内压法锆合金薄壁管弹性模量试验研究

薄壁管内压加载下的弹性模量测量具有较大难度,通常采用拉伸法测得的弹性模量来近似代替。该研究基于弹性力学理论,推导薄壁管受内压时的应力和应变公式,进而建立薄壁管受内压时的弹性模量分析模型。完成某型锆合金薄壁管在20~400℃下的内压试验和拉伸试验,对比分析两种方法得到的弹性模量差异。研究结果表明,该锆合金薄壁管20~400℃的弹性模量在67~96 GPa之间,且弹性模量随温度的增加而减小;基于内压法和拉伸法得到的锆合金薄壁管弹性模量趋势一致,且该变化趋势符合指数函数规律。两种方法所得锆合金薄壁管的弹性模量存在3%的差异,该差异在核电等精密领域不可忽视。因此,该研究建立的基于内压法的弹性模量试验方法具有良好的可行性,可更准确地描述薄壁管在内压状态下的力学性能。

金属材料准静态断裂性能标准测试技术研究进展

准静态断裂性能是评价含裂纹结构完整性的重要力学参量,其测试规范的制修订可反映国家在国际断裂测试领域的技术水平。由于较复杂的断裂力学理论背景以及长期经费投入乏力,我国的断裂性能测试规范自主创新修订工作严重落后于国际水平。自2011年立项至今,历经3年的不懈研究,完成了新版国家断裂测试规范GB/T 21143-2014的修订,且在原规范的基础上取得了许多新进展。主要包括:对基于柔度原理的裂纹长度计算公式进行了简化,完善了原有J积分和CTOD计算式;推荐了考虑断裂试样大角度转动影响的旋转修正新方法;借鉴ASTM E1820-11规范,引入了改良后的单试样规则化法。为了更好地促进新规范的推广应用,本文就新规范修订中涉及的上述技术的研究进展进行详细综述。

考虑裂尖约束效应的小尺寸CIET试样延性断裂行为

应用单试样规则化法完成了压力容器用钢SA-508紧凑拉伸(Compact tension,CT)、三点弯曲(Single edge-notched bending,SEB)和小尺寸含内侧边裂纹C形拉伸(C-shaped inside edge-notched tension,CIET)三类试样的延性裂纹扩展行为试验,获得了J-Δa阻力曲线。结果表明,SA-508钢的J-Δa阻力曲线受试样构形和裂纹尺寸的影响较大,其根本原因在于试样裂纹尖端约束不同而引起延性断裂行为差异。引入J-Q-M三参数约束理论考察断裂试样的裂尖约束效应,采用权重平均法求解与距离无关的约束参数Q。弹塑性有限元分析结果表明,平面应变条件下的Q参数与载荷水平无关,但三维条件下的Q参数却仍受载荷水平的影响。基于J-Q-M三参数约束方法,建立三类试样满足J-Q-M控制的有效尺寸条件。进一步地,结合条件启裂韧度J0.2BL、J0.5BL试验结果和J-Q-M理论,获得了基于Q参数的约束修正J-Δa阻力曲线簇,可用于任意约束试样以及实际含裂纹结构的延性断裂行为预测。

柔度法研究镍铬合金焊材的高温疲劳裂纹扩展行为

金属材料的高温疲劳裂纹扩展速率试验,关键问题在于高温环境下精确测量试样的裂纹长度.基于柔度测试技术,通过改进现有高温应变引伸计实现了FFCT试样的高温疲劳裂纹扩展速率测试.利用有限元方法对具有分层构形CT试样的柔度方法进行了研究,获得了分层结构CT试样的等效弹性模量表达式,通过迭代方法对实时裂纹长度进行修正,获得了良好的预测精度.完成了镍铬合金焊带、焊条和焊丝三种焊材常温和350℃下的疲劳裂纹扩展速率试验,获得了相应的疲劳裂纹扩展规律.

