TC4ELI合金疲劳裂纹尖端塑性区对裂纹扩展的影响

研究了TC4ELI合金片层组织与短棒α组织中的疲劳裂纹尖端塑性区及裂纹扩展行为。首先通过SEM及TEM观察比较两种显微组织下的疲劳裂纹尖端塑性区,讨论两种显微组织中裂纹尖端塑性区对疲劳裂纹扩展路径及扩展断口的影响,分析裂纹扩展路径和裂纹尖端塑性区对裂纹闭合及裂纹扩展速率的影响。结果表明:与短棒α组织相比,片层组织中具有较大的裂纹尖端塑性区及曲折的裂纹扩展路径,并最终从疲劳裂纹闭合的角度,解释了片层组织具有较低的疲劳裂纹扩展速率的原因。

裂纹尖端塑性区三维有限元分析

裂纹尖端塑性区的大小与其三维约束状态有关,而三维约束状态不仅与板厚还与外载荷、材料性质有关。因此不论是薄板还是厚板,用平面应力或者平面应变来模拟其状态都有局限性。现阶段对于三维约束状态下的裂纹还没有一个公认的可以准确计算塑性区大小的公式。文章用有限元对小范围屈服下,含I型中心穿透裂纹板裂纹尖端的三维塑性区进行了研究,分析了硬化指数、屈服强度以及泊松比对塑性区大小的影响。计算从平面应力逐渐过渡到平面应变,结果与现有理论的预测结果进行比较,进而给出了一个计算裂纹尖端塑性区大小的计算公式。

单轴压缩非贯通节理岩石尖端塑性区及弹塑性断裂模型研究

基于Drucker-Prager(下简称D-P)准则,建立压缩载荷作用下的非贯通节理岩石的弹塑性断裂模型。针对节理岩石小范围屈服翼裂纹尖端塑性区,推导了D-P屈服准则的纯Ⅰ、纯Ⅱ及Ⅰ、Ⅱ复合型3种翼裂纹无量纲塑性区径长函数,并与Mises准则的塑性区进行对比;结果表明,D-P准则的Ⅰ型和复合型塑性区较Mises屈服准则的塑性区大,且其II型及Ⅰ、Ⅱ复合型塑性区在翼裂纹上下表面不连续。进一步,引入断裂软化因子以表征节理岩石裂隙断裂扩展后的断裂软化规律,考虑非贯通节理岩石复合型断裂软化,是由于节理尖端翼裂纹应变能密度超过最小应变能密度导致其成核扩展引起的,提出用应变能密度的指数函数形式表征断裂软化变量的演化;塑性屈服函数采用Borja等的应力张量3个不变量的硬化/软化函数,反映塑性内变量及应力状态对硬化函数的影响;建立节理岩石的弹塑性断裂本构关系及其数值算法,并用回映隐式积分算法编制了弹塑性断裂模型的程序。以单轴压缩下非贯通节理岩石为例,分析岩石断裂韧度、节理摩擦系数和节理倾角等参数的影响,结果表明,所提出的弹塑性断裂模型与数值和试验结果比较吻合。

自适应分析在确定裂纹尖端塑性区中的应用

在分析裂纹扩展及材料强度时对塑性区的估算是很重要的。本文提出采用自适应有限元分析来确定裂纹尖端塑性区的方法。

井壁Ⅰ型裂缝尖端塑性区研究

探讨考虑中间主应力效应的井壁围岩Ⅰ型裂缝的尖端塑性区分布情况及影响因素。基于双剪统一强度理论,对井壁围岩Ⅰ型裂缝的尖端塑性区分布进行研究,建立了Ⅰ型裂缝尖端塑性区边界统一解表达式,并以泥页岩井壁为例,求解出泥页岩Ⅰ型裂缝尖端塑性区边界统一解,进一步推导了考虑围压作用的泥页岩Ⅰ型裂缝尖端塑性区计算公式。同时讨论了不同b值、不同拉压强度比、不同强度准则下泥页岩Ⅰ型裂缝尖端塑性区的变化趋势。结果表明随着中间主应力发挥比例的不断增加,塑性区曲线不断平滑,塑性区裂缝尖端延长线上的裂缝扩展速率也相应降低。考虑中间主应力的积极作用可以使含张拉裂缝的井壁围岩充分发挥岩石自身强度,减小塑性区范围,同时降低裂缝在尖端延长线上的延展。

