管道结构与不同实验室试样间裂尖拘束度的匹配

选用统一拘束参数Ap,采用有限元模拟方法分别对不同初始裂纹尺寸下管道结构和实验室单边缺口弯曲(SENB)试样、紧凑拉伸(CT)试样、单边裂纹拉伸(SENT)试样和中心裂纹拉伸(CCT)试样的裂尖拘束度进行了表征,并构建了管道结构与实验室试样间裂尖拘束度的匹配。结果表明:管道结构的裂尖拘束度与SENB试样和CCT试样的裂尖拘束度匹配性较差;初始裂纹尺寸a/c=0.2,a/t=0.5(a为裂纹深度,c为1/2裂纹长度,t为管壁厚度)条件下管道结构的裂尖拘束度与含有深裂纹(a/W=0.7,W为试样宽度)CT试样的裂尖拘束度相接近,初始裂纹尺寸a/c=0.8,a/t=0.5,0.8条件下管道结构的裂尖拘束度与含有深裂纹(a/W=0.5,0.6,0.7)CT试样的裂尖拘束度相匹配;管道结构的裂尖拘束度与SENT试样的裂尖拘束度相近,二者具有较好的匹配性;在对实际结构进行完整性评定时,可选择与实际结构裂尖拘束度相近的实验室试样进行断裂力学试验,以其测定的断裂力学性能对该实际结构进行评定,从而增加评定的准确性。     

宽范围不同尺寸C(T)试样的统一蠕变拘束参数

基于三维有限元分析,对不同尺寸C(T)试样的统一蠕变拘束参数Ac进行计算研究。获得了宽范围不同厚度比B/W、不同宽度W和不同裂纹深度比a/W的C(T)试样的拘束参数Ac值,探明了试样尺寸对拘束的影响规律。结果表明,B/W对C(T)试样的拘束影响最大,W次之,a/W的影响最小。随B/W和W的增加,参数Ac降低,试样拘束水平增加,蠕变裂纹起裂(CCI)时间变短,蠕变裂纹扩展(CCG)速率加快。在测试材料的CCI时间和CCG速率及改变C(T)试样的拘束水平时,应重点考虑B/W和W的影响。     

实际结构拘束相关断裂韧性的确定方法研究

材料的断裂韧性受裂尖拘束的影响,为了对含裂纹结构进行准确的完整性评定,需要计算拘束相关的断裂韧性。基于统一拘束参数Ap及其与断裂韧性的统一关联,提出了一种实际结构拘束相关断裂韧性的确定方法。并以核电站主管道为例,对不同长度、不同深度3D裂纹的断裂韧性与起裂弯矩进行了计算。计算结果表明:管道裂纹的断裂韧性和起裂弯矩与裂尖拘束密切相关,a/t=0.5,a/c=0.5~0.6形状尺寸的裂纹更容易发生断裂。此研究对于发展纳入拘束效应的结构完整性评定技术和方法、提高结构可靠性等方面具有重要的意义。     

基于裂尖张开位移的统一拘束参数与材料断裂韧性的关联

为发展可同时纳入面内/面外拘束的结构断裂评定新方法,需要研究便于工程计算和应用的统一拘束参数,并建立其与材料断裂韧性的关联。基于裂尖张开位移(CTOD)定义了一个新的拘束参数A_d,采用有限元法计算了核电压力容器用A508钢不同面内和面外拘束的SEN(B)和C(T)试样在断裂J积分J_c下的A_d,研究了A_d与A508钢断裂韧性的可关联性。研究发现,不同面内/面外拘束试样的断裂韧性J_c/J_(ref)数据和拘束参数A_d之间可以形成一条与参考试样无关的关联直线,表明A_d可以同时纳入面内与面外拘束。A_d参数便于测量和计算,其可望成为一个便于工程应用的统一拘束参数;A_d参数与材料断裂韧性J_c/J_(ref)之间的关联线可望用于结构(如压力容器和管道等)纳入面内/面外拘束效应的断裂评定,以提高传统不考虑拘束的断裂评定的精度。     

基于局部法定量表征面外拘束效应对转变区间断裂韧度的影响

拘束效应制约了主曲线法表征转变区间的断裂韧度,局部法作为一种细观解理断裂力学方法有望用来解决这个问题。利用两种不同拘束配置的三点弯曲试样,通过交点法标定了国产压力容器用钢Q345R的局部法参量,借助于韧性换算思想将低拘束的试样断裂韧度结果换算成高拘束的结果。通过对比高拘束实测参考温度T 0值,验证了模型的正确性。基于此提出了一种预测不同面外拘束试样参考温度的方法,通过改变厚度的大小,研究了三点弯曲试样厚度对T 0的影响。结果表明,试样厚度越大,韧脆转变温度越高,断裂韧性下降,当厚度大于25.4 mm后会出现一个韧性平台,接近平面应变状态;厚度低于该值会造成严重的拘束缺失,T 0值远大于真实值会造成危险评估,尤其对于低硬化材料,这种现象更为明显。     

