从微孔洞起始的热冲击裂纹的数值研究——Ⅰ: 热应力分析

陶瓷材料在热冲击荷载作用下的典型破坏模式是裂纹的起始和扩展。当高温的材料或构件突然处于低温环境时,裂纹将由材料或构件的表面开始产生和发展。因此,材料表面及其表面附近的材料微结构对裂纹的起始有着非常重要的影响。实验表明:某些具有微孔洞结构的陶瓷材料比相应的密实材料的抗热冲击性能有所提高,但相关的机制目前还没有得到定量的解释。本文作者利用商业有限元软件ABAQUS,分析了受热冲击表面上的开口微孔洞、处于表面附近的闭口微孔洞周围的热应力场,以及微孔洞的大小、微孔洞与表面的距离对热应力场的影响,其目的是为进一步分析裂纹的起始和扩展做准备。数值结果表明:一般情况下,闭口微孔洞引起的应力集中比开口微孔洞引起的应力集中更为严重,特别当闭口微孔洞与表面之间的距离很小时,和没有微孔洞情况相比,闭口微孔洞引起的最大的应力集中系数超过6。     

硫化锌热冲击试验与裂纹间距预报

重点研究了硫化锌热冲击开裂机理和热冲击裂纹间距、深度的预报。10mm厚硫化锌试块的燃气急热试验表明:裂纹间距随热冲击能量的增大而减小,热冲击过程中加热面最先出现非贯穿裂纹,停止加热后,裂纹贯穿试件。结合传热和热强度仿真分析,获得了热冲击过程中试件的瞬态温度场和应力场。基于材料性能的损伤演化理论,以裂纹间距和深度为变量,利用最小能量原理,获得了热冲击裂纹间距的理论预报方法,预测结果与试验吻合较好,进而分析了断裂韧性、热胀系数、材料初始模量对裂纹间距、裂纹深度的影响。该文的研究对深入理解硫化锌的热冲击失效机制,对其改性和研制具有重要意义。     

具有微孔洞结构陶瓷材料热冲击实验研究

对微孔洞体积含量分别为5％（密实材料）,10％,20％和30％（微孔洞结构材料）的四种氧化铝陶瓷材料通过水冷却的实验法进行了热冲击实验。实验结果表明无论从裂纹的起始模式,还是裂纹扩展程度,都表明具有微孔洞结构的陶瓷材料比其对应的密实材料有着较好的抗热冲击性能。     

陶瓷材料热冲击开裂机理与裂纹间距预报

该文研究陶瓷材料热冲击开裂机理和热冲击裂纹的分布规律。1mm厚的99Al2O3陶瓷薄片的水淬实验显示：裂纹间距随热冲击温差增大而减小,在同一热冲击温差下,5个试件中的各个裂纹间距与平均间距的偏差不超过7%。理论上,结合传热学和力学方法,计算了热冲击过程中试件的瞬态温度场和应力场,阐述了陶瓷材料热冲击条件下的开裂机理。以裂纹间距和深度作为变量,利用最小能量原理,发展了热冲击裂纹间距预报的有限元方法。由于从文献获得的毕渥数数据分散度很大,并且难以直接测量,因此发展了“间接测量法”,逆向估计了实验过程中的毕渥数,并在其他温度点获得了与实验吻合很好的裂纹间距数值预报结果。该文的研究对深入理解陶瓷材料的热冲击失效机制,对陶瓷材料的改性和研制有重要的意义。     

有限变形理论能量释放率增率形式

基于有限变形理论中的能量原理和变分原理,考虑以有裂纹的瞬时位形为参考,建立增量变形引起的裂纹扩展方程能够更真实的描述裂纹尖端的扩展机制,在含有裂纹物体的瞬时变形的基础上,推导了裂纹体的能量释放率和增率的形式,提出了裂纹扩展判据.该判据反映了单位时间内裂纹扩展单位面积可以提供的能量与单位时间内裂纹扩展单位面积所需要的能量...     