N18锆合金的单轴拉伸和应力松弛性能

本工作试验研究20-700℃、不同应变加载速率下N18锆合金的单轴拉伸和应力松弛性能。结果表明，N18合金的单轴拉伸应力-应变曲线出现明显的屈服拐点，且温度低于500℃时呈现后继屈服强化，高于500℃后又呈后继屈服软化。除横向试样的断面收缩率高于轧向试样外，试样取向对N18合金的单轴性能影响不大。温度低于300℃时，N18合金的应变速率敏感性受温度的影响不大；350℃时，N18合金的敏感系数达到最小值，其后，对应变速率的敏感性随着温度的升高逐渐增强。N18合金在不同温度和应变水平下均产生明显的应力松弛。在300℃以内，最大应力松弛程度受温度影响较小，且随应变水平的增大明显降低；在350～550℃范围内，应变水平越高，对应的最大应力松弛程度越大；N18合金的最大松弛程度在350℃附近出现最小值。在350-450℃范围内，N18合金表现出明显的动态应变时效特性。

CTOD试验方法与转子材料的延性断裂性能

对国标GB/T 21143—2007和美标ASTM E1820-08a中的CTOD(crack tip opening displacement)计算公式和阻力曲线评定方法进行对比研究,采用柔度法完成汽轮机转子材料Cr2Ni2MoV钢的CTOD试验,并分别根据两个标准对试验结果进行分析。结果表明,GB/T 21143—2007中的CTOD计算公式和钝化线方程存在不合理的表达,对其进行相应修正;根据ASTM E1820-08a得到的CTOD值通常稍低于由GB/T 21143—2007得到的结果;钝化线方程的选取对启裂CTOD临界值的确定影响显著。

基于应力三轴度的材料颈缩和破断行为分析

表征应力状态参量的应力三轴度是控制材料断裂模式的关键因素,所以应力三轴度作为影响材料的断裂因素而被引入到众多失效模型中。利用有限元辅助测试(Finite element Aided Testing,FAT)方法来获取材料等效全程单轴本构关系,进而获取漏斗型试样在拉伸过程中根部截面上的应力三轴度演化情况,并同根据Bridgman应力修正后的单轴本构关系得到的应力三轴度分布进行了对比分析。结果表明,基于Bridgman应力修正得到的应力三轴度与有限元计算结果相差较大。基于应力三轴度分析,讨论了漏斗型试样的破断机理,给出了四种延性材料的等效全程单轴本构关系、破断应变、破断应力和漏斗根部截面的应力三轴度分布随截面中心von Mises等效应变的变化规律。

预测疲劳裂纹扩展的多种理论模型研究

大多数工程断裂是因疲劳而引起的,所以金属材料的低周疲劳和裂纹扩展速率性能一直受到安全设计部门的关注。长久以来,国内外学者在建立金属材料低周疲劳行为和裂纹扩展速率性能之间的关系方面进行了多材料和多角度的研究。基于平面应力裂纹尖端小范围屈服应力应变场和疲劳裂纹扩展失效准则,提出用于I型疲劳裂纹扩展速率的预测模型。针对国内外相关工作的研究,基于平面应力裂纹尖端小范围屈服应力应变场和疲劳裂纹尖端循环塑性区内的应变能失效准则,提出一个可用于I型疲劳裂纹扩展速率的预测模型。借助已发表的15种金属材料对应的低周疲劳和裂纹扩展速率性能数据,详细分析和比较所提出的预测模型与其他6种预测模型的预测规律和结果。研究表明,所提出的预测模型能够预测更广泛的金属材料疲劳裂纹扩展速率,并且较其他6中预测模型更符合安全设计的理念。

金属材料断裂力学柔度测试技术的问题与发展

研究了ASTM、ISO、GB断裂测试规范中推荐的柔度测试技术所存在的不同程度的局部性和系统性问题，提出了修订规范的相关方法和新公式。提出并推荐了应用直通型FFCT（Front—force compact tensile）试样和SEB（Single eedged bending）试样的相关延性断裂韧度柔度测试方法和成套新公式；首次发现ASTM E813-E1820、ISO 12135—2002（E）及国标GB2038—91、GB21143—2007关于LLCT（Loading—line compact tensile）试样执行了近三十年的裂纹面旋转柔度修正公式的错误，在给出清楚柔度定义和新图解的基础上提出并推荐了应用FFCT和LLCT试样的柔度修正新公式；讨论了在疲劳裂纹扩展测试中克服COD引伸计惯性力效应的解决方法；研究了直通型CT试样用于高温疲劳裂纹扩展的柔度测试问题，提出了点触式高温柔度测试方法。

