应变和极化协同作用下裂纹尖端阳极溶解行为

金属材料在服役过程中,其表面裂纹的尖端会因受到应力作用而优先发生局部塑性变形;加之极化的共同作用,其与裂纹以外区域在腐蚀行为和腐蚀速率方面存在明显差异。本文使用自主设计的原位加载台,与扫描振动电极技术(SVET)和电化学工作站相结合,深入研究了酸性NaCl溶液中316L不锈钢裂纹尖端在应变和极化协同作用下的阳极溶解行为。结果表明:裂纹尖端是应力集中区,应变会导致裂纹尖端的钝化膜破裂及金属局部的快速阳极溶解。当金属处于开路电位或较低阳极极化电位下时,裂纹尖端新暴露的金属表面能快速钝化,导致总电流短暂上升然后迅速下降。在较高的阳极极化电位下,即使该电位处于316L不锈钢的钝化区,新暴露的金属表面也不能再次钝化,导致裂纹尖端局部位置持续的阳极溶解。在点蚀电位以上,316L表面会发生点蚀,由于应变新暴露的金属表面也不能再次钝化,导致裂纹尖端局部位置和点蚀处均为样品表面持续的阳极溶解区。

X80M钢管道全自动焊接接头裂纹尖端张开位移差异性

针对不同预热条件下X80M钢管道全自动焊接接头,开展了裂纹尖端张开位移(crack tip opening displacement,CTOD)的差异性研究.采用单边缺口3点弯曲试样进行CTOD试验,按照GB/T21143-2014标准和ISO15653-2018标准推荐的公式分别进行CTOD值的计算.结果表明,两种计算公式结果不同,采用ISO 15653-2018标准推荐公式计算CTOD值结果与GB/T21143-2014标准相比平均偏高35%,差异出现的原因是两种标准的修正方式侧重点不同,即GB/T21143-2014标准针对裂纹长度变化进行修正,而ISO15653-2018标准针对测试温度的影响进行修正.预热温度为80℃的接头试样CTOD值整体较低,其中按GB/T21143-2014标准计算有3个试样低于标准,最低为0.16 mm,按ISO 15653-2018标准计算有1个试样低于标准,最低为0.20 mm;预热温度为120℃时,所有试样在两种标准下计算的CTOD值均满足标准要求,焊接接头断裂韧性更好.相同预热条件下,熔合区试样CTOD值整体高于焊缝区试样,且CTOD最大值均出现于熔合区,具有较好的断裂韧性,熔合区CTOD值受组织不均匀性的影响,不同位置间存在较大差异,存在性能的不均匀性.

恒外载和膜致应力共同作用对焊接接头裂纹尖端应力场的影响

应力腐蚀开裂(SCC)是影响结构材料裂纹尖端力学状态的主要因素之一。文中针对恒外载和膜致应力共同作用下对焊接接头裂纹尖端力学性能的影响,建立了SCC寿命周期有限元模型,得出氧化物在不同裂纹扩展阶段裂尖力学场的变化。结果表明,在恒定外载荷和膜致应力共同作用下,从深度为5μm的划痕到尺寸为2 mm的裂纹,膜致应力产生的裂尖Mises应力所占比例由60%下降到2%,膜致应力产生的裂尖拉伸应力所占比例由57.2%下降到1.9%;在恒外载和膜致应力共同作用下,膜致应力会促进裂尖金属发生位错和运动,从而造成膜的破裂和基体金属的裸露,引起微裂纹的形核和扩展。

孔洞对疲劳裂纹扩展路径的影响

为了研究孔洞位置和尺寸对疲劳裂纹扩展路径的影响,利用ABAQUS有限元仿真软件建立改进CT试样的裂纹扩展仿真模型,采用扩展有限元法研究了在低周疲劳加载条件下Q235钢圆孔与裂纹尖端的角度、距离以及圆孔半径对裂纹扩展路径的影响,并通过引入裂纹偏转系数来定量描述不同参数对裂纹扩展路径偏转程度的影响。结果表明:当圆孔与裂纹尖端的夹角为45°时,裂纹偏转系数取得最大值;裂纹偏转系数随着孔洞半径的增加逐渐增大,随着圆孔与裂纹尖端距离的增大逐渐减小。

