工业纯钛TA2非概率失效评定曲线研究

基于中心复合实验设计方法,对材料性能、裂纹尺寸、操作压力等不确定参数对失效评定曲线的影响水平作了定性分析;同时利用参数敏感性分析方法,对上述不确定性参数对失效评定曲线的影响进行了定量分析。结果表明,定性和定量分析具有一致性。基于EPRI工程计算方法,利用概率理论建立了TA2材料的概率失效评定曲线(Probabilistic Failure Assessment Curve,PFAC);利用区间分析理论,建立了TA2材料的非概率失效评定曲线(Non-probabilistic Failure Assessment Curve,NPFAC),对比PFAC和NPFAC发现利用NPFAC进行缺陷失效评定是有效可行的。     

Experiment, Finite Element Analysis and EPRI Solution for J-integral of Commercially Pure Titanium

通过断裂实验、二维有限元分析(2-D FEA)、三维有限元分析(3-D)以及EPRI解等4种方法获得了工业纯钛(CP Ti)紧凑拉伸试验(CT)的J积分。结果表明,EPRI解获得的J积分与2-D FEA结果吻合,但是它们明显低于实验结果,而3-D FEA获得的J积分更接近于实验值。为了提高J积分的估算精度,提出了基于3-D FEA改进的EPRI解,并用实验结果进行了验证。此外,将由原EPRI解和改进的EPRI解获得的J积分建立的CP Ti失效评定曲线(FAC)与实验结果进行比较,发现EPRI解的改进不仅提高了J积分的估算精度,而且提高了FAC的可靠性。     

预应变对含裂纹钛制压力容器失效评定的影响

为了分析预应变对含裂纹钛制结构完整性的影响,本文综合研究了预应变对工业纯钛拉伸力学性能、断裂韧性及失效评定图的影响。拉伸试验结果表明：工业纯钛的屈服应力和屈强比均随预应变值增大而增大,而塑性变形能力随预应变值增大而减小,同时断裂韧性随预应变增大而降低。对紧凑拉伸CT试样和含裂纹钛制压力容器进行断裂有限元分析,结果表明：裂纹尖端的塑性区随预应变增大而减小,从而导致J积分值随预应变增大而减小。基于BS7910: 2013的失效评定曲线分析发现：选择1曲线和选择3曲线会随着材料预应变而变化,安全区域逐渐减小。因此,随着预应变的增加,失效评定图中屈服应力的储备系数增加,而断裂韧性的储备系数降低。由本文研究可知：预应变会对失效评定产生显著影响,需要将其考虑到含裂纹钛压力容器的完整性评定中。     

高应变速率下TA1纯钛薄板的J-C本构及失效模型研究

为探究TA1纯钛的动态力学性能，对0.5 mm厚度的TA1纯钛薄板试样进行了准静态以及不同应变速率下的动态拉伸实验，建立了能够真实反映TA1纯钛在高应变速率和较大应变范围内的塑性变形特征的Johnson-Cook(J-C)本构模型，并对原始模型进行了修正；同时，对不同缺口半径的TA1纯钛拉伸试样进行了准静态拉伸实验，建立了基于应力三轴度的失效模型。将建立的J-C本构与失效模型应用于LS-Dyna中进行仿真模拟，并与实验数据对比，验证了模型的有效性与实用性。     

工业纯钛中低温蠕变的等时应力应变曲线

根据工业纯钛TA2在服役温度范围内(室温、353 K、423 K)的拉伸实验和蠕变实验获得了工业纯钛的拉伸应力应变曲线和蠕变曲线。由中低温蠕变实验数据发现工业纯钛在服役温度范围内会产生显著的蠕变现象,蠕变特征会随温度发生变化。随后,分别建立了工业纯钛在各温度下的弹塑性拉伸本构方程和蠕变本构方程。综合拉伸和蠕变本构方程建立了工业纯钛在服役温度范围内的等时应力应变曲线。等时应力应变曲线显著低于拉伸曲线,并且存在寿命相关性,随着寿命要求的提高等时应力应变曲线不断下降。值得注意的是在不同的温度下等时应力应变曲线随寿命要求的变化规律存在显著差别。根据等时应力应变曲线、结构允许的极限应变和结构设计寿命,本研究提出了工业纯钛与时间相关的许用应力曲线。     

