钻杆接头抗扭强度及材料韧性指标研究——系列专题之八

近年来由于深井、定向井等逐年增多,钻杆内螺纹接头纵裂破坏成为常发事故。钻杆接头的各种纵向开裂属于低应力脆性断裂。当接头横向材料韧性不足时,任何表面损伤及缺陷如摩擦热裂纹等,都可作为裂纹源向纵深扩展。应用失效评估图技术估算表明,横向材料V型缺口夏比试样室温冲击功大于100J时,将显著减少钻杆内螺纹接头纵裂破坏,失效案例统计数据验证了这一结果。

基于材料韧性的柴油机曲轴疲劳损伤研究

运用基于能量法原理的韧性耗散理论对柴油机曲轴的疲劳损伤规律进行研究,对材料韧性耗散的数学模型进行分析推演,定义了疲劳损伤变量并推导出韧性随疲劳变化的一般损伤演化方程,建立了一种多级载荷条件下能够考虑疲劳损伤全过程的非线性损伤累积模型,最后应用已有实验数据对该模型进行对比分析评估.将一般性模型具体化为能很好描述舰船柴油机曲轴(42CrMo)的累积损伤规律的算法模型,该模型为探讨柴油机疲劳可靠性提供了理论和方法基础.

基于材料韧性耗散的剩余寿命预测模型的对比分析及改进

将韧性耗散模型及其相关修正模型的公式推导过程进行对比,分析表明在变幅载荷作用下,相比于传统的损伤等效方法,考虑了载荷间相互作用效应的疲劳损伤等效法则更为合理.结果亦显示在前后两级加载的损伤等效过程中,应力比作为影响因素时,无论是放在系数上还是指数上,均可以有效地表征载荷间相互作用的影响.此外,在已有系数修正模型的基础上做了进一步改进,得到了更加简洁的寿命预测公式.通过典型材料试验数据的对比分析,验证了改进模型的有效性.

基于损伤力学的金属材料韧性断裂失效分析

金属韧性断裂是损伤累积的结果,以孔洞演化理论和细观损伤力学模型为基础,将韧性断裂机制分为拉伸型和剪切型两种类型,提出了一个适用于不同变形路径的统一形式的韧性断裂准则。通过编写用户材料子程序VUMAT,将韧性断裂准则嵌入到ABAQUS有限元软件的准静态算法主程序中,模拟了航空铝合金LY12CZ(Kt=1和3)单向拉伸时材料损伤累积、裂纹萌生、扩展直至韧性断裂的物理全过程,并通过拉伸试验验证了模型的有效性。韧性金属材料孔洞断裂机制研究表明,单调加载过程中宏观裂纹的形成是孔洞在夹杂物和第二相微粒周围形核、长大直至聚合的结果。

高温处理对聚乙烯纤维-钢纤维高韧性水泥基复合材料抗折性能的影响

为了探究高韧性水泥基复合材料经高温处理后的力学性能,采用聚乙烯纤维与钢纤维混杂方式制备一种混杂纤维高韧性水泥基复合材料,通过三点抗折试验探讨所制得聚乙烯纤维-钢纤维高韧性水泥基复合材料经温度20、60、100、150、200、250℃处理后的抗折性能。结果表明:随着处理温度的升高,该复合材料的开裂应力、峰值应力和弯曲韧性均表现为先增大后减小的变化规律,处理温度为60、150℃时最大开裂应力为12.09 MPa,最大峰值应力为18.52 MPa;峰值应力受处理温度的影响较显著,当处理温度为200、250℃时,聚乙烯纤维熔化,复合材料的峰值应力相较于处理温度为150℃时的分别减小42.7%、57.9%;该复合材料的弯曲韧性在指定挠度为L/150、L/100(其中L为支座间跨度)阶段受处理温度影响较小,在指定挠度为L/50、L/25阶段,随着处理温度的升高而先增大后减小,聚乙烯纤维熔化导致复合材料在大挠度阶段的弯曲韧性明显减小。

