循环热力作用岩石I型断裂试验方法及其可行性研究

探明岩石在循环应力和循环温度作用后的断裂特性对于保障地下洞室压缩空气储能这一“双碳”工程的稳定性具有重要现实意义。提出了循环热力作用岩石I型断裂试验方法并对该试验方法的可行性进行了研究。为研究经循环应力和循环温度作用后的岩石受力变形特性和I型断裂特性,设计了相应的带裂缝岩石试件,并提出了相应的试验步骤;采用COMSOL Multiphysics软件对设计的试件进行升降温和单轴压缩试验模拟,采用相场断裂方法模拟三点弯梁断裂试验,获得相应热力响应和裂缝路径,论证试验方法的适用性与可行性。数值模拟结果表明,所提出的试验方法可获得与理论解误差极小的温度场、应力场和裂缝扩展路径,可只对一个试件进行试验而获得循环热力作用过程中的岩石受力变形特性以及循环后的I型断裂特性。

Stress Dependence of Transformation Plastic Behavior

Transformation plasticity is known to play an important role in the course of heat treatment processes, and so affect the results of heat treatment simulations, which means that the transformation plasticity coefficient is necessary to be identifies. The authors developed a new method by use of four-point bending system of a beam to identify transformation plasticity coefficient taking advantage of its easiness and high accuracy compared with other conventional methods like tension test, etc., and identified the coefficient for four kinds of steels; plane carbon steel, Cr-steel, Cr-Mo steel and bearing steel. In this paper, further experimental data are presented for the steels if the coefficient Kp during pearlite transformation depend on the applied stress. Obtained results reveals that the stress dependence of Kp is rather trivial except for uncertain tendency detected in plane carbon steel. The relation between the Kp and carbon content included is discussed in comparison with other data referred from references.

注气井油管钢应力腐蚀的实验室评价方法优化

CO_(2)腐蚀是制约CO_(2)驱油与埋存注入井筒安全平稳生产的关键问题,由于注入介质与服役环境的特殊性,导致CO_(2)注入井油管因应力腐蚀而失效,大量研究认为,吉林油田CO_(2)驱注气井环境的低温、CO_(2)、细菌及H2S等因素是造成油管硫化物应力腐蚀的主要原因,因此寻找一种适合注气井酸性高压服役环境应力腐蚀的评价方法尤为重要。采用不同试验温度、腐蚀溶液、H2S制备方法和加载方式等试验方法,对油管钢应力腐蚀及腐蚀形貌进行分析测定,建立了适用于吉林油田CO_(2)驱注气井环境的油管钢应力腐蚀分析技术及评价方法。通过油基环空保护液应用,阻断了应力腐蚀敏感环境,提高了注入管柱的应力腐蚀防护性能,矿场试验防治效果良好。

微观组织结构对镍基825合金力学性能和硫化物应力腐蚀开裂的影响

目的揭示微观组织结构对镍基825合金硫化物应力腐蚀开裂的影响规律及机理。方法利用金相显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)和背散射电子衍射(EBSD)分析了2种镍基825合金的金相组织、夹杂物种类及等级、晶界类型以及残余应变和晶粒尺寸分布。通过显微维氏硬度计评价了合金的力学性能,同时采用氢微印、动态充氢慢应变速率拉伸试验和三点弯曲试验,评估了合金的氢脆倾向和硫化物应力腐蚀开裂敏感性。结果2种镍基825合金的夹杂物均以B类和D类Ti N为主。2种合金中B类夹杂物均以晶界分布为主,D类夹杂物在合金1#中集中分布,在合金2#中随机分布。合金1#中B类夹杂物等级为0.91,D类夹杂物等级为1.4,合金2#中2种夹杂物等级分别为0.54和1.33。氢微印试验发现氢在合金1#的晶内、晶界处均大面积存在,而在合金2#中则分布稀疏。EBSD发现2种合金均为等轴奥氏体,合金1#晶粒尺寸稍大,晶界以随机大角度晶界为主且存在较高的残余应变集中,而合金2#晶粒细小且尺寸分布更均匀,随机大角度晶界和低Σ界面为其主要晶界类型,残余应变分布均匀。合金1#的硬度为184.67HV,屈服强度为285.30 MPa,而合金2#的硬度和屈服强度分别为207.75HV和300.03 MPa。在动态充氢慢应变速率拉伸试验中,2种合金均出现了氢脆倾向,合金1#的断裂延伸率降低了2.6%,而合金2#只降低了1.6%。三点弯曲试验中合金1#表面发生严重均匀腐蚀,出现了以穿晶为主的宏观裂纹,裂纹萌生部位的基体元素显著降低,在其周围还发现了夹杂物及其脱落留下的微孔,而合金2#表面仍有金属光泽,只有微米级的裂纹萌生于应力集中处。结论大量夹杂物的存在降低了合金1#的屈服强度并导致晶界残余应变集中,同时作为有效氢陷阱增加了镍基825合金硫化物应力腐蚀开裂的敏感性。此外,夹杂物与金属基体之间形成微电偶,促进周围金属阳极溶解,进一步增加了合金的开裂敏感性。

