不锈钢螺柱的断裂失效现象及机制探讨

研究常用螺柱的断裂失效现象。采用扫描电子显微镜(SEM)Hitachi S-3400N对螺柱断口形貌进行观察,采用能谱仪(EDX)对第二相夹杂物进行分析;对螺柱进行受力分析,确定扭转断裂所需的应力,发现螺柱在低于其正常切应力状态下发生了扭转断裂失效;通过应力计算、形貌观察分析螺柱的断裂失效过程机制及失效机制。结果表明:存在于螺纹表面上的裂纹是导致螺柱扭转断裂的主要原因,即在长期使用过程中,螺柱表面因疲劳产生微裂纹,在剪切外力作用下,微裂纹扩展,导致螺柱在低于正常应力状态下,发生了断裂失效。断裂过程中,材料发生了剪切、拉伸、摩擦等现象。     

管道穿透斜裂纹应力强度因子计算

裂纹是引起管道开裂失效的主要原因,裂纹尖端应力强度因子是表征裂纹应力场强度的主要物理量,也是对管道进行安全评估时的主要依据之一,但管道不同于平板,有曲率影响,因此基于平板推导出来的裂纹尖端应力强度因子公式必须进行修正。为了准确计算管道上斜裂纹应力强度因子,建立了不同管道直径、不同裂纹倾角以及不同裂纹长度下的管道穿透斜裂纹有限元模型,并计算了裂纹尖端应力强度因子,在无限大板中心斜裂纹应力强度因子计算公式基础上,修正得到了管道穿透斜裂纹应力强度因子计算公式,这对于含裂纹管道安全评定有重要参考价值。     

一个双参数断裂准则

双参数断裂准则建立在下述原理基础上,沿裂纹尖端初始弹-塑性边界计算的弹性应变能密度的最大值达到光滑试样单轴拉伸时的特征断裂能的弹性部分时,裂纹起始失稳扩展发生。于是,裂纹失稳扩展不仅取决于材料的断裂韧度K_(IC),还因为考虑了断裂前裂纹尖端的非弹性变形,裂纹失稳扩展还与参数ω有关,ω是材料的断裂应力与屈服应力之比。因此,双参数断裂准则不但适用于脆性断裂,还可用于伴有局部塑性变形的准脆性断裂。     

钝化的预裂纹尖端产生的短裂纹对解理断裂的影响

结合-130℃下C-Mn钢三点弯曲(3PB)断裂韧度试验时预裂纹尖端构形的变化和断口观察,用有限元对预裂纹尖端起裂并扩展的短裂纹进行模拟与计算,通过计算得到的应力、应变、三向应力度来说明短裂纹的产生和钝化对钢最终发生解理断裂的影响。结果表明:当预裂纹仅仅被钝化时,预裂纹尖端一区域内积累的应变足以使裂纹形核;另一区域三向应力度和正应力也足以使一裂纹核扩展,但是这两个区域不重合,之间有一距离,因此形核的裂纹不能扩展,能扩展的区域内没有裂纹核,解理断裂也就不能引发。在钝化的预裂纹尖端产生短裂纹后将改变应力、应变、三向应力度的分布,特别是改变他们在裂尖前的相对位置。裂尖前短裂纹起裂、扩展及钝化产生更尖锐的构形,使应力及三向应力度区向钝化的裂尖方向靠近,从而使上述两个区域彼此重叠,这时解理裂纹起裂与扩展的条件同时具备,而在钝化的预裂纹尖端的一定距离处起裂与扩展。     

工程用钻杆螺纹断裂失效研究

工程用坑道钻机钻杆在孔内受各种载荷作用,包括弯曲、扭转、振动及拉压等,钻进时经常出现钻杆断裂现象,严重影响正常生产.从钻杆接头连接螺纹失效类型分析入手,考虑实际工作载荷对钻杆联结螺纹进行力学分析.基于有限单元法,建立了钻杆连接螺纹接触有限元模型,针对Φ42钻杆进行了强度分析,并对钻杆材质进行了断口的形貌、化学成分测量、硬度测量、金相分析,得出钻杆接头螺纹应力偏高,热处理工艺不稳定为钻杆断裂失效的主要原因,研究为进一步优化钻杆结构提供了重要依据,具有重要的理论意义及工程应用价值.     

T应力对复合型断裂韧度的影响

作为结构疲劳裂纹重要的断裂参数之一,应力强度因子可反映裂纹尖端应力场的强度。但实验发现,在求解断裂角时,裂纹尖端应力场中的T应力项对数值计算结果影响较大。文中采用Ansys 15.0中的相互作用积分法来求解应力强度因子和T应力,分析含裂纹结构的几何尺寸、载荷大小、初始裂纹长度和裂纹角对SIF和T应力的影响,对比考虑T应力后的最大周向应力准则MTS和传统的MTS,分析了T应力对裂纹扩展方向的影响。     