国产PVA/PE纤维混杂超高韧性水泥基复合材料拉压性能试验研究

研究分析了粉煤灰掺量、国产纤维掺量及混杂方式对超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)抗压及直接拉伸性能的影响。结果表明:单掺PVA纤维/PE纤维或混杂使用都可制备出极限拉应变超3%的UHTCC;在相同的纤维混杂方案下(除单掺PVA),各配比抗压强度随粉煤灰掺量的增加整体呈逐渐下降的趋势;当PVA和PE纤维混杂使用时,UHTCC极限拉应变存在明显的正向混杂效应,混杂纤维UHTCC的极限拉应变均大于PVA-UHTCC和PE-UHTCC利用线性插值计算得到的极限拉应变;PVA-UHTCC拉伸失效后的裂缝宽度明显大于PE-UHTCC,当2种纤维混杂时,随着PE纤维掺量增加,裂缝宽度得到有效降低。

环境温度对超高韧性地聚合物复合材料抗冲击性能的影响

研究了不同NaOH溶液浓度(8、10、12、14 mol/L)的超高韧性地聚合物复合材料(UHTGC)在常温(20℃)、高温(50、100、200℃)、低温(-20、-40、-60℃)环境下的抗冲击性能。结果表明:在常温环境下,随着NaOH溶液浓度的增大,UHTGC试件的抗冲击性能呈先增后降的趋势,最佳NaOH溶液浓度为12 mol/L;在高温环境下,随着NaOH溶液浓度的增大,UHTGC试件的抗冲击性能不断提高,当NaOH溶液浓度为14 mol/L时,UHTGC试件的峰值冲击荷载和冲击耗能均相对最大;在低温环境下,随着NaOH溶液浓度的增大,UHTGC试件的峰值冲击荷载呈先增后降的趋势,冲击耗能呈增大趋势,另外,随着低温温度的降低,UHTGC试件的冲击耗能逐渐增大。

常温固化下偏高岭土基高韧性地聚合物复合材料的性能研究

以偏高岭土为前驱体,在常温固化条件下制备了高韧性地聚合物复合材料(HTGC),研究了不同粒径偏高岭土的复掺比例、激发剂的浓度和模数、养护龄期对HTGC抗压、抗拉和抗弯性能的影响。结果表明:复掺适量不同粒径的偏高岭土有利于提高HTGC的抗压和抗拉性能;随着激发剂浓度从6 mol/L增至14 mol/L,试件的抗拉和抗压强度增大,拉伸和抗弯延性有所降低;随着激发剂模数从1.2增至2.0,试件抗压和抗拉强度基本有所降低;偏高岭土基HTGC具有明显的早强特性,这使其在快速建造项目中具有较大的应用潜力。

韧性材料的微裂纹扩展和连通的晶体相场模拟

采用晶体相场模型研究韧性单晶材料在双轴拉伸条件下微裂纹扩展和连通的演化过程,分析应变、初始裂口处原子密度等因素对裂纹扩展和分叉的影响。结果表明:初始裂口处原子密度对裂纹扩展有明显的影响;对于双轴拉伸作用,当应变较小时,裂纹扩展不分叉;当应变较大时,裂纹扩展才能出现分叉。在裂纹扩展过程中,体系能量不断降低;当裂纹出现分叉时,体系能量降低更快,这表明裂纹扩展过程中弹性应变能的释放比表面能的增加要快。裂纹在扩展过程中,在分叉处会出现与主裂纹断开的孤立的微小空洞。这些微小空洞将成为新的裂纹萌生之地,它们在应力的作用下不断长大,连成一线,形成新的裂纹分支。同一条直线上的两条初始裂纹在扩展过程中,当裂纹尖端靠近时,尖端相互吸引,裂纹相互连通。本研究所得结果与相关模拟结果和实验结果吻合。