纤维增强复合材料层间剪切强度测量三点弯曲试验改进方案

纤维增强复合材料层间剪切强度是衡量其材料特性的重要指标,目前多采用短梁法对其进行测量,但短梁法试验失效模式复杂,试验有效率低。该文提出一种基于长梁三点弯曲强度实验的纤维增强复合材料层间剪切强度测量方法,此方法通过在三点弯曲的长梁试件表面粘贴金属增强体,改变梁的跨高比,从而改变梁内最大正应力与最大切应力的比值,使之与弯曲强度和剪切强度之比相匹配,保障复合材料层合梁在三点弯曲工况下首先发生层间剪切失效,进而测量出层间剪切强度。该文基于推导的理论公式,论证层合梁表面粘贴增强体后,引发层间剪切失效的可行性;再进一步通过数值计算验证了所推导公式的精度;最后对所提出试验改进方案进行了实验验证。实验结果表明,在玻璃纤维增强层合梁上下表面粘贴铝合金增强体后,使层合梁在三点弯曲工况下,可以方便可靠地测得复合材料层间剪切强度。

钛合金油管在苛刻井下环境中的抗腐蚀性能研究

通过失重腐蚀试验和应力腐蚀开裂(四点弯曲法)试验,研究了TC4钛合金在地层水和完井液环境中抗均匀腐蚀、局部腐蚀和SCC性能。结果表明:在地层水CO_2腐蚀环境中,TC4钛合金为轻微腐蚀,温度升高,均匀腐蚀速率变化不大,温度达到220℃时,均匀腐蚀速率仅为0.0012 mm/a,且试样表面无局部腐蚀,表明该合金具有良好的抗地层水CO_2均匀腐蚀和局部腐蚀性能;在完井液CO_2腐蚀环境中,TC4钛合金的均匀腐蚀速率高达0.4247 mm/a,该合金发生明显的点蚀和选择性溶解腐蚀;在地层水CO_2腐蚀和完井液CO_2腐蚀环境中SCC试验均未发现裂纹,具有良好的抗SCC性能。

超级13Cr马氏体不锈钢抗SSC性能研究

采用四点弯曲实验方法、电化学测试技术及扫描电子显微镜(SEM)等分析手段研究了超级13Cr马氏体不锈钢在模拟工况和标准工况中的H2S应力腐蚀开裂(SSC)行为。结果表明:超级13Cr马氏体不锈钢在标准工况条件下具有很高的SSC敏感性,裂纹起源于表面点蚀坑处,H2S腐蚀性气体的存在及Cl-浓度的增加显著降低超级13Cr马氏体不锈钢的点蚀电位,明显增加超级13Cr马氏体不锈钢的SSC敏感性;在模拟工况条件下,超级13Cr发生SSC的敏感性降低,没有发生开裂现象。

基于超高性能混凝土弯曲拉伸特性的二次倒推分析法

为简便获得超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,简称UHPC)的受拉应力-应变曲线,提出考虑剪切变形和曲率分布非线性的二次逐点倒推分析法。基于不同浇注方式的四点弯曲试验梁的荷载-挠度曲线进行了二次倒推分析,并与直接拉伸试验结果及其他倒推法进行了对比。研究表明:1对于剪跨比和高跨比均为1/3的四点弯曲梁,跨中荷载-挠度曲线达比例极限时,剪切变形引起的剪弯挠度比可达24.8%,倒推分析不能忽略;2基于挠度测试的四点弯曲试验,二次倒推分析得到的UHPC材料应力-应变关系近似呈伪应变硬化特性,梁的荷载-挠度曲线比例极限点大致对应直接拉伸应力-应变曲线的线性偏离点;3二次倒推分析法求得的应力-应变曲线总体应力水平高于直接拉伸试验结果,且水平方向浇注的试件应力比垂直方向浇注的高约10%;4相对于其他倒推法,二次倒推分析法得到的本构曲线的应变特征值与直接拉伸试验结果吻合更好,二次倒推分析法用以获得UHPC材料受拉应力-应变关系的可行性较好。

