多种循环加载制度下Q235材料性能试验

对Q235钢进行了变应力载荷幅值及不同预变形和载荷保持时间等条件下的循环加载试验,并分析了其力学响应和材料性能。研究结果表明：Q235钢在应力控制的循环加载过程中表现出明显的循环软化特性和棘轮效应,棘轮应变的大小主要取决于载荷水平;当循环载荷逐级增大时,前期的变形会导致后期的棘轮应变增大;而当循环载荷逐级减小时,后期的棘轮应变值取决于最大载荷时的棘轮应变,且棘轮应变率接近于零;当预变形的响应应力峰值小于后期控制应力峰值时,预变形对材料的棘轮效应具有抑制作用,且预变形量越大,抑制效果越明显;载荷保持时间延长会使材料的棘轮应变增大,棘轮应变率增大,从而加速材料失效。     

热处理U71Mn钢轨钢的棘轮行为及其本构模型

通过单轴拉伸试验、对称应变循环疲劳试验和非对称应力循环疲劳试验,研究了热处理U71Mn钢轨钢的循环特征和棘轮行为;基于试验结果,对Abdel-Karim-Ohno循环塑性本构模型进行修正,并将模拟结果与试验结果进行对比。结果表明:试验钢表现出初始循环软化特性;在非对称应力循环载荷下,试验钢产生了明显的棘轮行为,棘轮应变随应力幅、平均应力和峰值应力的增加而增加,棘轮应变率随峰值应力的增加而增加,当峰值应力不超过950MPa时,棘轮应变率随循环周次的增加快速减小至稳定值,当峰值应力超过950MPa时,棘轮应变率先减小后增大;大多数工况下采用所建立的修正Abdel-Karim-Ohno循环塑性本构模型得到的棘轮应变与试验值的平均相对误差约为9.8%,说明该模型能够较好地预测热处理U71Mn钢轨钢在应力循环工况下的棘轮行为。     

聚醚醚酮的室温单轴棘轮行为

在室温下对聚醚醚酮(PEEK)进行一系列非对称应力控制的单轴循环棘轮变形试验,研究了应力水平、加载历史、应力速率和峰值应力保持时间对PEEK棘轮行为的影响规律。结果表明：PEEK在非对称应力循环加载下产生了明显的棘轮行为,棘轮应变包含可恢复的黏弹性应变和不可恢复的黏塑性应变;棘轮应变和棘轮应变速率均随着应力水平的增加而增大;PEEK的棘轮行为具有明显的加载历史效应,高平均应力的加载历史会抑制后续低平均应力循环过程中棘轮变形的发生,低平均应力的加载历史对后续高平均应力循环过程中的棘轮变形影响不大;PEEK的棘轮行为具有明显的时间相关特性,应力速率越低、峰值应力保持时间越长,棘轮应变越大。     

15CrMoR焊缝区及母材区低周疲劳寿命预测

制作了焦炭塔用材15Cr MoR的对接试件,对其母材区及焊缝区金属进行了不同温度的单轴拉伸试验与全寿命单轴棘轮效应试验。利用OW-II随动强化模型对材料的棘轮效应进行预测,模型能较好地预测材料稳定段的棘轮应变率。通过单轴拉伸试验数据得出预测低周疲劳寿命的基本参数,选用考虑棘轮效应的MSRS模型对母材区焊缝区材料疲劳寿命进行预测,预测结果均在2倍误差带以内,而且预测结果均匀分布在45°精确线两侧。利用OW-II随动强化模型在相同工况下预测出的母材区焊缝区稳定段棘轮应变率,应变幅值,带入MSRS模型,预测结果表明母材区疲劳寿命明显低于焊缝区,稳定段棘轮应变率母材区明显高于焊缝区。     

