球墨铸铁断裂韧度测试技术研究进展

断裂韧度是材料重要的抗断指标.总结了平面应变断裂韧度、弹塑性断裂韧度、裂纹尖端张开位移和动态断裂韧度测试技术的研究概况及在球墨铸铁材料上的应用,介绍了温度、显微组织、试样尺寸对球墨铸铁断裂韧度的影响规律,探讨了球墨铸铁断裂韧度试样中的裂纹长度测试问题,介绍了基于J-Q(J积分-三轴性应力因子)理论的球墨铸铁断裂韧度测试方法;认为基于J-Q理论的多参数断裂韧度测试是未来研究的重点,并且若要使断裂韧度真正用于工程安全评定,必须在测试时综合考虑实际服役时的加载模式及环境.     

陶瓷材料断裂韧度的非局部理论研究

利用非局部弹性理论和最大拉应力准则，推导了陶瓷材料Ⅰ，Ⅱ型裂纹平面应为断裂韧度的理论计算公式，公式与裂纹几何无关，仅与材料参数有关。通过实验得出，断裂韧度的理论值是测试值的下限。     

厚钢板焊缝强度匹配对韧度影响的试验方法

提出了研究厚钢板焊缝强度匹配对韧度影响的试验方法：用“直接测量法”确定焊缝强度匹配系数；用裂纹尖端张开位移（CTOD）断裂韧度作为焊缝材料韧度的指标。用“直接测量法”确定了低合金高强钢S355ML钢板（厚65mm）自动埋弧焊和手工电孤焊的焊缝强度匹配系数，同时将这两项焊接工艺的对接焊缝制成全厚度断裂韧度试样，运用裂纹尖端张开位移试验方法测定其焊缝中心的断裂韧度。结果表明，厚钢板焊态对接焊缝，低匹配焊缝具有较高的韧度，高匹配焊缝的韧度比较低。     

应变法测量焊接箱形梁焊缝材料的断裂韧度

针对起重运输机械领域测量焊接箱形梁焊缝材料断裂韧度研究方法少的问题,应用断裂力学、材料力学和数值分析理论进行理论推导,得到1种测世焊接箱形梁焊缝材料断裂韧度的试验新方法--应变法,并采用该方法测量了Q235钢板制成的焊接箱形梁焊缝材料的断裂韧度,为研究焊接箱形梁的裂纹扩展、载荷限制和断裂判断问题提供良好的支持.     

31Si2MnCrMoVE钢薄板试样表面裂纹断裂韧度测试

31Si2MnCrMoVE钢是为符合固体火箭发动机壳体设计需要而专门研制的超高强度钢。随着冶炼技术的进步,31Si2MnCrMoVE钢断裂韧度不断提高,构件采用的板厚也越来越薄。由于较高的断裂韧度和较小的板厚,给钢板表面裂纹断裂韧度测试带来困难,韧带尺寸偏小,难以满足有效性判据。这种情况下,不应该用线弹性断裂力学方法评价材料的断裂韧度,而应采用弹塑性断裂力学测试材料的延性断裂韧度JIC。基于以上原因,在条件断裂韧度不满足有效性判据的情况下,采用试验与有限元分析相结合的方法,通过试验测出裂纹启裂时的条件载荷,用有限元法计算出在条件载荷作用下的延性断裂韧度JIC,再用断裂力学理论转换成表面裂纹断裂韧度KIe。用JIC作为断裂参量,就必须分析J积分的有效性,因此讨论超高强度钢表面裂纹前缘的J守恒和J主导的有效性,从而为固体火箭发动机设计提供依据。     

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。     

材料断裂韧度测试中的厚度效应

在以往的材料断裂韧度测试中，只考虑了对平面应变状态下试件厚度的限制（Ｂ≥２．５（ＫＩＣ／σＳ）２）；而对于非平面应变状态下材料断裂韧度测试中均没有考虑试件厚度的限制。本文从与厚度效应密切相关的应力三轴约束入手，导出了与应力三轴约束ＴＺ相关的裂纹扩展能量释效率Ｇ的表达式，进而得出了相应的测试材料断裂韧度的修正Ｒ曲线法。最后结合３０ＣｒＭｎＳｉＮｉ２Ａ钢断裂韧度的实测结果校验了理论分析结果。     

POP-IN效应对材料断裂韧度的影响及评价

裂纹尖端张开位移占是衡量材料断裂韧度的一个重要参量，但在进行C3DD（crack tip opening displacement）试验时，F-V曲线上通常会出现瞬间的载荷迅速下降、位移增加很小的“突进”现象，俗称“POP-IN”，它的出现对确定CTOD值产生很大影响，进而影响到材料断裂韧度评价的准确性。针对这一问题，文中依据BS7448 PartⅡ中的有关评定标准，结合EH36钢埋弧焊接头CTOD试验，分别对均质、非均质材料中存在POP-IN现象时如何正确评定进行论述，力网为合理取舍POP-IN效应、准确评价材料断裂韧度提供依据。     

加载速率对焊接接头断裂行为的影响

在不同温度、不同加载速率下，对典型建筑结构用钢及其焊缝进行拉伸试验，测试其基本力学性能。采用能综合考虑加载速率及高加载速率下材料温度变化的R参量，确定本构关系。通过断裂力学试验，测试不同温度及加载速率下供试钢材及其焊接接头的断裂韧度值。随加载速率的增大，断裂韧度降低，但存在有较大的分散性。不同加载速率下裂纹尖端应力场数值分析结果表明，裂纹尖端最大主应力随加载速率的增大而升高。最后基于局部法，研究不同加载速率下母材及接头的断裂行为。局部断裂参量－－威布尔应力不受温度、加载速率的影响，可有效地描述材料的断裂行为。     