基于三点弯曲实验的混凝土抗拉软化关系的求解方法

确立了分别基于开裂强度准则和断裂韧性准则的由三点弯曲实验确定混凝土材料抗拉软化关系的方法。该方法应用扩展的黏聚裂纹模型,通过使模拟的荷载-裂纹口张开位移(stress-crack width relationship,Load-CMOD,P-CMOD)曲线与三点弯曲实验获得的P-CMOD曲线吻合来确定相应的混凝土抗拉软化关系参数。求解中的所有参数均由三点弯曲实验结果确定,其优点是只需用简单的位移控制试验机完成弯曲实验,与单轴拉伸实验相比,实验成功率更高、更容易实现。

船舶上层建筑端部实板厚疲劳试验研究

为研究船体上层建筑端部的疲劳特性,设计和实施了实板厚四点弯曲疲劳模型试验。获得疲劳试验中不同应力水平下的疲劳失效循环次数,并采用定斜率极大似然法拟合应力水平-疲劳失效循环次数得到中值S-N曲线和P-S-N曲线。分别采用试验P-S-N曲线和CCS规范E曲线计算和比较研究该部位的疲劳强度。结果表明,试验得到的S-N曲线可为实船设计和分析提供参考。

基于三点弯曲试验的聚丙烯纤维桥接应力研究

为研究聚丙烯(Polypropylene,PP)纤维在混凝土开裂过程中桥接应力的变化规律,选用两种尺寸的聚丙烯细纤维和一种尺寸的聚丙烯粗纤维制备纤维增强混凝土试件,在试件上进行单边缺口梁三点弯曲试验,获得各组试件的荷载-裂缝切口位移曲线和荷载-位移曲线。基于试验结果,采用合成纤维细观拉拔模型,拟合PP纤维桥接应力曲线,并与实测纤维桥接应力曲线作对比,确定对应的PP纤维模型参数。研究结果表明:聚丙烯细纤维的桥接应力峰值为0.20~0.22 MPa,聚丙烯粗纤维的桥接应力峰值为0.56 MPa,纤维桥接应力随裂缝宽度增加呈现先增大后减小的趋势;通过细观拉拔模型中的参数P0、k0、k1,计算PP纤维在混凝土基体中的桥接应力;粗纤维具有较强的桥接应力,在混凝土开裂后表现尤为突出,能有效抑制宏观裂缝的扩展。

基于三点弯曲试验研究合金化镀层剥落机制

通过三点弯曲试验,利用电子探针(EPMA)、扫描电镜(SEM)及金相显微镜(OM)研究了合金化镀锌板(GA)不同应力状态(压应力、拉应力)下裂纹的扩展、延伸及镀层的剥落.结果表明:锌层从合金化炉出来冷却过程中锌层中的裂纹产生于δ和Γ相中.在变形过程中,压应力和拉应力侧裂纹的扩展和锌层的剥落机制不同.在拉应力一侧,裂纹沿着垂直板面的方向延伸,到达Γ-αFe界面,沿着平行于Γ-αFe界面继续延伸,与第二条裂纹接触后,锌层剥落;在压应力一侧,裂纹沿着与板面成一定角度的方向扩展,最后镀层剥离或者在δ相内或者与拉应力一侧相同,到达Γ-αFe界面后,沿着Γ-αFe界面延伸最后产生破坏.实验结果还表明,镀层在压应力条件下更容易产生粉化现象.

金属基陶瓷涂层／钢基体界面裂纹的应力强度因子

将三点弯曲断裂力学试验与有限元分析(FEA)结合起来计算LX88A涂层与Q345钢界面裂纹的复应力强度因子。结果表明,对于三点弯曲试样,当发生界面断裂的临界载荷较小时,涂层试样的界面裂纹尖端附近存在K控制区,但K因子随临界载荷的增大,K因子控制区消失,发生K失效的现象。对于三点弯曲试样,当临界载荷超过一定值时,线弹性断裂力学已经不能描述界面裂纹尖端场。因此,在后续研究中有必要使用弹塑性断裂力学和概率断裂力学对此类界面裂纹进行分析。

