, 由此, 可完全等效地将裂纹失效评定图用于含缺口结构的完整性评定。     

金属材料准静态断裂性能标准测试技术研究进展

准静态断裂性能是评价含裂纹结构完整性的重要力学参量,其测试规范的制修订可反映国家在国际断裂测试领域的技术水平。由于较复杂的断裂力学理论背景以及长期经费投入乏力,我国的断裂性能测试规范自主创新修订工作严重落后于国际水平。自2011年立项至今,历经3年的不懈研究,完成了新版国家断裂测试规范GB/T 21143-2014的修订,且在原规范的基础上取得了许多新进展。主要包括:对基于柔度原理的裂纹长度计算公式进行了简化,完善了原有J积分和CTOD计算式;推荐了考虑断裂试样大角度转动影响的旋转修正新方法;借鉴ASTM E1820-11规范,引入了改良后的单试样规则化法。为了更好地促进新规范的推广应用,本文就新规范修订中涉及的上述技术的研究进展进行详细综述。     

Study of dynamic crack propagation in 3PB steel specimens loaded by impact

Crack propagation in ductile steel was investigated using impact-loaded three-point bending (3PB) specimens. Results from experiments and numerical simulations were compared. The specimens were 320 × 75 mm by 10 mm thick. A new 3PB specimen design with reduced width at the ends was developed to avoid the influence of uncertain boundary conditions at the impact heads. One static and two dynamic tests with impact velocities of 30.2 and 45.2 m/s were performed. High-speed photography was used to obtain crack growth and crack tip opening displacement data. Moiré interference patterns were used to directly measure the relative rotation of the two specimen halves. Shear lip fracture surfaces were obtained for all three loading conditions. The experiments indicated no, or only a slight, loading rate influence on the crack propagation.     

Micro-strain distribution around a crack tip by electron beam moiré methods

The microscopic deformation around a crack tip in a small tensile specimen of aluminum was measured by using electron beam moiré methods. The tensile test was carried out in a scanning electron microscope(SEM) by using specially designed small tensile testing apparatus for an SEM. A line grating with a pitch of 87 nm was written at the crack tip by electron beam lithography. SEM images of the grating contained(original) moiré fringes at certain magnifications without loadings on the specimen. The displacement and strain in the region 10 to 50 μ m from the crack tip were evaluated by analyzing the (mismatch) moiré fringes. Measured strains normal to loadings(longitudinal strains) near the crack tip were found to be comparable to those estimated using linear elastic fracture mechanics(LEFM), for the lowest load, and elastic-plastic fracture mechanics, at effective crack tip position located within the actual crack tip. The exponent of the strain singularity in the vicinity of the actual crack tip changed with applied stress, ranging between ?0.64 and ?1.0. The measured crack tip opening displacement(CTOD) values disagreed with CTODs based on the Hutchinson-Rice-Rosengren(HRR) field, the Dugdale model, and LEFM. The experimental plastic zones spread from the line of crack extension up to an angle of about 60°, as expected from LEFM theory.