结构钢材基于CTOD的裂纹扩展阻力曲线的低温试验研究

裂纹尖端张开位移(CTOD)是材料断裂分析的重要判据指标。在钢材韧性较好的时候,随着裂纹的扩展,构件的承载力也会有所提高,说明随着裂纹扩展,裂纹尖端的断裂韧度有所升高。裂尖断裂韧度与裂纹扩展量的关系曲线称为裂纹扩展阻力曲线。裂纹扩展阻力曲线反映了构件断裂过程与构件的断裂模式、承载力的有关系。本文根据结构钢材低温断裂试验的结果,分析了常用结构钢材的低温条件下基于CTOD指标的裂纹扩展阻力曲线,试验结果可为钢结构断裂设计提供依据。     

低温下结构钢材裂纹尖端张开位移的变化规律

裂纹尖端张开位移 (CTOD)是材料断裂分析的重要判据指标。在GB T 2 35 8- 94金属材料裂纹尖端张开位移试验方法中 ,根据加载曲线的不同形式可以获得 5种不同的特征CTOD值。随着温度的降低 ,结构钢材的韧性降低 ,试验曲线的形状变化 ,可测得的特征CTOD值也不相同。本文在三种结构钢材低温下裂纹尖端张开位移试验的基础上 ,分析了各特征CTOD值随温度降低的变化规律     

低温下铁路钢轨钢材的断口与弹塑性断裂韧性分析

青藏铁路的开通使得钢轨钢材在低温环境下的使用愈发广泛起来,其在低温下断裂性能的研究工作重要性也随之凸现。通过对青藏铁路常用的两种钢轨钢材类型U71Mn和U75V制作三点弯曲试样在20、0、-20、-40℃以及-60℃情况下进行试验,并利用断裂力学理论,计算得到了这两种钢轨钢材在不同温度下的裂纹张开位移CTOD与J积分值,并对这两种钢轨钢材在低温下的断裂性能进行了系统总结和分析。对低温条件下钢轨的相关设计人员提供了一定的借鉴作用。     

Q460C高强钢材断裂韧性的弹塑性有限元分析

应用ANSYS软件对Q460C高强钢材标准三点弯试样断裂韧性进行弹塑性数值模拟,验证高强钢材常温下的裂纹敏感性。采用实体单元SOLID95计算刀口张开位移、三向应力分布以及裂纹尖端张开位移CTOD值,表明沿试样厚度方向,CTOD值变化较小,靠近裂纹尖端呈三向拉应力状态,偏离尖端一定距离呈复杂的应力状态,且复杂应力较大限制了裂纹尖端的塑性发展;不考虑低温影响因素时,缺陷对Q460C钢材的影响较大,当裂纹塑性发展后,Q460C钢材表现为较大的缺陷敏感性。     

由裂纹尖端张开位移设计曲线确定X70钢裂纹长度临界值

裂纹长度临界值一直是结构安全性评估的重要指标,确定裂纹长度临界值的传统方法限于线弹性阶段且不适用于力学性能不均匀的焊接接头。在考虑焊接残余应力的情况下,使用有限元软件ANSYS计算出焊接残余应力的数值,依据英国BS 7448规范对X70钢断裂韧度裂纹尖端张开位移(CTOD)值进行测试,进而根据英国PD6493规范导出的CTOD设计曲线,对X70钢在ASME规范的设计应力下贯穿裂纹长度临界值进行确定。这种方法适用于弹塑性情况及力学性能不均匀的焊接接头。CTOD设计曲线在X70钢贯穿裂纹长度临界值中的应用科学严谨,兼顾了安全性与经济性,可供压力容器、管道生产和结构安全性评估时借鉴。     

铁路钢轨钢材三点弯曲试样的弹塑性有限元分析

对铁路钢轨钢材标准三点弯曲试样的弹塑性断裂性能进行了系统研究与分析。通过有限元计算结果与试验结果进行对比,验证了钢轨钢材的脆性破坏特征。采用普通单元和奇异单元的网格计算应力和位移进行了分析。并对裂纹尖端CTOD值进行了计算分析,CTOD值沿试样厚度方向的变化很小,裂纹尖端始终处于三向拉伸应力状态。而三向拉应力状态将使裂纹尖端处的塑性变形受到很大限制,破坏时的塑性变形很小,更容易发生脆性破坏。     

