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。

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。

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。

材料刚性与韧性对建筑结构安全性能的综合影响评估

建筑结构的安全性是设计过程中的重要因素。在过去的研究中,很多都侧重于材料刚性或韧性的单一影响,而并未联合考虑这两个参数对建筑结构安全性能的综合影响。本文采用实证分析和计量回归模型分析材料的刚性和韧性对建筑结构安全性能的综合影响。通过对不同材料参数的设计和结构特性进行大量模型试验,结果表明:材料的刚性和韧性同时改变时,会对建筑结构安全性能产生有利影响,材料的刚性较高时其可提高载荷承受能力,从而增强抵御外部力的能力,而材料韧性较好时可有效改善建筑结构抗震性能,从而使得建筑结构安全系数得到提高。综合影响评估表明,相比单独提升材料刚性或韧性,提升材料刚性和韧性的同时可以更有效地提高建筑结构安全性能。本文对于建筑工程项目的实际施工及抗震设计具有重要的参考价值,能够指导工程实践中优化结构设计,提升建筑结构的安全性。

盐雾干湿循环作用下超高韧性水泥基复合材料动态压缩性能试验研究

为研究滨海盐雾环境下超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)的动态压缩力学性能,对2组不同腐蚀程度的UHTCC(腐蚀周期为0 d和60 d)开展3组不同应变率(10^(−4)s^(−1)、10^(−3)s^(−1)和10^(−2)s^(−1))的动态压缩力学试验,获得了材料的动态压缩应力-应变曲线和破坏形貌,分析了应变率对不同腐蚀程度的UHTCC弹性模量、峰值强度以及峰值应变的影响。结果表明:相比于未腐蚀试件,60 d盐雾干湿循环作用会导致UHTCC动态压缩强度分别提高44.5%、54.4%和62.4%,动态弹性模量分别提高19.4%、15.3%和28.4%,压缩强度的应变率敏感性上升。通过X射线电子计算机断层扫描(XCT)技术发现盐雾干湿循环环境下材料的孔隙率降低,微观结构变得更加密实。

沙漠砂超高韧性水泥基复合材料抗冲击荷载试验研究

为研究不同取代率沙漠砂(20%、30%、40%)和聚乙烯纤维掺量(1.0%、1.5%、2.0%)等影响因素对超高韧性水泥基复合材料抗冲击性能的影响,采用落锤冲击试验装置对沙漠砂聚乙烯纤维超高韧性水泥基复合材料试件的抗冲击性能进行了试验研究,并对其冲击耗能和延性系数等指标进行了分析。结果表明:加入一定的沙漠砂和纤维之后,超高韧性水泥基复合材料的抗冲击性能有一定的提升,延性性能得到改善,当沙漠砂取代率为30%,纤维掺量为1.5%时,超高韧性水泥基复合材料的抗冲击性能最好。

韧性材料的冲蚀损伤数值仿真综述

砂尘造成韧性材料的冲蚀损伤现象和损伤演化规律是冲蚀机理研究的重要内容,基于相应冲蚀试验和数值仿真的分析方法是揭示冲蚀机理的重要手段。回顾了砂尘冲蚀损伤研究的缘起和发展经历,在介绍砂尘冲蚀损伤机理的基础上,总结了当前数值仿真研究的3种主流方法:有限元方法、无网格方法和计算流体动力学方法。从数值仿真角度针对砂尘对韧性材料造成的破坏模式、砂尘冲击姿态、砂尘冲击速度和形状、砂尘破碎对材料去除机制的影响等4个方面综述了影响冲蚀损伤机理的主要因素和当前研究进展。砂尘对韧性材料造成的破坏模式通常分为材料凹陷、滑动、犁削、切削等4种不同机制;砂尘的冲击姿态决定了材料的损伤模式;砂尘的冲击速度和砂尘的形状决定了材料的损伤严重程度;砂尘破碎现象对材料的去除机制有一定影响。

高强韧性车钩铸钢材料的探究与实践

通过对铁路货车E级钢裂纹车钩进行失效分析,结合E级钢材质特点、货车运行情况的变化,在现有E级钢的基础上,优化调整合金元素组分、含量,采用稀土微合金化处理技术,利用稀土元素净化、变质、合金化作用,研制出性能更加优异的高强韧性车钩铸钢材料,应用于铁路货车16型、17型车钩铸件及其相关配件,可满足日益提高的铁道货车重载高速的需求。

不同应变率下超高韧性水泥基复合材料力学性能

为了评估不同应变率对超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)力学性能的影响,采用不同的应变率(10^(-5)s^(-1),10^(-4)s^(-1),10^(-3)s^(-1),10^(-2)s^(-1)和10^(-1)s^(-1))对UHTCC进行了单轴压缩试验和四点弯曲试验,分析压缩峰值应力、压缩峰值应变、动态增强因子(DIF)、弯曲极限强度和峰值荷载处的挠度随应变率的变化规律。结果表明:在低应变率下UHTCC材料的压缩性能具有应变率敏感性,压缩峰值应力、压缩峰值应变、动态增强因子(DIF)、弯曲极限强度总体上随着应变率的增加而增加,而峰值荷载处的挠度随着应变率的增加呈下降趋势,在较低应变率下UHTCC材料具有较好的弯曲韧性。

一种高韧性水泥基复合材料单轴抗压应力-应变本构模型

为研究纤维材料对高韧性水泥基复合材料抗压性能及应力-应变本构关系的影响,设计制作四组标准立方体试件,并对其进行抗压试验,观察试件受力的全过程和破坏形态。结果表明,高韧性水泥基复合材料抗压性能较普通混凝土均有一定程度的下降;在受压过程中,高韧性水泥基复合材料剥落量较少,破坏后仍能保持一个整体;钢纤维高韧性水泥基复合材料试件抗压强度较高。用已有本构模型对系数进行修正,提出高韧性水泥基复合材料应力-应变曲线修正模型,修正模型计算结果与试验结果吻合良好,能够较好预测高韧性水泥基复合材料抗压趋势。

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．