球形压力容器埋藏裂纹的影响分析

疲劳、制造工艺及复杂应力状态都能够产生导致压力容器最终失效断裂的裂纹。鉴于对埋藏裂纹研究的相关文献较少,文中在验证有限元法可靠性的基础上,利用ANSYS及Franc 3D通过有限元法对球形压力容器轴向椭圆埋藏裂纹,从裂纹半径比a/c及扩展的两个方面,探究裂纹尖端张开型应力强度因子KΙ及裂纹面形态的变化。通过数值结果分析发现,a/c=1时可作为裂纹尖端KΙ分布情况和幅度大小的临界条件,而且裂纹在扩展过程逐步由椭圆形趋近圆形,同时不同裂纹角路径下扩展速率由其主导的应力强度因子大小决定。     

环氧树脂的增韧对裂尖约束的影响

对用不同增韧方法制成的环氧树脂材料进行了断裂性能分析,结合有限元计算,得到了裂尖约束以及不同增韧方法对裂尖应力应变场的影响。同时,给出了裂尖钝化半径与裂纹尖端应力应变场的关系,指出：在一定的载荷水平下,可以有效地降低裂纹尖端的应力水平,降低裂纹尖端的三轴应力度,提高结构的承载水平。本文还指出增韧有利于提高材料的断裂性能,降低裂纹尖端的三轴应力度。     

基于ANSYS与nCode的损伤钻杆疲劳寿命分析

在钻采过程中,钻杆管体关键部位的腐蚀坑或作业损伤受循环复合载荷后易发生疲劳失效导致钻杆断裂。以钻采工况下直径为127 mm的钻杆为例,基于疲劳失效理论,利用ANSYS Workbench和nCode Design-Life软件建立损伤钻杆CAE模型并对其进行疲劳寿命预测,在给定不同载荷谱参数、不同损伤压痕位置与深度的情况下,得到各参数影响损伤钻杆疲劳寿命循环次数的规律。结果表明：较高水平的平均应力与应力幅会大幅度降低损伤钻杆的疲劳寿命;损伤压痕位于内加厚过渡段消失点时,损伤疲劳钻杆寿命循环次数最小。该结果为钻杆的探伤检修及判废提供了理论指导。     

T型焊接接头表面裂纹应力强度因子影响因素研究

针对T型焊接结构中出现的疲劳断裂现象,采用扩展有限元法计算裂纹尖端应力强度因子,分析其受裂纹参数、载荷、结构参数影响的变化规律。计算结果表明:随着裂纹尺寸的增大,裂纹尖端应力强度因子呈发散状态增大;弯曲载荷变化引起裂纹尖端应力强度因子的变化程度大于拉伸载荷;裂纹尖端应力强度因子与结构参数呈线性关系。     

滑块式万向接轴扁头套筒有限元分析及断裂原因探究

利用有限元软件COSMOSWorks对某钢铁厂的滑块式万向接轴扁头套筒的受力状况进行了分析,并从微观和宏观两方面对扁头套筒的断裂实样进行了失效原因的探究。认为在理想的状态下,扁头套筒发生应力最大位置位于其根部圆角处。当扁头套筒的某些部位发生意外损伤时产生的缺陷,将会导致疲劳裂纹源的发生。该处裂纹源会逐步形成疲劳裂纹并在轧钢过程中不断发展,尤其是当万向接轴发生扭转振动时,疲劳裂纹将会迅速扩展并最终导致扁头套筒断裂失效。     

中心裂纹宽板的弹塑性有限元计算

本文应用ADINA/ADINAT程序研究了中心裂纹宽板在超屈服断裂时的弹塑性有限元计算。分析了有关弹塑性断裂力学计算中的三个重要问题:1.三维应力,即板厚度对裂纹尖端应力场的影响。2.超屈服断裂中裂纹尖端附近应力应变场的奇异性。3.应用 ADINA 程序进行弹塑性有限元计算时,其增量载荷的选择方法。最后作为一个实例,计算了60×60mm~2,裂纹长度α=15mm的小型宽板的应力应变场,并将这些计算结果与实验结果比较,其一致性是很好的。     

钻杆内加厚过渡段表面裂纹的断裂性能研究

钻井过程中,井口附近的钻杆往往受到最大的拉力和扭矩,受力条件恶劣。钻杆加厚过渡带处应力集中比较严重,其内加厚过渡区消失点是疲劳裂纹萌生乃至刺漏、断裂事故发生的危险部位。以某超深直井井口附近的G105钻杆实际受力为背景,建立外表面含横向半椭圆表面裂纹的内加厚过渡段的有限元模型,数值研究拉力和扭矩组合作用下裂纹体的断裂性能。在不同的拉力扭矩载荷比条件下,得到裂纹扩展至不同深度时的临界形状比,拟合出无因次应力强度因子随裂纹扩展的变化规律,为研究拉扭组合作用下钻杆的疲劳寿命提供依据。     