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。     

条形微裂纹对16MnR钢解理断裂韧性的影响

在常温下对热轧16MnR低合金钢缺口试样进行了不同预加载荷的正反弯曲试验,以在缺口前引入不同尺寸的条形微裂纹,然后通过高温回火消除残余应力和加工硬化,随后在—196℃下进行4点弯曲断裂试验,研究了条形微裂纹尺寸对缺口试样解理断裂韧性的影响。结果表明:当预载荷比(P₀/P_gy)小于0.861时,预载荷对解理断裂韧性影响较小;当预载荷比大于0.861后,条形缺陷在外加载荷作用下撕裂而形成的条形微裂纹,并且随预载荷比的增大条形微裂纹数量增多、尺寸增大、分布区域扩大,断裂载荷、断裂吸收功随预载荷比的增加而迅速下降;条形微裂纹所引起的局部高应力应变范围增大,使解理起裂源分布范围增大,也造成了缺口韧性参数P₁和W数值的分散。     

平面六节点等参应力奇异单元的精度研究

研究一种平面六节点应力奇异单元的计算精度问题。首先证明该单元具有1/槡r阶奇异性,然后用此单元计算同质材料中的裂纹和双材料界面裂纹的应力强度因子与裂尖应力分布,讨论裂纹尖端奇异单元的尺寸以及在奇异单元与常规单元之间布置一层过渡单元对精度的影响。研究发现,当布置在裂尖的奇异单元边长与裂纹长度的比值在0.1～0.2时,能得到足够精确的解答;而在此范围之外,随奇异单元尺寸进一步增大或减小,精度都会有所下降。对于同质材料中的裂纹以及模量比在10倍之内的双材料界面裂纹,布置过渡单元可以提高精度;而对于模量比大于20倍的界面裂纹,不设置过渡单元的计算结果却与理论解更接近。     

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。     

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。     

微试样法测量25Cr2NiMo1V钢断裂韧度试验研究

以25Cr2Ni Mo1V转子钢为研究对象,采用微三点弯曲试样开展了室温下的断裂韧度试验,分析了断裂韧度的尺寸相关性。结果表明,相对于大尺寸试样,微试样断裂韧度减小且数据分散。这主要由于微试样平面应力状态占主导,试样厚度和韧带对裂尖变形的拘束程度减小,裂纹稳定扩展能力下降。结果为采用缺口微试样测量断裂韧度提供了有益的尝试。     

基于分子动力学模拟的纳米铝板力学性能与缺陷演化过程的尺寸效应研究

采用分子动力学方法模拟了不同分子动力学模型尺寸对含初始裂纹缺陷纳米单晶铝板在拉伸载荷作用下的裂纹缺陷演化过程的影响。结果表明:随着模型尺寸增大,材料的屈服应力减小,屈服点提前,断裂韧性提高。在弹性阶段,材料变形与体系内部原子的点缺陷和面缺陷相关;在塑性变形阶段,材料变形与位错增殖和滑移相关。裂纹尖端处应力集中是裂尖附近晶体结构发生相变的原因,能量在相变后释放导致应力松弛所致。     

应用仪器化DWTT试验评价管线钢的动态韧断行为

基于三点弯曲试样韧断铰链模型,建立了根据加载点位移与韧带宽度关系定量评价材料裂纹尖端张开角度(CTOA)值的单试样方法。使用能量高达40k J的摆锤冲击机对压制缺口落锤撕裂试样(DWTT)试样实施仪器化冲击,采用关键曲线法验证了韧断过程中试样极限载荷与韧带宽度平方值的线性关系,进而提供了一种评测材料参数A*σf的试验方法。针对全板厚与减薄试样的试验结果表明,尽管由于初始韧带截面积的不同导致试样在承载耗能上存在显著差异,但在裂纹扩展阶段两组试样的CTOA值与变化趋势近似一致。所设定的对应裂纹长度25 mm~40 mm的稳态阶段,临界CTOA值,即CTOAC作为材料止裂性能的本征参数,其结果不受试样厚度影响而基本保持基本恒定。     

不同实验室试样间拘束度的匹配性研究

裂尖拘束度的匹配是目前结构完整性评定中所面临的难题。由于拘束参数的限制,不同实验室试样间、实验室试样与实际结构间拘束度的匹配还没有建立。基于统一拘束参数Ap,以常用实验室SENB,CT,SENT和CCT试样为研究对象,对不同拘束状态下各试样的裂尖拘束进行研究,构建了不同试样的J/J_(ref)-(A _p)~(1/2)关联线,建立了不同试样间拘束度的匹配。本研究将为构建纳入拘束的准确的结构完整性评定技术和方法提供科学支持。     