钢结构的低温疲劳性能研究进展综述

为明确建筑和桥梁钢结构低温疲劳性能可以进一步研究的内容和方向,从而提出其低温环境下的抗疲劳设计方法建议,从钢材力学性能与断裂韧性、基于材料与构造细节层面的应力疲劳寿命与疲劳裂纹扩展性能等方面,全面综述了国内外学者在钢结构低温疲劳性能方面取得的研究成果。结果表明,低温对钢结构疲劳性能的影响与钢材种类和其所在结构细节等因素有关;钢材疲劳韧-脆转变温度的存在,对钢材疲劳裂纹扩展行为会产生转折性的影响;对低温下建筑和桥梁钢结构的疲劳性能还要从材料、构造细节和构件3个层面,基于S-N曲线和断裂力学的方法,进行系统的理论与试验研究。     

低温下铁路钢轨钢材CTOD和J积分的分析与讨论

青藏铁路等低温地区铁路的建设与维护,对钢轨钢材的低温冷脆性能与低温下服役的安全性研究提出了迫切的要求。本文采用三点弯曲试样,对我国铁路建设中两种常用的钢轨钢材U71Mn和U75V,在20℃、0℃、-20℃、-40℃、-60℃五个温度点下进行了断裂韧度KIC的评定试验。通过试验数据计算得到了上述两种钢轨钢材在不同温度下的CTOD与J积分值,结果表明,钢轨钢材的δC和JIC值随温度的降低而减小。并对两种钢轨钢材在低温下的断裂韧度进行了系统分析和总结,为工程设计中两种钢轨的断裂韧度取值提供了借鉴数据。     

基于抵抗疲劳和断裂的桥梁允许最大钢板厚度的确定

我国公路桥梁设计规范没有给出允许的最大钢板厚度,铁路桥梁规范允许的最大钢板厚度为50mm,欧洲钢桥设计规范中允许使用的最大板厚相对较厚。以防止钢桥疲劳和断裂为目标,提出一种钢材选材和钢板最大允许厚度的确定方法。疲劳裂纹的扩展采用断裂力学理论,裂纹端部的应力强度因子基于同时考虑脆性断裂和塑性屈服断裂影响的R6破坏模式,采用冲击功和相应温度确定含裂纹钢板的低温断裂韧性,并考虑了桥梁中焊接残余应力,加载的应变速率,钢板弯曲成型等因素对最大允许板厚的影响。根据以上理论和方法开发了计算程序,并以重庆市江津观音岩长江大桥为例,确定了钢材的种类和允许的最大钢板厚度。     

高温下钢管约束型钢混凝土柱的受力性能

火灾下无防火保护的结构构件温度会迅速上升,从而造成钢材和混凝土的强度明显下降。为了研究火灾下钢管约束型钢混凝土柱的受力性能,考虑火灾下钢管约束型钢混凝土柱的不均匀温度分布及温度对材料力学性能的影响,提出了火灾下受轴心荷载作用的钢管约束型钢混凝土柱承载力的计算方法。利用有限元软件ABAQUS对提出的计算方法进行了验证,结果吻合较好。进而采用该计算方法对影响高温下承载力的参数进行了分析,研究表明:随着构件截面尺寸的增加以及混凝土强度和钢材强度的提高,构件的承载力逐渐增加,而钢管壁厚的改变对承载力并无太大影响。利用有限元软件ABAQUS分析了荷载比、构件尺寸、钢管壁厚等因素对构件耐火极限的影响,发现耐火极限随着荷载比和钢管壁厚的增加而减小,随着构件尺寸的增加而增大。     