基于HRR场的疲劳裂纹扩展模型研究

针对实际工程中安全性与经济性的需求,基于Hutchinson-Rice-Rosengren(HRR)应力-应变场提出一种Ⅰ型疲劳裂纹扩展速率预测模型。采用HRR应力-应变场描述裂纹尖端区域的应力应变分布状态,在考虑循环载荷及应变能密度理论的前提下,定义一个裂纹尖端损伤区域;同时,为消除裂纹尖端的应力奇异值问题,建立考虑裂纹尖端钝化效应的钝化半径计算方法;结合RICE的塑性叠加法与塑性应变能失效准则,发展一种Ⅰ型疲劳裂纹扩展速率模型。利用所提LIUX(HRR)预测模型对9种金属材料裂纹扩展速率进行计算,与Pandey(HRR)与CHEN-CAI Rice-Kujawski-Ellyin(RKE)两种裂纹扩展预测模型计算结果进行对比分析。同时,基于R2拟合效果及疲劳裂纹扩展三阶段的不同需求,给出三种预测模型的预测结果,并从安全性、精确性及经济性三方面给出相应的评分。最终结果表明,LIUX(HRR)预测模型适用范围更广,拟合效果更佳,能够更好地满足实际工程中的经济性与安全性的需求。

基于显微DIC的谐振疲劳短裂纹尖端变形场演化规律

为研究疲劳短裂纹扩展机理,提出一种基于显微数字图像相关(DIC)的塑性金属材料谐振疲劳短裂纹尖端位移场、应变场和塑性区的测量方法,并对其演化规律进行研究。通过显微摄像系统采集疲劳裂纹扩展过程中谐振载荷最大点试件短裂纹图像;采用DIC方法获得裂纹尖端区域位移场和应变场的数据。通过虚拟引伸计技术结合位移场演化数据获得短裂纹扩展过程中裂纹尖端坐标,进而根据von Mises屈服准则和应变场数据确定裂纹尖端塑性区尺寸及演化规律并与Irwin模型的理论尺寸进行对比验证;采用电子背散射衍射(EBSD)技术测量典型塑性金属材料316不锈钢疲劳裂纹尖端的晶粒尺寸分布,进一步研究谐振载荷作用下疲劳短裂纹尖端区域沿晶粒尺度的位移和应变的演化规律。研究结果表明:提出的方法成功获取了短裂纹微米级变形场演化数据,为塑性金属材料疲劳短裂纹扩展特性的进一步研究和疲劳寿命预测提供了实验和理论支持。

12 mm厚TC4钛合金激光-MIG复合焊接头疲劳裂纹扩展行为研究

为探究12 mm厚TC4钛合金激光-MIG复合焊接头在不同区域的疲劳裂纹扩展行为,并分析微观组织与裂纹扩展之间的相互作用。利用体式显微镜、相显微镜、扫描电子显微镜和电子背散射衍射技术分别对接头不同部位的裂纹扩展速率,裂纹扩展路径的变化,接头不同区域的显微组织与裂纹扩展的交互作用和裂纹尖端周边组织的变形特征进行了深入探究。结果表明,在裂纹稳定扩展阶段,母材区域的裂纹扩展速率最大,分别是热影响区和焊缝区域裂纹扩展速率的1.16倍和1.81倍。当ΔK=20 MPa·m^(1/2),母材裂纹扩展速率为3.39×10^(-4)mm/cycle。裂纹尖端的IPF图表明,在焊缝区中存在的50°~70°的大角度晶界占比为36.36%,高于母材的11.91%和热影响区的11.65%,大角度晶界的存在使裂纹沿晶界偏转或消耗更多能量穿过晶界,增大裂纹扩展阻力,表现出较好的裂纹扩展抗性。母材和热影响区表现出沿晶脆性断裂和韧性断裂的混合断裂模式,而焊缝区主要呈韧性断裂模式。此外,EBSD分析结果表明,焊缝区裂纹尖端附近具有更高的几何位错密度,位错在马氏体边界聚集,导致裂纹沿晶界发生偏转,进一步阻碍了裂纹的扩展。施密特因子分析也表明,焊缝区组织间的取向差差异较大,导致其裂纹扩展门槛值较高。综上,焊缝区中存在的大量大角度晶界和高位错密度是焊缝区具有较高裂纹扩展抗性的主要原因。

国内外标准中裂纹尖端张开位移的计算结果差异

对12Cr1MoV钢板进行了不同试验温度下的断裂韧度测试,再按照3个标准分别计算了裂纹尖端张开位移,并分析其差异。结果表明:按照ASTM E1820—2020b和GB/T 21143—2014标准计算得到的裂纹尖端张开位移较小,而按照ISO 12135:2021标准计算得到的裂纹尖端张开位移较大。当材料的断裂韧性计算结果在裂纹尖端张开位移的最小允许值附近时,计算依据的标准不同,会导致判定结论的不一致。