材料断裂韧度与试样厚度关系研究

研究试样厚度对材料断裂韧度的影响，通过采用格利菲斯表面能理论和巴林布拉特吸附力理论，结合达格代尔塑性准则，给出有关断裂韧度与试样厚度关系的数学描述。并通过两种试验材料LY12CZ（L－T）与TC4（L－T）进行了验证。     

球墨铸铁疲劳裂纹扩展的微观机制

研究了在恒幅拉伸循环载荷作用下球铁的疲劳裂纹扩展的微观机制，分析了石墨形态对铸铁疲劳裂纹萌生及扩展行为的影响。结果表明：铸铁的石墨形态对疲劳裂纹的萌生及扩展有很大影响。灰铁由于在共晶团内石墨片相互连接，疲劳裂纹总是沿着与外应力相垂直的石墨片／基体边界扩展。球铁的疲劳裂纹扩展受基体组织及石墨形态所左右，但在石墨球／基体界面产生的滑移带、塑性区及裂纹尖端钝化区决定着疲劳裂纹萌生及扩展的整个过程。球铁的疲劳裂纹扩展规律是：裂纹连续扩展—急速扩展—裂纹尖端钝化—重新诱发裂纹—连续扩展。     

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.     

蠕墨铸铁断裂韧度的试验研究

比较四种热处理方法下蠕墨铸铁试样的断裂韧度.试验结果表明,蠕墨铸铁的断裂韧度受不同基体组织的影响比较明显;受不同石墨形态的影响显著,与结构钢不同,蠕墨铸铁的断裂韧度随材料的屈服强度增大而增大,随石墨颗粒的长厚比增加会急剧下降.     

A study on the effects of artifacts on fatigue limit of ductile Cast Iron with ferritic structure

In this study, fatigue tests were performed to examine the effects of micro drill hole on fatigue limit of as cast and austempered ductile cast iron (ADI) using the rotary bending fatigue tester. As results, micro drill holes (diameter≤0.4mm) did not influence the fatigue limit of ADI, compared to annealed ductile cast iron; the critical defect size of crack initiation, in ADI was larger than as cast. If the $\sqrt {area} s$ of micro drill hole and graphite nodule in ADI are comparable, crack initiates at the graphite nodule. When the ruggedness developes through austempering treatment process, microstructure on crack initiation at micro drill hole is tougher than that of as cast ductile cast iron.     

蠕墨铸铁疲劳特性的研究

对在四种热处理方法下的蠕墨铸铁试样进行门槛值和裂纹扩展速率的测试,并对其进行分析和比较.其结果表明,不同的基体组织对蠕墨铸铁的门槛值和低速区的裂纹扩展速率有比较明显的影响,门槛值随相对韧度增大而增大.不同的石墨形态对门槛值的变化影响不大,且仍然可以维持在较高的水平.不同载荷比下的低速区裂纹扩展速率区别较大,但随着平均载荷的升高,载荷比的影响有减小的趋势,中速区载荷比的影响较小.文中给出不同载荷比下的蠕墨铸铁门槛值和裂纹扩展速率经验公式.     

压缩机曲轴断裂失效分析

针对天然气压缩机的球墨铸铁曲轴的断裂事故进行了失效分析,通过对曲轴的断口形貌和铸造材质缺陷分析,判断出曲轴断裂属于过载脆性断裂,曲轴材质的铸造大气孔、疏松和粗大石墨相是造成曲轴断裂的主要原因,并提出了预防措施。     

球墨铸铁疲劳裂纹萌生及扩展机制的探讨

用电子显微断口分析和裂纹扩展途径的金相观察,探讨了不同珠光体和铁素体相对量的球墨铸铁的疲劳断裂机制,特别是疲劳裂纹萌生及早期扩展机制。结果表明：疲劳裂纹容易在石墨球和基体之间的界面萌生和扩展,石墨球边及基体中的次生裂纹对da/dN的影响有两重性。在疲劳裂纹萌生及早期扩展阶段,铁素体基本以周期解理和细条纹为主,珠光体基体为渗碳体解理和铁素体片上的疲劳条纹,80%珠光体球铁为上两种机制的混合。疲劳裂纹早期扩展速度为△K (th)所控制,疲劳裂纹孕育期N 0为σ s和△K (th)所控制。光棒或钝缺口下的N 0主要取决于σ s,尖锐缺口试样的N 0主要取决于△K (th)。在疲劳裂纹稳定扩展阶段,铁素体为疲劳条纹,珠光体为条纹与解理,80%珠光体中牛眼铁素体为条纹和晶间断。疲劳条纹的宽度能反映da/dN的变化,但两者往往不一致。疲劳裂纹快速扩展为条纹与静断特征混合,快速扩展速率受K (1c)的大小所控制。     

PCBN刀具切削铸铁材料的研究进展

对PCBN刀具切削灰铸铁、球墨铸铁及蠕墨铸铁的研究进行了回顾和总结 ,并建议国内加强对PCBN刀具切削灰铸铁和蠕墨铸铁的研究     

Effect of structural features on erosion resistance of cast irons

Erosion resistance of four types of cast iron of different microstructures and graphite morphologies (viz., grey cast iron, compacted graphite iron, spheroidal graphite iron and austempered ductile iron) was evaluated in three different erosive media. Results indicate that austempered ductile iron has the highest erosion resistance in all three media, followed by spheroidal graphite iron, compacted graphite iron and grey cast iron, in that order. Graphite morphology has a significant effect on the erosion resistance of these irons in quartz-water and iron oxide-oil slurry. However, the matrix microstructure determines the erosion resistance of these irons in quartz-oil slurry. The parameter H/E (which is the ratio of the Brinell hardness number to Young's modulus of the material) has been found to be a good indicator of erosive wear in quartz-oil slurry.