温度应力对裂隙岩体强度的影响研究

 从断裂力学理论出发,定量分析高于常温的温度场中温度应力作用对含有单条裂隙、单组裂隙以及多组裂隙岩体强度的影响规律。由理论角度,从弹性力学着手,采用解析的方法以等效荷载法,利用叠加原理,将代表性体积单元中单条裂隙温度应力的表达式叠加到代表性体积单元的单条裂隙的结构荷载中,推导岩体裂尖处在一定温度应力作用下断续裂隙介质的细观断裂强度表达式,简便有效地将细观尺度如裂隙长度、方向等与宏观条件如温度、强度有机地结合起来,完善现阶段研究对于裂隙岩体强度表达形式的不足,引出一个能够全面展示宏、细观层面及考虑温度影响因素,综合表达裂隙岩体强度稳定性的探索新思路。最后通过相关试验结果,验证所建立的公式具有较高的可靠性。     

三点弯曲下热处理北山花岗岩的断裂特性研究

针对我国未来高放核废料地质处置等重大工程实际需要,开展热处理后岩石的断裂破坏行为研究具有重要意义。以我国未来可能的核废料储库选址地北山花岗岩为研究对象,通过带加载SEM高温试验系统对经过热处理后的花岗岩进行三点弯曲破坏试验,在25 ℃～100 ℃范围内,北山花岗岩以脆性破坏为主。在低应力作用下,裂纹扩展主要受到应力集中及多种矿物力学行为及它们之间的黏结力作用大小的影响,最终裂纹的萌生主要发生在矿物颗粒之间较弱的胶结面上,裂纹初始扩展角主要由这些矿物颗粒之间夹角来决定,因此裂纹初始扩展角通常与水平面有个夹角;随着荷载继续增加后,裂纹会逐渐沿着水平方向扩展,这个主要方向的矿物承受了最大的弯曲拉应力,而岩石的抗拉强度通常很低。室温到100 ℃的范围内,花岗岩平均断裂韧性几乎不发生变化,稍微的波动可认为是花岗岩的非均值性所造成的。通过数字散斑相关计算方法实现岩石细观尺度变形全场测量。测量结果表明,各个矿物颗粒表面发生较为复杂的变形,多个矿物颗粒界面两边发生完全相反方向的位移,这表明界面两边颗粒受到拉应力作用。尽管在初始阶段,变形主要发生在弯曲拉应力最大界面,但最终破坏可能发生在另外地方,这时的破坏主要受到非均匀的弱面所控制。可见,细观尺度岩石的破坏受到最大应力状态处与岩石的非均质处变形的综合影响。     

低温环境中Q345qD对接焊缝力学性能与冲击韧性

焊接钢桥在低温环境的断裂评估对焊接节点的力学性能及冲击韧性随温度变化规律研究提出了迫切的需求。本文对Q345qD对接焊缝进行了硬度测试、低温拉伸试验和低温冲击试验,得到焊接接头的硬度分布规律和5个温度点下强度、塑性、断裂及冲击韧性等参数,提出屈服应力、极限应力和冲击功随温度变化的关系曲线。结果表明,随环境温度的降低,Q345qD对接焊缝的屈服应力和极限应力有所增加,屈强比减小,冲击韧性下降,塑性指标和断裂应力没有明显变化。与高强度钢材对接焊缝相比,Q345qD对接焊缝冲击功中弹性功占比较小,对温度的敏感性更高。     

脆性岩石热–水–力耦合断裂的断口分析

 利用自行设计的热–水–力(THM)耦合断裂试验和扫描电镜试验,研究脆性岩石THM耦合断裂的宏微观特征;通过有限元法和新型应力强度因子比断裂准则,判断THM耦合断裂模式,揭示出THM耦合断裂机制。结果表明：红砂岩试件具有3种THM耦合宏观断裂轨迹和对应的3种THM耦合微观断裂特征,即低温、低水压、高围压条件下的断裂轨迹为横向断裂,微观上表现为穿晶的剪切断裂;高温、高水压、低围压条件下的断裂轨迹为纵向断裂,微观上表现为沿晶的拉伸断裂;中等温度、中等水压、中等围压条件的断裂轨迹为双向断裂,微观上表现为含沿晶和穿晶的拉剪复合型断裂。基于有限元法和新型最大应力强度因子比断裂准则判断出的红砂岩试件THM耦合断裂模式与基于宏微观断口分析得到的THM耦合断裂机制完全一致。     