J55渗氮套管应力腐蚀试验研究

用应力环腐蚀试验和三点弯曲试验研究了某J55渗氮套管在不同试验条件下的腐蚀行为,并和未渗氮套管的抗腐蚀性进行了比较。得出现有技术条件下,渗氮套管在低应力作用下,表面抗腐蚀能力较强;在弯曲应力作用下,渗氮层更容易被破坏,抗腐蚀能力降低。

镍基单晶合金TLP焊接件破坏特性研究

为研究镍基单晶合金的高温焊接性能,通过三点弯曲试验和扫描电镜对单晶体焊接件和单晶体试件在高温下的破坏机理进行了研究,并从晶体滑移理论出发,采用有限元方法对两种不同试样在相同载荷下的M ises应力分布和最大分切应力进行了数值分析.研究结果表明:对于采用TLP焊接连接的单晶焊接件,试样的破坏形式主要表现为脆性断裂,试样的抗弯强度明显低于单晶体试样;对于焊接连接的单晶体结构,由于焊缝处材料性质的差异,在焊缝附近出现明显的应力不连续性,对晶体界面附近的最大分切应力产生明显影响,引起界面附近分切应力分布梯度的显著增加,使试样的破坏特性发生改变,引起试样的脆性破坏,降低了试样的抗弯曲强度.

克深2-2-12高压气井S13Cr110钢制油管开裂和泄漏原因分析

克深2-2-12高压气井S13Cr110钢制油管开裂并发生泄漏。通过宏观检查、磁粉探伤和金相检验等对油管开裂和泄漏的原因进行了分析。结果表明:开裂和泄漏的位置处于油管力学性能薄弱管段。油管开裂属于应力腐蚀开裂,裂纹产生原因与A环空腐蚀环境、油管材料特性及油管受力条件有关,导致油管产生开裂和泄漏的载荷主要与内压和热胀冷缩交变产生的弯曲载荷等有关。

U形切槽梁的应力集中系数及材料测试新方法

用有限元分析得到单边U形切槽梁纯弯曲的应力集中系数,该应力集中系数随切槽宽度增加而急剧减小;随切槽深度增加先增加而后减小,最大值发生在切槽深度与梁高之比α=a/h=0.2附近,改进和扩展了现有应力集中系数手册中的有关数据。另外对U形切槽梁承受三点弯曲的应力集中系数在深切槽段即无量纲化切槽深度α=0.8~1.0也补充了相应数据。基于利用本文得到的U形切槽梁应力集中系数值,提出采用变化切槽根部圆角半径的纯弯曲或三点弯曲U形切槽梁,同时测试准脆性材料拉伸强度σt和断裂韧度KIC的一种新方法。

模拟三点弯曲试验的细胞自动机模型

细胞自动机是一种在随机初始条件下,通过构造简单的数学规则,来描述离散动力系统内部因局部单元之间强烈的非线性作用而导致系统整体自组织演化过程的一种数学模型。在此基础上,以力、位移作为基本状态变量,基于基本的力学规律构造了细胞自动机模型的矢量局部更新规则,建立了一种模拟岩石破坏过程的细胞自动机模型,并克服了以往规则确定随意性以及标量化的缺点。利用该模型模拟了三点弯曲梁的破坏过程,分析了预制裂纹对三点弯曲梁的破坏过程的影响,给出了与破坏过程所对应的应力-应变曲线以及声发射曲线。

钢纤维对超高性能混凝土裂后性能的影响

通过对超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,简称UHPC)进行三点弯曲的试验。研究了不同类型、不同掺量以及不同长径比的钢纤维对UHPC材料裂后性能的影响,根据实测荷载-裂缝张开位移(CMOD)曲线,通过反分析确定了UHPC的应力-裂缝宽度关系。研究结果表明:端钩型纤维对UHPC材料裂后的应力提高幅度要高于直线型纤维;纤维掺量的增加可以有效提高UHPC材料裂后的应力,但钢纤维的应力提高幅度也逐渐下降;长径比的增长可以提高钢纤维的应力提高幅度,但在较高纤维掺量情况下,长径比较长的钢纤维因为在基体中分散不均匀,导致UHPC材料裂后应力反而有所下降。

应力腐蚀下玻璃钢断裂韧性的实验研究

在应力腐蚀和非应力腐蚀实验条件下利用三点弯曲法测定玻璃钢断裂韧性，通过对比实验研究应力腐蚀对玻璃钢断裂韧性的影响。结果表明：在应力腐蚀下玻璃钢的断裂韧性降低，试件的厚度、初始裂纹深度与试件厚度的比值、玻璃钢的破坏形式对应力腐蚀下玻璃钢的断裂韧性均有影响。