6061铝合金室温与150℃单轴棘轮行为实验研究

在室温和150℃温度下对6061铝合金开展了系统的单轴应变控制循环和单轴非对称应力控制循环实验,讨论了6061铝合金的单轴应变循环特性和单轴棘轮行为。研究表明,6061铝合金的单轴应变循环特性受到应变幅值和平均应变及其加载历史等因素的影响;单轴棘轮行为依赖于应力幅值、平均应力及其加载历史,并随应力幅值和平均应力的增大而增加。     

内压直管对称循环弯曲棘轮效应实验研究

利用多轴疲劳实验机及自行设计的准三点弯曲实验装置，对20钢直管在不同内压与不同循环弯曲载荷下进行棘轮应变测试。棘轮应变由应变计检测，直管径向变形由自行设计的径向位移引伸计检测。实验发现，内压直管在一定循环弯曲载荷作用下，将首先沿环向产生棘轮应变，随着载荷的增加，轴向也将产生棘轮应变，但较环向小。随着棘轮应变的产生，直管圆截面变为椭圆截面。无论是不同试件，还是同一试件的多载荷步实验，均发现相同内压下，循环弯曲载荷增大，棘轮应变速率增大；相同循环弯曲载荷下，内压增大，棘轮应变速率增大。多载荷步加载时，以往棘轮应变会降低应有的棘轮应变速率，尤其在较大的载荷下先发生棘轮应变后，这种影响十分明显。利用直管准三点弯曲实验装置，确定内压直管循环弯曲的棘轮边界。     

应变强化奥氏体不锈钢弯曲压头直径研究

针对现有标准没有对应变强化奥氏体不锈钢弯曲试验时弯曲压头直径选取做出统一规定的现状,通过试验和有限元模拟的方式,结合当前应变强化奥氏体不锈钢深冷容器用S30408断后伸长率值,探讨S30408母材(包括未预拉伸和预拉伸9%材料)弯曲压头直径的选取,并建议取消S30408母材弯曲试验。     

低碳合金钢及焊接接头断裂韧度的温度效应

利用Hopkinson压杆装置对某低碳合金钢及焊接接头不同温度下动态断裂韧度进行了测试,给出了试验温度控制方程,分析了温度对断裂韧度的影响.结果表明:在应力波加载(K≈106 MPa·m1/2/s)条件下,母材和焊缝断裂韧度降低;但是同一温度下母材的断裂韧度高于焊缝,原因主要是组织状态对应变速率敏感性不同;同时在分析该钢母材和焊缝断裂韧度温度效应的基础上,建立了应力波加载下母材和焊缝的断裂特征分析图,给出了温度、板厚和断裂韧度之间的关系.     

焊接接头在预应变下断裂性能试验研究

以常用建筑结构钢Q345为研究对象，进行了母材与焊缝在预应变下的冲击、拉伸和断裂韧度试验。结果表明，预应变下，母材和焊缝的冲击韧度均有所降低，韧一脆转变温度有所提高，109／6预应变后的焊缝其韧一脆转变温度低于室温(20℃)，仍可在室温下安全使用，随预应变增加，材料的屈服强度与抗拉强度均有所提高，脆性断裂危险性增加。研究发现，为建立客观的材料韧度指标及进行更有效的安全分析时，预应变应作为一个考虑因素。     

PE100管的室温单轴应变循环行为与棘轮效应

在室温下对聚乙烯(PE100)管分别进行了单轴拉伸试验、扭转对称应变循环试验和单轴棘轮效应试验,探讨了不同应变速率下PE管的应力-应变响应,分析了循环应变幅、应变幅历史对应变循环特性的影响以及均值应力和幅值应力及其加载历史对PE100管棘轮变形的影响。结果表明:PE100是一种率相关循环软化材料,无论应变循环特性还是单轴棘轮行为,两者都强烈依赖于当前的载荷条件和既往加载历史;PE100管存在产生循环硬化的对称扭转应变幅阈值,其值为5%,当PE100管经历大于该阈值的循环后再经历后续小应变幅循环时会发生一定程度的硬化,但静置后这种硬化现象又会消失,表现出时效恢复特性。     