低温冻结岩体单裂隙冻胀力与数值计算研究

寒区岩体工程中含水裂隙随温度降低会发生水冰相变产生冻胀力,内部冻胀力会驱动裂隙发生Ⅰ型扩展,从单裂隙入手,基于弹性力学、渗流力学和相变理论,建立了考虑水分迁移下的冻胀力求解模型,冻胀力不仅随着水分迁移通量的增加而迅速降低,还与岩石基质以及冰体的力学强度参数有关。采用等效热膨胀系数法对低温裂隙中水冰相变下热力耦合应力场进行了模拟分析,并与理论模型计算结果进行对比,结果表明冻胀力解析解与数值解吻合较好;结合断裂力学,利用应力外推法得出了裂隙尖端应力强度因子的数值解,与理论解析解及半解析解也具有较好的一致性,最后通过实例验证了等效热膨胀系数法的可靠性,可为研究低温裂隙岩体冻融损伤与裂隙扩展研究提供参考。     

花岗岩断裂韧度的高温效应

本文对作为核废料贮存母岩的花岗岩断裂韧度的高温效应进行了比较系统的研究。在室温至300℃范围内,获得了直接测定的花岗岩临界应力强度因子K_1C随温度变化的规律性试验结果。发现了一个门槛温度。高于这个门槛温度,花岗岩断裂韧度迅速下降。结合电镜观察,对该现象的机理进行了分析。本文指出,门槛温度应作为选择核废料贮存母岩的重要指标之一。     

温度-拉应力共同作用下砂岩破坏的断口形貌

通过扫描电镜研究温度–拉应力共同作用下砂岩破坏的断口形貌。通过研究不同温度影响后的解理断口、准解理断口、疲劳断口、非主断裂面的二次裂纹和碎裂断口、局部延性断口、沿晶断口及一些奇特的断裂花样,证实温度对砂岩断裂的微观机制产生了影响,随着温度的升高,砂岩的断裂机制由以局部脆性断裂机制为主向局部脆性和延性耦合断裂机制转变。低温下的断口较为光滑平坦,高温下的断口较为粗糙,表明发生过塑性变形,并且高温断口形貌更为多样和更为复杂,这主要是受到高温影响后,岩石内部矿物颗粒、晶体和原子热运动加剧,当岩石受到外部载荷作用时断裂就有可能出现在更大范围的位置。通过一些简单的断裂机制示意图对部分断口形貌进行解释,并报道了一些特殊的岩石断口形貌。综合认为金属断口学研究中所发现的微观断口形貌特征几乎都可以从岩石断口形貌中找到,但由于岩石是多晶体地质材料,高温影响下岩石的断口形貌还将更为多样和更为复杂。     

低温养护下钢纤维—聚丙烯腈纤维混凝土力学性能试验研究

为了研究不同类型混凝土在低温下的力学性能,采用对比试验的方法,研究低温环境下素混凝土、聚丙烯腈纤维混凝土、钢纤维混凝土和钢纤维—聚丙烯腈纤维混凝土的抗压、抗弯以及断裂能量等力学性能,结果表明,钢纤维—聚丙烯腈纤维混凝土的各项力学性能相对比较优越,并在此基础上分析了钢纤维与聚丙烯腈纤维的抗裂和抗冻机理。     

冻结岩体单裂隙应力场分析及热–力耦合模拟

 我国寒区分布面积广泛,岩体冻融损伤问题涉及低温环境下温度场、渗流场和应力场的耦合,严重威胁着寒区岩体工程的安全稳定。在考虑水分迁移的条件下,以水冰相变为切入点,结合断裂力学、弹塑性力学理论,分析冻胀荷载作用下饱和岩体裂隙应力场分布规律与尖端应力强度因子。考虑温度对冻结率的影响,采用等效热膨胀系数法模拟冻胀荷载,运用FLAC3D软件建立单裂隙冻胀热–力耦合模型,编制FISH程序进行计算,得出冻胀作用下裂隙附近应力场分布,并与理论值进行对比分析。     

油田三维构造应力场、裂缝与油气运移

叙述了地应力与裂缝和油气运移的关系。用有限元法对辽河滩海油田进行了三维构造应力场的模拟计算．给出了地应力场的分布特征及其对裂缝发育和油气运移积聚的控制作用，并对油气积聚的有利地区进行了预测。