预测疲劳裂纹扩展的多种理论模型研究

大多数工程断裂是因疲劳而引起的,所以金属材料的低周疲劳和裂纹扩展速率性能一直受到安全设计部门的关注。长久以来,国内外学者在建立金属材料低周疲劳行为和裂纹扩展速率性能之间的关系方面进行了多材料和多角度的研究。基于平面应力裂纹尖端小范围屈服应力应变场和疲劳裂纹扩展失效准则,提出用于I型疲劳裂纹扩展速率的预测模型。针对国内外相关工作的研究,基于平面应力裂纹尖端小范围屈服应力应变场和疲劳裂纹尖端循环塑性区内的应变能失效准则,提出一个可用于I型疲劳裂纹扩展速率的预测模型。借助已发表的15种金属材料对应的低周疲劳和裂纹扩展速率性能数据,详细分析和比较所提出的预测模型与其他6种预测模型的预测规律和结果。研究表明,所提出的预测模型能够预测更广泛的金属材料疲劳裂纹扩展速率,并且较其他6中预测模型更符合安全设计的理念。     

Ⅰ—Ⅱ复合型裂纹断裂机理与断裂准则的研究

本文采用四点弯曲试件考察了常用韧性材料16MnR钢中Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的断裂机理。实验测定了裂纹扩展方向和裂纹尖端位移参量的启裂值；与此同时，采用有限元程序计算了试件中复合型裂纹尖端邻域的应力、应变场，分析了各种控制空洞成核的力学参量的几何分布曲线，结合实验研究和有限元分析表明，Ⅰ-Ⅱ复合型断裂存在两种不同的断裂机理，它们的发生取决于Ⅰ-Ⅱ复合型载荷比的大小，当Ⅱ型载荷分量小于一临界值时、断裂为张开型．裂纹扩展方向与本文的бm峰值线准则一致；而当Ⅱ型载荷分量大于此临界值时，断裂表现为不稳定的剪切型断裂。     

复合载荷下裂纹体的弹塑性断裂行为的电镜原位观察

应用电原位拉伸的方法观察了解合金ＬＹ１２在不同（Ｉ＋Ⅱ）复合型下裂纹尖端的塑性变形和断裂过程。结果表明，复合载荷作用下裂纹尖端的变形是钝一锐化变形模式。裂纹的断裂发生了钝化区，断裂方位与最大应力三轴性水平的分布方位一致。不同复合型下的断裂遵循等太孔洞损伤机制，最大周向拉应力是铝合金复合型断裂的力学控制因素。随Ⅱ型分量增加，ＬＹ１２启裂ＣＯＤ值增加。     

139.7mm加重钻杆外螺纹接头断裂原因分析

为查明某井139.7 mm加重钻杆外螺纹接头的断裂原因,对断口进行了宏观和微观分析,对材料进行了化学成分分析、力学性能试验和金相分析,并进行了有限元分析等。结果表明:加重钻杆断裂属于腐蚀疲劳断裂;断裂主要原因是加重钻杆接头内径大于标准规定值,降低了加重钻杆外螺纹接头断裂扭矩和抗拉载荷,在疲劳载荷与腐蚀介质作用下,腐蚀疲劳裂纹首先在加重钻杆外螺纹接头危险截面部位螺纹牙底萌生,随后在载荷作用下裂纹不断扩展,进一步降低了接头的强度,最终发生了断裂事故。     

某井S135钢级钻杆腐蚀失效原因

某井S135钢级钻杆在钻进约2 395 m时发生腐蚀失效。采用宏观形貌、断口形貌观察,显微组织分析,化学成分、硬度、腐蚀产物成分测试对其失效原因进行了分析。结果表明:该钻杆的失效方式为腐蚀疲劳失效,钻杆内壁的氧含量偏高及内壁加厚过渡带区域存在应力集中,导致加厚过渡带区域发生严重点蚀,点蚀坑底部萌生疲劳裂纹并扩展,最终钻杆失效;建议使用内壁带防腐涂层的钻杆,并在钻井液中添加缓蚀剂,降低溶解氧对内壁的腐蚀作用,同时优化井深结构,减缓内壁加厚过渡带区域的应力集中。     

斗式提升机输送链销轴断裂的分析

通过化学成分、显微组织和裂纹、断口特征的分析以及应力强度校核,对一台输送水泥用斗式提升机输送链销轴的断裂原因进行了综合分析。分析结果显示:失效销轴表面的最大弯曲应力偏大,并且在淬火期间失效销轴会产生微裂纹,在交变应力载荷作用下,销轴表面发生疲劳损伤并最终发生疲劳断裂。建议严格遵照热处理工艺条件操作,避免产生淬火裂纹;通过改造销轴结构或减小工作载荷,降低表面的最大弯曲应力。     

低碳钢Q345多尺度疲劳断裂行为研究

为了解决钢结构疲劳断裂问题,该文基于应力等效原理引入了材料内部微、细观缺陷的影响,利用有限元软件ABAQUS模拟了含损伤的低碳钢Q345多尺度疲劳裂纹扩展过程,研究了裂纹尖端场分布及其疲劳断裂行为。研究表明,材料内部微、细观缺陷引起的损伤对宏观裂纹尖端塑性区分布、尖端应力强度因子和J积分均具有较大影响,裂纹达到一定长度后,影响更为显著,且会较为明显地加速宏观裂纹扩展。