两种钢夏比V型冲击试验裂纹形成能量与扩展能量之间的关系

采用仪器化冲击试验方法对两种承压设备用钢Q245R钢和13MnNiMoR钢进行系列温度下的夏比V型冲击试验,对比研究了两种钢裂纹形成能量W_i与裂纹扩展能量W_p之间的关系。结果表明:两种钢在韧脆转变K_(V2)-t曲线的上平台以及紧邻转变区的温度范围内,裂纹形成能量W_i不随温度变化而变化,基本恒定,但13MnNiMoR钢的值高于Q245R钢的;材料的韧脆转变,始于裂纹扩展能量W_p转变,其是主导材料由韧向脆的关键。     

纤维─基体界面脱粘能量释放率

研究一个纤维拔出界面脱粘断裂能量释放率分析的简单模型，给出纤维－基体界面断裂能ＧⅡ工程计算公式的推导过程．用有限元法检查了该公式的可靠性与适用范围．并提出一个修正表达式     

金属陶瓷功能梯度材料的颗粒界面断裂能量释放率的研究

研究了功能梯度材料富陶瓷区金属颗粒界面断裂能量释放率。采用双层嵌套模型给出了金属颗粒界面的热应力与金属体积浓度的关系,对于得到的第五梯度层中的颗粒界面热应力,分析了颗粒界面断裂的释放率,并研究了每一梯镀层中金属颗粒的临界尺寸变化规律。     

金属陶瓷热冲击疲劳裂纹形成机制

研究了金属陶瓷热冲击疲劳特性, 重点探讨了裂纹的形成机制。试验结果表明, 随着循环温度的增高, 裂纹形核孕育期缩短, 裂纹扩展速率增大; 随着金属陶瓷中金属相含量的增加, 裂纹扩展速率降低。热冲击疲劳裂纹的形成与微孔洞的形核、长大和连通有关。研究还发现, 金属陶瓷热冲击疲劳断口中存在疲劳条纹。      

基于虚拟裂纹闭合技术的应变能释放率分析

基于虚拟裂纹闭合技术(VCCT),建立了复合材料层合板层间裂纹尖端的应变能释放率(SERR)三维有限元计算模型。该模型考虑了裂纹尖端大转动和离散单元形状变化对应变能释放率计算的影响,修正了裂纹尖端应变能释放率的计算方法。利用该模型计算了裂纹长度为15 mm和35 mm时纯Ⅰ型和纯Ⅱ型的应变能释放率,纯Ⅰ型应变能释放率分别为 207 J/m2和 253 J/m2;纯Ⅱ型应变能释放率分别为 758 J / m 2和 1040 J / m2;计算值与试验值吻合得很好。同时,该模型计算了混合型不同比值 R=(G_Ⅱ/G_Ⅰ+G_Ⅱ)的长裂纹层合板层间断裂过程的应变能释放率,其中Ⅰ型和Ⅱ型应变能释放率计算值与试验平均值的最大误差为 11.4%,最小误差为 0.4%。该模型能有效计算裂纹尖端的应变能释放率。     

含面\芯开裂损伤复合材料夹层板考虑几何非线性的能量释放率数值分析

基于一阶剪切变形理论,zig-zag变形假定和von Karman大挠度理论,提出了含不同形状面\芯开裂损伤复合材料夹层板在受压缩载荷作用下的开裂前缘能量释放率研究的有限元分析方法,研究了在轴向应变作用下,具有面\芯开裂损伤复合材料夹层板的分层断裂力学行为,并讨论了在大变形下几何非线性对能量释放率分布规律的影响。通过典型算例分析表明:具有面\芯开裂损伤复合材料夹层板的分层前缘能量释放率的大小和分布规律与开裂面积、开裂形状和受载方向有关。     

电子束焊接热冲击对GH4133A的微裂纹损伤研究

电子束焊接是一个复杂的强瞬态的热冲击过程,包括发生在表层的热过程和发生在一定深度的应力波与材料的交互作用。本文基于电子束焊接热冲击效应分析了高温合金电子束焊接接头影响区的微裂纹形成原因,研究了微裂纹损伤对GH4133A电子束接头高温力学性能的影响。结果表明,热冲击是高温合金电子束焊接热影响区的微裂纹损伤的主要原因,热冲击损伤效应导致接头力学性能的劣化。     

铸件冷裂纹、热裂纹的分析

铸件上的裂纹有冷裂、热裂、发裂（白点）、热处理裂纹。铸件裂纹产生的主要原因：是铸件应力大于金属强度极限,裂纹方向与应力方向相垂直。根据铸件结构特点和应力方向,在可能产生裂纹的部位采取相应措施,可防止铸件裂纹的产生。     