韧性材料的微裂纹扩展与分叉的晶体相场模拟

采用晶体相场方法研究韧性单晶材料在双轴拉伸条件下微裂纹扩展与分叉的演化过程,分析应变、温度、初始裂口形状等因素对裂纹扩展和分叉的影响.结果表明:对于简单的单向拉伸,应变需要达到一定的临界值,裂纹扩展才会启动.对于二组相互垂直的双轴拉伸作用,当应变达到临界值后,裂纹扩展过程中会发生分叉现象.温度越高,裂纹扩展越快且分叉越多.裂纹在扩展过程中,体系能量不断降低,当裂纹出现分叉时,体系能量降低得更快.在裂纹扩展过程中,有时是会在裂尖处前方出现微小的空洞,类似在裂纹尖端前方出现位错发射情况,这些微小的空洞逐渐扩大连成裂纹.本文所得结果与相关模拟结果和实验结果符合.

韧性材料的几种断裂形式及判据讨论

考察几种韧性材料的复合型断裂试验过程 ,用传统强度理论思想认定启裂位置与启裂方向 ,通过对不同物理机制的断裂形式变化规律的研究 ,判定韧性材料的主要断裂形式有三类 ,以空穴成核、扩张、聚合为主导机制的正拉断 ,和以局部剪切带形成、发展为主导机制的两种不同类型的剪切断裂。局部大塑性变形的出现在材料内引起损伤 ,空穴的聚合或局部剪切带的出现仅发生在载荷达到某一临界值时。导致材料断裂发生的根本因素 ,是危险点上某应力参数达到了材料的断裂临界值 ,以此对不同断裂形式的断裂判据进行讨论 ,提出新的韧性断裂判据。

韧性材料冲蚀磨损的机理研究

在自行设计的冲蚀磨损试验台上,用石英砂对典型的韧性材料(A3钢),在不同速度、不同冲击角度下进行了冲蚀磨损试验.研究了喷砂量、冲击角、冲击速度与磨损量的关系,并用扫描电镜和表面形貌仪观察、测量了冲蚀表面的形貌,讨论了韧性材料的冲蚀磨损机理.

韧性材料复合型断裂启裂点与开裂方向的讨论

参照多种材料常规断裂结果的宏观分析 ,通过研究LY12材料在不同复合比载荷下的断裂试验结果 ,修正了一般断裂试验中认定裂纹启裂方向的方法 ,结合不同复合比下裂尖附近应力三维度场、主应力方向的计算分析 ,得到 :在裂端的钝化变形区域、应力三维度的极大值处 ,对应于裂纹的启裂位置 ,即使韧性材料Ⅱ型裂纹发生剪切断裂的情况下也是如此 ;裂纹的启裂方向在拉伸断裂时与启裂点最大拉应力方向有关 。

韧性材料冲击拉伸碎裂中的碎片尺寸分布规律

利用有限元方法模拟韧性金属圆环高速膨胀过程中的碎裂过程,获得不同初始膨胀速度下碎片的样本集合.通过对碎片的尺寸进行统计分析发现:(1)无论初始膨胀速度如何,碎片的归一化尺寸分布具有相似性,可以用一个具有初始阈值的Weibull分布描述,近似地,这个分布还可以简化为Rayleigh分布;(2)碎片尺寸的累积分布曲线呈现阶梯特性,表现出较明显的"量子化"特性.在上述发现基础上,建立一个Monte-Carlo模型:碎裂点来自于颈缩点,颈缩之间的间距满足某种连续的Weibull分布,而碎片的尺寸为随机的若干个颈缩间距之和.概率模拟表明:除非早期的颈缩间距分布很宽,否则选择的离散性必然导致碎片尺寸分布呈现某种量子化特性.采用L04工业纯铝和无氧铜试件进行了爆炸膨胀碎裂实验,回收得到的碎片尺寸分布结果与理论分析基本一致.