液氮温度下奥氏体不锈钢强度试验研究

为研究低温和预应变对奥氏体不锈钢强度的影响规律,以奥氏体不锈钢S30408为例,对母材和9%预应变材料进行了液氮温度下恒定速率的拉伸试验。研究表明:材料屈服强度和抗拉强度规律均符合正态分布;在95%可靠度和90%置信度的条件下,母材和9%预应变材料屈服强度的标准值分别为383 MPa和449 MPa,抗拉强度的标准值分别为1521 MPa和1535 MPa;低温能够显著提高材料的屈服强度和抗拉强度,而预应变能够有效提高材料的屈服强度,但对于抗拉强度基本没有影响;低温会降低材料屈强比,而预应变则会提高屈强比。     

U75VG钢轨钢与温度相关的循环塑性变形行为

采用单轴拉伸试验和循环塑性变形试验研究了U75VG钢轨钢在不同温度(25,300,600℃)时的单轴拉伸性能以及循环塑性变形行为。结果表明:在应变控制循环载荷下,25℃时U75VG钢轨钢表现出循环软化特性,300℃时在动态应变时效作用下表现出循环硬化特性,600℃时动态应变时效作用消失,表现出更明显的循环软化特性;在应力控制循环载荷下,U75VG钢轨钢在不同温度下均表现出明显的棘轮行为特征,棘轮应变速率随平均应力或应力幅的增加而增大,在300℃时棘轮应变演变呈现出准安定状态,在600℃时随着平均应力或应力幅的增加棘轮应变加速增大。     

奥氏体不锈钢预应变效果评价

对奥氏体不锈钢进行预应变是为了获得良好的机械性能,预应变效果评价是改进钢材生产工艺的基础。应用概率论与数理统计知识,建立了预应变效果的评价体系:用F分布评价预应变对机械性能参数标准差的改变效果,用t分布评价预应变对机械性能参数均值的改变效果。以奥氏体不锈钢S30408的预应变效果评价为例,基于液氮温度下的有效拉伸试验数据,在双侧置信度为99%时,评价了S30408钢的9%预应变效果:(1) 9%预应变明显提高S30408钢屈服强度均值,其标准差基本不变;(2) 9%预应变对于S30408钢抗拉强度的均值与标准差基本无影响。     

不同温度下15CrMoR循环塑性实验研究及低周疲劳寿命预测

在20℃,200℃,300℃和400℃下对15CrMoR进行了循环塑性行为和棘轮效应—疲劳交互作用的实验研究。不同温度下全寿命内循环塑性实验表明,非对称循环加载的大部分时段棘轮应变率基本保持稳定,后期接近失效阶段才急速增大。各温度下棘轮应变随平均应力、应力幅的增大而增大。低周疲劳寿命受平均应力和应力幅的共同影响,但应力幅的影响更大。与Coffin-Manson模型及Morrow修正模型相比,各温度下MSRS模型对材料疲劳寿命的预测更为准确。采用含温度参数的MSRS模型可较方便地预测不同温度下材料的疲劳寿命。     

7075铝合金的单轴棘轮行为

采用单轴拉压循环试验研究了T651热处理态7075铝合金在不同应力幅及平均应力下的棘轮行为,并对试验前后铝合金的显微组织进行观察与分析。结果表明:不同循环载荷下7075铝合金均表现出明显的棘轮应变累积特征;在循环初期,铝合金的塑性变形很明显,棘轮应变速率较大,这与铝合金中位错密度增大、位错弹性应力场增强、大量位错缠结的出现有关;随着循环次数的增加,塑性变形累积明显减小,棘轮应变速率呈近线性缓慢增加趋势;棘轮应变累积随应力幅或平均应力的增大而增加。     