两条等长共线裂纹尖端塑性区扩展理论研究

采用Kachanov法基本思想求解2条等长共线裂纹相互作用下裂纹的应力强度因子,分别基于Mises屈服准则和D-P屈服准则推导了裂纹尖端塑性区半径的表达式,并求得裂纹相互作用下塑性区半径的扩大倍数,其值为2条裂纹相互作用下的应力强度因子与单裂纹状态下应力强度因子比值的平方。在此基础上,分析了裂纹间距对塑性区扩展的影响。研究发现,同一裂纹倾角下裂纹间距与裂纹长度比值越小,2条裂纹尖端的塑性区半径越大,裂纹尖端塑性区扩展速度越快,直至塑性区发生接触,且不同的裂纹倾角,裂纹尖端塑性区发生接触的条件不同。

计算K_I时裂纹尖端塑性区修正的讨论

本文讨论在小范围屈服条件下，裂纹尖端塑性区修正问题，指出用等效裂纹计算ＫＩ的不足之处及其改进方式．

关于“计算K_1时裂纹尖端塑性区修正的讨论”的讨论

阐释了K1的塑性区修正公式的推导及其计算它的通常方法———逐次逼近法的计算思路 ,并以实例进行计算 ,从而提出与“计算K1时裂纹尖端塑性区修正的讨论”

T应力对扩展裂纹尖端塑性区域形状的影响

根据Williams级数解,裂纹尖端应力场由Ⅰ-Ⅱ复合型应力强度因子及T应力共同控制。将裂纹尖端应力分量代入Von Mises屈服准则,建立裂纹尖端塑性扩展区模型。基于该模型获得了在不同Ⅰ-Ⅱ复合比断裂情况下裂纹尖端塑性扩展区形状随T应力的变化规律,并对Ⅰ型和Ⅱ型断裂在复合型裂纹断裂所占的比例、T应力大小及泊松比对塑性区域形状的影响进行了讨论。研究结果表明:正的T应力引起裂纹断裂角θ0减小,加剧裂纹扩展;负的T应力导致裂纹断裂角θ0增大,并抑制裂纹扩展;T应力为0或纯Ⅰ型裂纹尖端塑性区存在对称轴,存在T应力后,塑性区域呈不对称分布,T应力绝对值越大,塑性区域面积越大,T应力对裂纹尖端塑性区形状及尺寸大小均有很大影响。此外,不同Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹,塑性区域面积均随泊松比的增大而减小。塑性区变化的观测结果对进一步分析加载条件下Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹工程结构缺陷的疲劳和断裂具有重要意义。

Ⅰ-Ⅱ复合型唇形裂纹尖端塑性区分析

本文采用保角变换方法,建立了拉伸载荷下Ⅰ/Ⅱ复合型唇形裂纹的扩展模型,基于Irwin小屈服等效假设,建立了拉伸载荷下Ⅰ-Ⅱ复合型唇形裂纹尖端塑性扩展区模型,得到了唇形裂纹尖端塑性区Ⅰ型和Ⅱ型应力强度因子的表达式、基于该模型,进一步得到了唇形裂纹尖端延长线上的应力分布,并建立拉伸仿真模型,将唇形裂纹尖端应力分布理论解与弹塑性仿真解以及线弹性仿真解进行对比,研究结果表明:基于Irwin小屈服等效假设修正后的唇形裂纹尺寸会变大,唇形裂纹等效应力强度因子变大;唇形裂纹的形状参数的改变会对塑性区产生影响,相同宽长比情况下,半长越大,塑性区尺寸越大,相同半长情况下,宽长比越大,塑性区尺寸越小,且伴随唇形裂纹倾斜角越大,塑性区尺寸也会相应增加;基于Irwin小屈服等效假设的唇形裂纹尖端塑性修正理论与塑性有限元仿真具有较好的一致性,伴随唇形裂纹倾斜角增加,裂纹尖端的应力水平降低,一方面,这是由于裂纹扩展形式由Ⅰ型向Ⅰ-Ⅱ复合型的转变造成的影响,另一方面,对于大倾斜角情况下,唇形裂纹腹部出现应力屈服现象,对唇形裂纹裂纹尖端的应力集中产生分担的影响,造成裂纹尖端应力水平的降低.