韧性材料在强动载作用下的损伤演化

采用细观动力学分析方法在高加载率条件下得到了孔洞的动态增长模型．模型考虑了应变率效应、惯性效应和热效应对孔洞增长的影响，给出了孔洞增长的应力临界值表达式．模型的数值分析表明：初始温度Ｔ０对应力临界值Ｐｃｒｉｔ有较大影响；在高应变率条件下惯性和热效应对韧性孔洞动态增长有明显的影响，惯性表现为对孔洞增长的阻碍作用，而热效应则表现为对孔洞增长的促进作用．数值分析还表明：在低应变率条件下惯性效应可以忽略．

超声加工韧性材料的材料去除率模型

超声加工是现代超声技术的重要组成部分,在不同类型材料的加工领域都有着广泛的应用。由于在超声加工中脆性材料和韧性材料的材料去除机理完全不同,因此有必要建立韧性材料的材料去除率的数学模型。本文基于接触力学的理论建立了一个新的超声加工韧性材料的材料去除率模型。通过与引用的实验结果进行比较,发现该模型的理论预测值与实验结果十分吻合。该研究为超声加工韧性材料提供了理论依据,并为进一步的研究和实践提供了参考。

韧性材料断裂形式与J准则存在的问题

受材料特性不同与应力状态形式不同的影响 ,韧性材料可发生准解理断裂、孔洞正拉断、孔洞剪断和无孔洞影响的剪断等多种断裂形式 ,不同的断裂形式 ,材料中危险点位置与宏观断裂面方向则不同 ,相应的细观断裂机理、宏观断裂条件也有区分。J 积分理论没有区分材料不同断裂形式 ,将其用于金属材料一些复合型断裂试验结果时有较大误差。利用细观力学对材料断裂机理的分析 ,结合几种金属材料在不同应力状态下的断裂试验结果 ,对J准则存在的基本问题进行讨论 。

韧性金属材料渐进断裂的有限元算法研究

为解决裂纹稳态扩展的有限元数值仿真,舍弃应力强度因子和J积分理论,考虑韧性金属的弹塑性效应和几何非线性效应,采用基于损伤理论的EWK模型作为断裂判据.有限元计算时将断裂判据以子程序形式嵌入ABAQUS主程序并保持两者之间的实时通信.当材料符合子程序判据时,主程序中以单元弹性模量置"零"来模拟其断裂.求解时使用一种适合控制结构局部失稳的Newton法,并以带椭圆中心孔金属薄板的拉伸断裂为算例.计算结果显示,上述方法实现的断裂效果符合实际物理现象,断裂路径符合一般实验结果.

基于均匀化理论韧性复合材料塑性极限分析

运用细观力学中的均匀化方法分析了韧性复合材料的塑性极限承载能力.从反映复合材料细观结构的代表性胞元入手,将均匀化理论运用到塑性极限分析中,计算由理想刚塑性、Mises组分材料构成的复合材料的极限承载能力.运用机动极限方法和有限元技术,最终将上述问题归结为求解一组带等式约束的非线性数学规划问题,并采用一种无搜索直接迭代算法求解.为复合材料的强度分析提供了一个有效手段.

周期分布缺陷对韧性材料高应变率拉伸碎裂过程的影响

为研究初始缺陷对材料高应变率碎裂过程的影响,采用有限元方法模拟了具有周期性几何缺陷的韧性金属圆杆在高应变率拉伸过程中的碎裂现象。模拟结果表明:(1)与无初始缺陷的韧性杆件相比,具有一定幅值的初始缺陷的杆件在同等拉伸速度下发生断(碎)裂的时刻一般提前;(2)初始缺陷对碎片的尺寸和大小分布影响明显,在一定的应变率范围内,周期性缺陷完全控制了韧性材料碎裂过程中产生碎片的个数,可称这个碎裂过程为'缺陷控制碎裂';(3)改变初始缺陷的空间间距和幅值,出现'缺陷控制碎裂'的应变率窗口将发生明显变化。进一步讨论了具有2种幅值的复合缺陷对拉伸碎裂过程的影响。