基于SENT试样获取材料断裂韧度的载荷分离法研究

单边裂纹拉伸(Single edged notched tension,SENT)试样因其低约束特性逐渐被用于管道材料的断裂韧度评定。根据有限元法,提出SENT试样的应力强度因子表达式,J积分计算中的增量塑性功算式以及塑性因子算式,并与文献中公式进行对比证实公式的精确性和有效性。依据ASTM用于CT试样获取断裂韧度载荷分离理论规则化方法提出适用于SENT试样的量纲一载荷分离法,并通过有限元计算证实SENT试样载荷分离的成立性。由量纲一载荷分离理论中的规则化方法完成了汽轮机低压转子材料30Cr2Ni4MoV、电站用P92管道钢以及5083-H112铝合金SENT试样断裂韧度值以及J阻力曲线测定,获得了各材料合理的J阻力曲线及条件断裂韧度JQ值。

基于小尺寸材料试验与有限元分析的耦合方法获取材料力学性能

采用T-F(Tests and finite element analysis)方法,通过小尺寸圆环试样单轴压缩试验,引入单轴本构关系模型进行有限元迭代计算使得模拟计算的试样变形与圆环试样压缩实验结果满足一致性,进而得到材料单轴弹塑性本构关系参数。研究表明,对不同厚度的304不锈钢圆环,应用T-F方法获得的材料本构关系与单轴拉伸试验结果吻合较好。基于小尺寸材料的T-F方法在获取小尺寸构件的力学性能方面有良好的工程应用前景。

用于断裂韧度测试的C形环小试样的规则化方法与应用

伴随结构精细化、小型化的发展,薄板、薄壁管件等小尺寸构件得到应用,试样小型化对满足特殊取样要求和材料断裂韧度测试需求有重要工程意义,而基于非标小试样的材料断裂性能测试方法尚难满足需求。设计用于延性材料断裂韧度测试的C形环小试样,提出应用该类小尺寸试样获取材料延性断裂韧度的、基于量纲一载荷分离理论的规则化测试方法。分别采用C形环小试样和传统紧凑拉伸型(Compact tension,CT)大试样完成转子材料26Ni Cr Mo V11-5钢和压力容器材料A508-Ⅲ钢的J阻力曲线试验,讨论C形环小试样厚度、初始裂纹长度对试验结果的影响。结果表明,试样厚度和初始裂纹长度对C形环的J阻力曲线测试结果影响有限,但C形环试样裂尖具有更高的约束水平,由C形环试样得到的J阻力曲线明显低于CT试样的结果。

基于材料断裂韧度测试的COD换算方法研究

考虑到断裂韧度J积分塑性分量的塑性功由载荷与加载线位移关系得到,通过测试CT(compact tension)和SEB(single edge bending)试样的裂纹嘴张开位移实现J积分计算,提出适用于两种试样的裂纹嘴张开位移与加载线张开位移转换的换算公式,并采用45钢CT试样和30CrMo钢SEB试样对新公式进行有限元数值比对和试验比对。结果表明,新公式结果与规范演算结果之间的相对误差不超过0.4%,与有限元分析结果之间的相对误差不超过0.6%,与CT试样试验结果之间的相对误差小于4.5%,与SEB试样试验结果之间的相对误差小于6%。

GTN模型参数标定方法与应用

采用有限元辅助试验的FAT(finite-element-analysis aided testing)迭代方法获取的材料直至破坏的全程本构关系曲线并借助ABAQUS和GTN(Gurson-Tvergaard-Needleman)模型,提出了基于有限元逆向法标定GTN模型参数的方法,对316L不锈钢、304不锈钢和汽轮机转子材料26Ni Cr Mo V11-5漏斗试样拉伸过程的仿真结果良好。在此基础上获得的三种材料的GTN模型参数应用于模拟CT(compact tension)试样的准静态裂纹扩展下的载荷位移曲线并基于载荷分离方法,获得了三种材料CT试样的J阻力曲线。