TC4-DT钛合金疲劳裂纹扩展及裂纹尖端塑性区

研究了TC4-DT钛合金不同组织的疲劳裂纹扩展行为,观察了疲劳裂纹在不同显微组织中的裂纹扩展路径,分析了不同显微组织的裂纹尖端塑性区变形情况,并与理论计算结果进行了对比。结果表明,疲劳裂纹在片层组织中扩展路径曲折,且片层组织的裂纹尖端塑性区较双态组织的大,理论计算的裂纹尖端塑性区的范围较实际测量的范围小得多。

钛合金疲劳裂纹扩展速率Paris区中的转折点

通过对比钛合金不同显微组织下疲劳裂纹扩展速率Paris区转折点的位置,发现原始β晶粒尺寸是影响Paris区转折点位置的主要因素,晶团尺寸以及片层厚度对转折点位置没有影响.并且通过分析转折点前、后疲劳裂纹扩展微观阶段的转变及断裂方式变化,得出转折点的出现是疲劳裂纹尖端塑性区尺寸超过晶粒尺寸所致,具有β晶粒的马氏体组织疲劳裂纹扩展速率Paris区并不存在转折点,说明转折点的出现不仅仅是由于原始β晶粒的存在,还和显微组织类型有关.通过分析还发现,钛合金片层组织中裂纹尖端塑性区实际尺寸大于计算得到的单向塑性区尺寸以及循环塑性区尺寸.

变幅低周疲劳载荷下船体裂纹板裂纹尖端力学行为研究（英文）

低周疲劳裂纹主要在塑性区扩展,变幅载荷下低周疲劳裂纹尖端力学行为复杂,传统的基于线弹性力学的疲劳裂纹扩展速率公式很难适用。因此,为进一步深入研究变幅载荷下低周疲劳裂纹扩展行为,有必要厘清低周疲劳裂纹尖端力学演化机理。该文在常幅载荷中引入单个拉伸过载/压缩过载的低周疲劳载荷后,基于变幅载荷下低周疲劳裂纹尖端循环应力—应变场,对低周疲劳裂纹塑形诱导闭合效应,裂纹尖端塑形区等影响低周疲劳裂纹扩展的力学行为进行研究。通过系列有限元计算对影响因素进行数值分析,并与试验结果进行了对比分析。为进一步揭示变幅载荷下低周疲劳裂纹扩展的拉伸过载迟滞/压缩过载加速效应的力学机理做铺垫。

基于裂纹最大张口位移的加筋板弹塑性断裂分析

为了快速方便地求取船舶加筋板塑性性能的两个重要参数—裂纹尖端塑性区半径(Ry)和裂纹尖端张开位移(CTOD),文章提出了一种基于裂纹最大张口位移(MCOD)来确定加筋板的裂纹尖端塑性区半径和裂纹尖端张开位移的简便方法。该法基于理想弹塑性材料,以提出的裂纹最大张口位移与裂纹尖端塑性区半径及裂纹尖端张开位移的拟合函数关系为基础,考虑了模型尺寸效应、材料特性参数及外载荷的影响。文中还对不同裂纹长度、不同屈服极限条件、不同板/筋刚度比时方法的适用性进行了分析,研究表明:该方法能够消除裂纹长度、屈服极限和外载荷等因素的影响,适用于有限宽船舶加筋板的弹塑性分析。