搅拌摩擦加工加入SiC粒子的TA2纯钛表面改性

在TA2工业纯钛表面通过搅拌摩擦加工,利用搅拌旋转产生的纯钛表面塑形变形过程使SiC粒子进入材料表面基体组织,实现改善工业纯钛表面硬度及其耐磨性的目的。文章研究了搅拌摩擦加工后TA2工业纯钛显微组织特征,对比分析了TA2工业纯钛加入SiC粒子的搅拌摩擦加工区与未加入SiC粒子的搅拌摩擦加工区摩擦磨损及电化学腐蚀性能。结果表明:TA2工业纯钛表面经加入SiC粒子的搅拌摩擦加工后,SiC粒子被成功加入材料表层基体组织,搅拌加工区晶粒发生了剧烈的塑性变形、破碎,实现加工区组织结构的致密化和细化;经加入SiC粒子的搅拌摩擦加工后TA2工业纯钛抗摩擦磨损性能明显提高,但电化学腐蚀性能有小幅下降。     

10CrNi3MoV钢不同焊缝韧度的低匹配接头安全评定

基于欧洲工业结构完整性评定方法（SINTAP）提供的失效评定图FAD分析手段,针对不同焊缝韧度值条件下的10CrNi3MoV高强度船体钢低强匹配接头,建立了二级失效评定曲线.根据母材与焊缝的拉伸试验及CTOD试验结果,对比分析了同为低强匹配、接头韧度不同的2组接头安全评定结果.结果表明,选定评定级别之后,2组接头对应的FAD图形状变化很小;接头韧度值的大小对接头抵抗塑性失稳的性能影响微弱,但是显著影响接头抗脆断能力;同为低强匹配接头,焊缝韧度越高,评定点落于FAD图失效评定曲线内部的几率越大,接头安全性越好.     

工业纯钛TA2电镀槽大型裂纹的焊接

通过对工业纯钛TA2电镀槽焊缝大型裂纹产生的原因和纯钛的性能及焊接特点的分析，提出了消除纯钛焊缝大型裂纹，保证焊接质量的工艺措施，并成功地应用于工业纯钛TA2电镀槽的焊接。     

基于改进摩擦修正模型的TA2纯钛热变形行为研究

在Gleeble-3500热模拟试验机上对TA2纯钛进行变形温度为800℃～950℃、应变速率为0.001～1s^-1,压下量为50%条件下的热压缩变形试验。采用一种考虑应变的改进摩擦修正模型对原始试验数据进行摩擦修正,在对TA2纯钛高温流变曲线进行分析的基础上,研究其高温变形行为,构建TA2纯钛热变形本构方程。结果表明,在低应变条件下TA2纯钛流变应力迅速增加,达到峰值应力后流变曲线趋于稳态变化;流变应力随变形温度的降低和应变速率的增大而增加;可采用包含Z参数在内的双曲正弦形式的本构方程来描述TA2纯钛高温热变形行为,材料热变形激活能为480.944kJ/mol;流变应力的模型预测值与试验值之间相关性较高,相关系数R为0.964,表明本文基于改进摩擦修正模型所建立的本构方程具有较高的精度。     

渗氮压力对TA2工业纯钛渗层特性的影响

采用低压脉冲渗氮对TA2工业纯钛进行表面强化,研究了渗氮压力对TA2工业纯钛渗层特性的影响。结果表明:随着渗氮压力的升高,TA2工业纯钛表面TiO_2相逐渐减少,氮含量随之增加,扩散难度也逐渐增大。当渗氮压力为-25 kPa时,工业纯钛表现出最佳的表面硬度和最深的有效硬化层。低压脉冲渗氮后其耐蚀性大幅度提高,且随着压力的降低,合金的耐蚀性逐渐提高。     

含环向穿透裂纹正交各向异性TA2管道失效评定曲线

运用三维有限元弹塑性分析计算了含环向穿透裂纹各向同性和正交各向异性TA2管道的极限载荷,J积分以及失效评定曲线。研究了不同几何尺寸和不同裂纹尺寸的管道以及正交各向异性对失效评定曲线的影响。结果表明:正交各向异性管道与各向同性管道的极限载荷,J积分有明显差异。如果将正交各向异性材料视作各向同性,当内压与极限载荷比L_r0.9时,评定结果会比较保守,相反当L_r0.9时,评定结果会有一定的危险。对正交各向异性材料而言管道轴向力学性能强于环向时比较危险。因此对含环向穿透裂纹管道进行失效评定时,材料正交各向异性的影响不能忽略。     