疲劳裂纹闭合的数值模拟方法

用弹塑性有限元法模拟含中心裂纹试件在等幅循环拉伸应力作用下的疲劳裂纹扩展过程,对塑性变形导致的裂纹闭合效应进行了分析。试件材料为2024-T351铝合金板,平面应力状态,线性随动强化假设。分析中考虑裂纹面的弹塑性接触和几何非线性变形,通过逐步释放裂尖节点来模拟裂纹扩展。考察了裂尖局部网格单元尺度、裂纹长度和平均应力对裂纹张开/闭合应力水平的影响。裂纹闭合效应会随疲劳裂纹长度增加而逐渐增强,呈先爬升再缓慢下降的趋势,应力比的增大会导致裂纹张开/闭合应力水平提高。此外,网格细度也对张开/闭合应力的大小有一定影响。     

一种复合材料层合板分层扩展的修正内聚力模型

针对复合材料的分层现象,考虑初始断裂韧性和裂尖材料损伤的影响,提出了一种修正内聚力模型,并给出了内聚力模型参数确定的方法.根据相关试验,采用该方法,获得了考虑初始断裂韧性和裂尖材料损伤的内聚力模型,基于该内聚力模型对试验进行了仿真分析.结果 表明,与仅考虑初始断裂韧性获取的内聚力模型相比,考虑初始断裂韧性和裂尖材料损伤的内聚力模型,可以更加准确地模拟复合材料的分层现象.     

材料的蠕变断裂韧性及影响因素分析

采用直流电位法进行2．25Cr1Mo钢的蠕变断裂韧性试验研究；建立了由试验数据确定材料蠕变断裂韧性的计算式；探讨了试验温度和时间对材料蠕变断裂韧性的影响规律。结果表明，2．25Cr1Mo钢的蠕变断裂韧性随着时间增长而减小，随温度升高而增大。基于蠕变裂纹扩展参量的蠕变断裂韧性估算式可以得到与试验结果相一致的预测值，并具有合理的保守性。     

基于小尺寸试样的主曲线参考温度T_0的确定方法

采用16MnR钢进行了标准1英寸,0.5英寸和预制裂纹的夏比尺寸三点弯试样的断裂韧性试验,得到了试样尺寸对主曲线参考温度T0的影响。发现0.5英寸试样在满足ASTM E1921标准的情况下,所确定的T0明显低于标准1英寸试样确定的T0,表明ASTM E1921限定试样变形极限的M值不够保守,且夏比尺寸试样无法计算T0。提出了Beremin模型的拘束度修正,经过修正大幅缩小了小尺寸试样确定的T0与1英寸试样确定的T0之间的差异。     

高强度X140套管钢断裂韧度与试样厚度的关系

依据GB/T 4161-2007,对3种不同厚度的高强度X140套管钢试样的断裂韧度KIQ进行测定,结合断裂韧度与试样厚度关系的定量模型进行最小二乘法拟合,得出了材料常数ξ和κ的值,进而提出X140钢断裂韧度与试样厚度之间的关系式,计算得到了不同厚度试样的KIC值,并采用J试验对其进行验证。结果表明:X140钢断裂韧度的计算结果与J试验结果吻合得很好,断裂韧度随试样厚度的增加而先增大后减小,最后趋于稳定。     

1Cr11Ni2W2MoV钢疲劳裂纹闭合与试样类型的相关性

压力容器材料的疲劳裂纹扩展门槛值在预测服役寿命方面具有重要意义,而门槛值的准确测定常受到裂纹闭合的影响。为了验证采用角裂纹(CC)试样测定疲劳裂纹扩展门槛值时是否受裂纹闭合影响,采用1Cr11Ni2W2MoV钢加工了角裂纹试样和紧凑拉伸(C(T))试样,在室温下开展了疲劳裂纹扩展门槛值试验,并测定了门槛值对应的载荷-裂纹张开位移曲线。通过扫描电子显微镜对断口形貌中由裂纹闭合产生的磨损痕迹进行了观察。结合试验结果分析了两种试样类型的裂纹闭合程度及成因。通过CC试样测定的门槛值与C(T)试样相近或更小。在所测试4个CC试样中,仅有一个出现了足以影响裂纹扩展驱动力的裂纹闭合现象,而在所有测试的C(T)试样中均观察到了裂纹闭合。CC试样可用于疲劳裂纹扩展门槛值试验,并在当前试验条件下获得了接近理想门槛值的结果。