大线能量低焊接裂纹敏感性钢的研究

综述了国内大型成套工程用钢中压力容器用钢的研究现状，并指出能极大提高焊接效率，而其热影响区（HAZ）组织均匀细小的大线能量低焊接敏感性的发展趋势及前景。     

X70埋弧焊钢管焊接接头热影响区冲击吸收能量波动分析

高钢级管线钢焊接接头热影响区冲击试验结果分散性较大,为了研究其冲击吸收能量波动的影响因素,对X70埋弧焊钢管焊接接头熔合线位置的冲击试验结果进行了分析。结果表明:X70埋弧焊钢管焊接接头热影响区熔合线位置冲击吸收能量较低,但在-10℃试验温度下,熔合线位置平均冲击吸收能量也达到了100J以上;X70埋弧焊钢管焊接接头热影响区熔合线冲击吸收能量的显著波动是由刻槽位置的偏差及裂纹扩展走向的不确定性引起的。     

热冲击作用下的陶瓷材料破裂过程数值分析

运用热传导和热2力耦合的相关理论 , 借助统计分布来考虑陶瓷中存在的微孔洞和微裂隙 ; 建立了一种可以模拟陶瓷遭受热冲击作用下的裂纹萌生、 扩展过程的数值模拟方法 , 并通过材料破坏过程分析系统 (RF2PA , Realistic Failure Process Analysis) 加以实施。该数值方法基于细观非均匀性假设 , 突破了以往连续介质力学视陶瓷为均匀介质的假设 , 并从细观损伤角度考虑陶瓷热冲击破坏演化的过程。运用该方法对三面绝热、 一面受热冲击的平板状陶瓷材料的破裂过程进行了数值试验。结果表明 : 起始裂纹发端于受热冲击表面 , 且在初始的裂纹萌生阶段 , 在受热冲击表面产生一系列无序的裂纹 ; 但随着时间的延续 , 裂纹逐渐演变成多条近乎平行的、沿受冲击表面内法向方向扩展的主裂纹 , 其中一些裂纹的发展受到了屏蔽 , 这一结果与试验结果吻合较好。本数值方法为相关研究提供了新的思路。      

金属陶瓷功能梯度材料的颗粒界面断裂能量释放率与临界颗粒尺寸的研究

研究了功能梯度材料富陶瓷区金属颗粒界面断裂能量释放率。文中采用双层嵌套模型给出了金属颗粒界面的热应力与金属体积浓度的关系, 对于得到的每一梯度层中的颗粒界面热应力, 分析了颗粒界面断裂能量释放率,并研究了每一梯度层中金属颗粒的临界尺寸变化规律。      

双悬臂梁试件裂纹动态扩展的准静态数值分析

本文采用双悬臂梁（DCB）试件研究了复合材料层合板层间插入韧性胶膜（Interleaf）层的Ⅰ型断裂行为。试验结果表明,含和不含Interleaf层试件分别呈现脆性非稳态和脆性稳态分层扩展特性。针对非稳定裂纹扩展问题,依据动态断裂力学中应变能释放率与动能变化率的关系,提出了以断裂韧性值G_IC变化来抵消动能变化对裂纹扩展过程影响的准静态分析方法,根据试验中裂纹扩展的韧性变化,推导出适用于准静态裂纹扩展模拟的等效韧性G_IC*,利用ABAQUS平台和虚裂纹闭合技术（VCCT）建立了三维有限元计算模型;实现了从起裂到止裂的整个裂纹动态扩展过程的数值模拟,揭示了非稳定裂纹扩展过程中一些复杂的力学现象。      

基于非傅里叶热传导对热冲击下带裂纹厚壁圆筒的分析

随着科学技术、工业水平的发展,传统的傅里叶导热在极端条件下不再适用。基于双曲型单相延迟非傅里叶热传导方程,推导了热冲击下有限元方程,编写了有限元算法程序,研究了在热冲击载荷下含裂纹厚壁圆筒结构的热力学响应,计算出厚壁圆筒在非经典传热条件下的温度场、位移场和裂纹尖端应力强度因子的数值解,分析不同热冲击载荷、不同裂纹长度、不同相位延迟下非傅里叶热传导的波动性效应以及温度应力强度因子的变化,得到相应的结论。为非经典工程条件下,带裂纹厚壁圆筒构件的可靠性以及构件的优化设计提供了数值上的参考。     

双相介质界面附近裂纹的断裂力学特征

复合材料界面附近的力学性态对于材料的性能和强韧化影响是非常重要的。首先研究和讨论了含裂纹的双相介质的J 积分守恒定律的适用性问题, 采用有限元法证明了当裂纹平行靠近界面时, 其J 积分数值与裂纹位置无关的假设。文中建立了一种双相介质界面附近存在斜裂纹的分析模型, 用有限元和数值拟合相结合的方法, 得到了在远场单轴拉应力作用下, 斜裂纹处在不同介质中, 近界面一端裂尖的é 型能量释放率近似计算公式, 和相应的应力强度因子的计算方法。