EVALUATION OF THE TIME DEPENDENT FAILURE ASSESSMENT CURVES FOR 10CrMo910 AND 316 SS AT 550℃

10CrMo910 and 316 stainless steel are widely adopted in high temperature structures of power generations, chemical processing plants and petroleum refineries. In this work, a total of 10000 hour tensile creep test on 16 specimens of such two materials was conducted at 550℃. On the basis of the experimental results, the isochronous stress-strain curves and time-dependent failure assessment curves of the two materials were given. Finally, the formulae of time dependent failure assessment curve for 10CrMo910 and 316 stainless steel corresponding to long-term creep cases, which could be utilized in the high temperature defects assessment, were established. The procedure for defining the time-dependent failure assessment curves was also presented.     

工业纯钛室温下的应变速率敏感性及Hollomon经验公式的改进

通过实验研究了工业纯钛TA2在室温下应变速率范围为1×10-4～1×10-2s-1的拉伸力学性能。发现TA2的拉伸力学性能存在显著的应变速率敏感性,随着应变速率的增加,材料的强度提高、塑性下降,应变速率敏感性指数较高。通过对Hollomon经验公式σ=Kεnεm的推导和TA2实验数据的分析发现应变速率敏感性指数m和应变硬化指数n分别会受到应变和应变速率的影响,并且它们之间均呈指数关系。因此对Hollomon经验公式提出了改进,得到了TA2在室温下改进的Hollomon模型。与传统的Hollomon经验公式及Johnson-Cook模型相比,改进的Hollomon模型的预测结果与实验结果更加吻合,能更准确地表现材料的拉伸力学性能。     

EVALUATION OF THE TIME DEPENDENT FAILURE ASSESSMENT CURVES FOR 10CrMo910 AND 316 SS AT 550℃

10CrMo910 and 316 stainless steel are widely adopted in high temperature structures of power generations, chemical processing plants and petroleum refineries. In this work, a total of 10000 hour tensile creep test on 16 specimens of such two materials was conducted at 550℃. On the basis of the experimental results, the isochronous stress-strain curves and time-dependent failure assessment curves of the two materials were given. Finally, the formulae of time dependent failure assessment curve for 10CrMo910 and 316 stainless steel corresponding to long-term creep cases, which could be utilized in the high temperature defects assessment, were established. The procedure for defining the time-dependent failure assessment curves was also presented.     

基于ANN的TA15钛合金TIG焊接头拉伸性能模型建立

近α型钛合金TAI5具有较好的综合力学性能,在飞机结构中有广阔的应用前景。针对TAI5钛合金进行了系统的TIG焊试验,并进行了焊接接头拉伸性能测试。在此基础上,基于人工神经网络（ANN）原理对影响TAI5钛合金TIG焊接头拉伸性能的主要参数进行了选取,确定ANN的输入和输出参数,建立了TAI5钛合金TIG焊接头拉伸性能ANN模型并对模型进行了优化及误差分析。结果表明,最终建立的拉伸性能模型能很好地适用于TAI5钛合金TIG焊接头拉伸性能的模拟,优于传统回归方法。     

基于J~Q双参数准则的含缺陷焊接接头失效评定曲线研究(Ⅱ)

基于均匀材料裂纹结构应力应变场解的研究现状，考虑了应力三轴性对焊接接头裂纹尖端应力应变场的影响，建立了基于J～Q双参数准则的焊接接头失效评定曲线。对于焊接接头力学不均匀性对J积分和三轴性应力因子Q的影响，利用有限元数值解研究了J积分和Q因子的分布规律，结合工程实际，进一步通过曲线拟合得到了焊接接头失效评定曲线中各参量的工程估算方法。     

结构参数对钛蜂窝基体力学性能的影响

通过使用厚度分别为0.10mm的TC4钛合金和0.05、0.10、0.15mm的TA1工业纯钛箔制备钛蜂窝结构件,并对其进行平压试验,分析了箔厚和蜂窝孔边长对钛蜂窝结构承载性能的影响以及蜂窝结构件的失效形式。结果表明,钛蜂窝箔厚增加和蜂窝孔边长减小可提升钛蜂窝结构的承载性能,TC4钛合金蜂窝结构件的承载能力明显高于TA1工业纯钛蜂窝结构件。所有结构件的坍塌区域均出现在中部未焊接连接处,失效形式是局部塑性变形且伴有裂纹。