316L钢室温和中温环境下应力控制的低周疲劳行为研究

通过对316L钢在室温和中温环境下应力控制的低周疲劳试验,得到若干有意义的试验结果,揭示和分析316L钢室温和中温环境下应力循环特性及棘轮行为随加载历史、加载名义应力范围和环境温度的变化规律,并在此基础七讨论动态应变时效(dynamic spain aging,DSA)的现象。研究表明,材料的应力循环特性依赖于温度和加载历史,棘轮行为依赖于温度、加载水平和加载历史,420℃是材料DSA强化显著的温度。     

国产S30408奥氏体不锈钢应变强化低温容器许用应力及应变确定

对奥氏体不锈钢低温压力容器常规设计与应变强化设计进行比较,可知应变强化技术可大幅提高奥氏体不锈钢材料的许用应力,减薄简体壁厚,减轻容器重量。根据预应变拉伸试验确定国产S30408奥氏体不锈钢应变强化压力容器的应变上限值,并建立国产S30408奥氏体不锈钢材料的ASME和双线性这两种应力应变曲线,对两者进行比较后,以ASME应力应变曲线为计算依据,考虑抗拉强度的影响,确定了国产S30408奥氏体不锈钢材料制造应变强化低温容器时的许用应力及其对应的应变。     

不同钢轨材料棘轮行为试验研究

棘轮行为诱导的滚动接触疲劳失效是钢轨伤损的主要形式之一,分析不同钢轨材料在循环载荷作用下的棘轮行为演化规律,对线路钢轨选材具有重要指导意义。针对现役的热轧U71Mn、热处理U71Mn、热轧U75V和热处理U78Cr V四种钢轨材料分别限定初始最大塑性应变和峰值应力相同,开展了循环塑性变形行为试验研究,讨论不同钢轨材料棘轮行为的演化规律的差异。结果显示:在试验涉及的四种钢轨材料中,热处理U78Cr V和热轧U71Mn分别拥有最高和最低的屈服强度、极限强度;当棘轮应变初始值相近时,热处理钢轨棘轮应变演化速率无论是初期还是稳定期都高于热轧钢轨;当峰值应力相同时,强度更高的钢轨抵抗塑性变形的能力更高。不同钢轨材料在失效棘轮应变相近时的疲劳寿命差异较大,疲劳寿命随失效棘轮应变的增加而降低,且稳定棘轮应变率可用于钢轨危险位置的疲劳裂纹萌生寿命预测。     

内压圆筒斜接管在面内循环弯曲载荷作用下的棘轮效应研究

利用自行设计的圆筒斜接管面内弯曲加载装置,采用电阻应变法,在多轴疲劳实验机上对面内循环弯曲载荷作用下的20#钢内压圆筒斜接管进行了棘轮效应试验研究,发现斜接管结构的锐角区存在棘轮应变,且主要发生在第一主应变方向即指向焊缝的方向。对于所研究的结构,最大棘轮应变点出现在对称面锐角区的接管侧。采用阶梯加载的方法获得了结构的棘轮边界点。利用修正的Jiang-Sehitoglu随动强化模型(MJS)对结构进行了循环塑性分析,并按日本三维有限元应力评价委员会(C-TDF)提出的等效塑性应变增量控制法确定了结构棘轮边界线,可用于评价结构的塑性安定性。     

钢材不同处理方法的效果评价

为了改善钢材的性能,需对其采用不同的方法进行处理。评价不同处理方法的效果是制定或改进钢材处理方法的基础。应用概率论与数理统计知识,构建了不同处理方法的效果评价体系。基于奥氏体不锈钢S30408在液氮温度时的有效拉伸试验数据,比较9%预应变与非预应变两种处理方法的效果。在双侧置信度为99%时,与非预应变处理方法相比,9%预应变处理方法明显提高了S30408材料在液氮温度下的屈服强度均值,降低标准差与变异系数的效果不显著; 9%预应变处理方法对在液氮温度下的抗拉强度均值、标准差与变异系数的改变效果不明显。液氮温度时奥氏体不锈钢S30408抗拉强度的变异系数明显小于屈服强度的变异系数。