影响TC4ELI合金断裂韧性的因素

比较不同显微组织条件下TC4ELI合金的断裂韧性,并从断裂韧性本质定义的角度分析影响材料断裂韧性的因素。不同状态下TC4ELI合金断裂韧性值表明,片层组织具有较高的断裂韧性,且断裂韧性大体上随屈服强度的升高而降低。从疲劳裂纹尖端塑性区的角度阐述了影响材料断裂韧性的因素。

止裂孔-疲劳裂纹尖端相对位置对工业纯铁DT4C抗疲劳性能的影响

止裂孔是金属结构件疲劳延寿的重要方法之一,但其对疲劳裂纹扩展速率及疲劳寿命的影响规律复杂多变,以工业纯铁DT4C金属板材为例,采用扩展紧凑拉伸试样(E-CT)研究了止裂孔相对疲劳裂纹尖端的不同位置(即裂纹尖端前沿材料切除量分别为0.3、0.6和0.9 mm)对含裂纹试件的疲劳寿命和裂纹扩展速率的影响规律。结果表明:由于在疲劳裂纹扩展过程中裂纹尖端沿厚度方向上扩展速率的差异及裂尖塑性区的存在,裂纹尖端前沿材料切除量对止裂孔的延寿作用具有重要影响,且影响程度差别较大。在相同疲劳载荷和应力比近似为0的情况下,裂纹尖端前沿材料切除量为0.6 mm时,试样的疲劳裂纹扩展速率和疲劳寿命改善最为明显,与常规试样相比疲劳寿命增加了2倍以上。

焊接热过程和冶金过程

<正>

Microstructure-fracture toughness relationships and toughening mechanism of TC21 titanium alloy with lamellar microstructure

The independent influence of microstructural features on fracture toughness of TC21alloy with lamellar microstructure was investigated.Triple heat treatments were designed to obtain lamellar microstructures with different parameters,which were characterized by OM and SEM.The size and content ofαplates were mainly determined by cooling rate from singleβphase field and solution temperature in two-phase field;while the precipitation behavior of secondaryαplatelets was dominantly controlled by aging temperature in two-phase field.The content and thickness ofαplates and the thickness of secondaryαplatelets were important microstructural features influencing the fracture toughness.Both increasing the content ofαplates and thickeningαplates(or secondaryαplatelets)could enhance the fracture toughness of TC21alloy.Based on energy consumption by the plastic zone of crack tip inαplates,a toughening mechanism for titanium alloys was proposed.

超细晶纯钛疲劳裂纹扩展及裂纹尖端组织演变

采用疲劳裂纹扩展实验研究剧烈塑性变形制备的4种超细晶纯钛的疲劳裂纹扩展行为,通过观察不同组织超细晶纯钛的疲劳裂纹扩展路径,并对裂纹尖端塑性区进行显微硬度分布实验和显微组织观察,分析不同组织超细晶纯钛疲劳裂纹扩展的微观机制。结果表明,等径弯曲通道变形(equal channel angular pressing,ECAP)纯钛和旋锻后400℃退火纯钛的疲劳裂纹扩展路径曲折,而ECAP+旋锻变形纯钛和旋锻后300℃退火纯钛的疲劳裂纹扩展路径平直。循环载荷作用下,超细晶纯钛裂纹尖端区域的显微硬度和微观组织变化显著。其中ECAP+旋锻变形纯钛的组织位错密度和显微硬度降低,而ECAP变形和旋锻后退火纯钛的组织位错密度和显微硬度均升高。超细晶纯钛疲劳裂纹扩展过程中组织结构对位错运动的阻碍导致裂纹扩展方向改变,且裂纹尖端区域位错密度为显微硬度变化的主要影响因素。

Inconel690(TT)合金裂纹尖端小范围屈服时的腐蚀疲劳裂纹扩展行为研究

对Inconel 690(TT)合金腐蚀疲劳裂纹尖端塑性区微观结构进行观察,并研究裂纹尖端塑性区及载荷比对模拟压水堆环境下的裂纹扩展行为的影响。裂纹尖端小范围屈服时,模拟压水堆环境对裂纹扩展速率有3倍左右的加速作用。。