Zr-Sn-Nb薄片合金高温低周疲劳行为

采用Zr-Sn-Nb合金薄片漏斗试样,完成了室温和500℃高温下的低周疲劳试验,提出基于漏斗根部节点轴向应变的疲劳损伤等效假设。根据有限元分析,建立了Zr-Sn-Nb合金室温和高温下薄片漏斗试样测试应变到漏斗根部轴向应变的转换模型。结合低周疲劳试验结果,建立了在室温和500℃高温条件下用于估算Zr-Sn-Nb合金疲劳寿命的Manson-Conffin模型。结果表明:Zr-Sn-Nb合金具有循环稳定性;高温严重影响了Zr-Sn-Nb合金低应变幅下的疲劳寿命,随着应变幅的增加,温度影响趋弱。

单边裂纹弯曲试样的转动修正方法研究

由SEB(single edged bending)试样变形几何关系,提出断裂韧度测试中用于SEB试样J积分塑性功计算的裂纹嘴张开位移V0与加载点在加载线位移VLL的弹塑性转换公式。对SEB试样进行弹塑性有限元分析表明:试样转动中心位置受材料本构关系的影响微小,仅与裂纹长度a与试样宽度W之比有关,进而提出SEB试样转动半径R(裂纹嘴初始位置到转动中心的距离)的表达式,并对公式的有效性进行验证;应用线弹性柔度公式预测裂纹长度,可以忽略试样转动效应的影响,而刚性转动对SEB试样的J积分计算有一定影响,需采用考虑转动效应的载荷与加载线位移关系曲线来获得真实的J—Δa阻力曲线。

获取材料本构关系和硬度的压入法研究

依据锥形压入试验和弹塑性接触有限元分析,提出基于能量原理预测金属材料本构关系的CR-EMI方法。通过该方法揭示锥形压入能量比与表征应力之间存在线性律,提出通过压入曲线(P-h曲线)获取材料本构关系的关系式,根据Hollomon本构关系模型预测硬度的H-EMI方法。通过对多种金属材料进行压入试验和有限元分析,验证CR-EMI方法和H-EMI方法的有效性与精确性。

断裂韧性测试的量纲一载荷分离方法及应用

针对现有载荷分离理论存在的量纲不等问题进行研究,提出基于量纲一相似原理的改进载荷分离方法,获得普适意义的载荷分离参数与测试位移关系曲线.为了推广载荷分离方法在材料断裂韧性测试中的应用,利用Visual Basic Language开发了用于材料断裂韧性的测试软件(J-LSS).结合汽轮机转子钢Cr2Ni2MoV、316L不锈钢材料以及紧凑拉伸(CT)试样,应用测试软件研究现有载荷分离方法与改进载荷分离方法在材料断裂韧性测试中的差异.结果表明:基于量纲一的理念完善了载荷分离理论;改进的载荷分离方法消除了参考钝裂纹试样对测试结果的影响,可以用来精确测试材料的断裂韧性.

用于弯曲型试样断裂韧性计算的COD转换公式精解

根据有限元精细网格计算结果,分析材料硬化及裂尖塑性变形对直通型CT试样(front force compacttension,FFCT)及三点弯曲试样(single edged notched bending,SEB)COD转换的影响。结果表明,材料硬化及裂尖塑性变形对上述两种试样的COD转换均存在影响,但影响较小,均可忽略。通过其试样变形几何关系,提出用于FFCT试样断裂韧性测试中计算J积分塑性功的裂纹嘴张开位移与加载线张开位移的弹塑性转换公式;对于SEB试样,通过对不同本构参数有限元精细网格计算结果进行耦合的方法获得COD转换公式。该文公式形式均较为简单,且与有限元结果相对误差较小,具有较高的置信度。

C250钢漏斗试样扭转低周疲劳研究

通过轴向循环拉压实验获得漏斗试样载荷-位移(P-V)曲线,并基于该曲线和有限元反演分析方法获得了材料的循环本构关系。利用该循环本构关系对漏斗试样进行三维扭转有限元分析,获得漏斗根部剪切应力与扭矩之间的转换公式,及漏斗根部剪切应变与名义扭角之间的转换公式,实现了漏斗试样扭转低周疲劳的研究。应用该方法,完成了C250钢漏斗试样常温下一条曲线的扭转低周疲劳实验,揭示了C250钢的疲劳行为,并给出了该材料的Manson-Coffin寿命预测模型。