材料塑性对裂纹尖端应力应变参量影响的分析

在工程领域中,裂纹尖端的应力应变状况是众多影响裂纹扩展的重要因素之一,材料塑性对裂纹尖端应力应变场又有着重大的影响。为此,本文利用ABAQUS有限元软件,以工程中常用的紧凑拉伸试样为基础,分析了材料塑性对裂纹尖端应力应变参量的影响;并对其应力强度因子(KI)和J积分(J)进行了必要的验证以确保模型的正确性;在所建模型的基础上对所得结果进行了分析比较,包括应力强度因子和J积分沿厚度方向上的变化规律,材料塑性对不同路径上应力和J积分的影响,以及材料塑性对裂纹尖端区域应力应变的影响等。研究成果为进一步研究裂纹尖端断裂过程区的应力应变状况,特别是材料参数对裂纹尖端场的影响提供了一定的理论基础。

裂纹尖端张开角及在输气管线止裂预测中的应用

介绍了一种近年来新发展的输气管线断裂控制参量———裂纹尖端张开角 (CTOA)的计算模型及方法。国际上计算输气管线动态断裂与止裂的PFRAC软件中视裂纹扩展速度为常数。针对这一问题 ,利用Alliance管线的实物爆破试验结果 ,通过分析和模拟提出了一种新的输气管线裂纹扩展速度的衰减模式 ,并引入到PFRAC计算程序中。采用改进的计算方法和程序 ,结合西气东输管线 ,研究了CTOA与止裂长度的关系 ,分析了输送压力、管材壁厚等因素对西气东输管线动态断裂及止裂的影响。

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。

正交各向异性功能梯度材料反平面裂纹尖端应力场

采用积分变换 对偶积分方程方法 ,研究了正交各向异性功能梯度材料反平面裂纹问题 .文中假定材料沿两个主轴方向的剪切模量成比例按双参数梯度模型变化 ,通过求解对偶积分方程并考虑变形Bessel函数的渐近特性 ,推导出了裂纹尖端应力场 .最后考察了材料非均匀性及正交性对应力强度因子的影响 .

正交异性双材料界面裂纹尖端应力场

通过构造新的应力函数,利用复合材料断裂复变方法,对正交异性双材料界面裂纹进行了研究.在特征方程组的判别式都大于零的情形下,推出了Ⅰ型界面裂纹尖端的应力场、位移场的理论公式,其结果没有振荡奇异性及裂纹面没有相互嵌入现象。

温度对结构钢材裂纹尖端张开位移(CTOD)的影响分析

裂纹尖端张开位移(CTOD)与钢材的弹性模量、屈服强度、几何条件和荷载大小等因素有关。结构钢材的相关力学指标随着温度发生变化,因此温度变化也会改变CTOD的数值。从含穿透缺口无限大受拉平板的Dugdale-Barrenblett模型(D-B模型)出发,推导出了温度对裂纹尖端张开位移影响规律的基本公式,并把分析进一步扩展到含跨中裂纹的三点弯曲试样。并对带跨中裂纹的三点弯曲试样进行了有限元分析和低温试验,其结果和公式进行了对比。结果表明,CTOD值随着温度降低而减小,温度对CTOD的影响程度与裂纹尖端的塑性发展程度有关。

X70管道钢裂纹尖端张开角的试验研究

高压富气输送管道要求发展管道钢的裂纹尖端张开角(CTOA)的测试方法。采用准静态的撕裂过程和长裂纹扩展长度试件,进行了X70管道钢的裂纹扩展试验,用摄像机跟踪拍摄裂纹扩展全过程,从获得的照片上直接测量出裂纹扩展全过程的CTOA值,分析了裂纹扩展中的断裂力学行为。试验结果表明:试件的韧带厚度越小,越容易获得稳定的扩展过程,且稳态裂纹扩展的CTOA值随试件韧带厚度的增加而增大,太厚的试件不易得到稳态扩展过程。韧带厚度为4mm、8mm试件的稳态的裂纹扩展阶段分别为7.6°、11.3°,裂纹扩展长度与韧带厚度比在4―25、4―10之间。

裂纹尖端张开位移试验在导管架建造中的应用

介绍了裂纹尖端张开位移(简称CTOD)试验方法,并按照英国BS7448规范,用CTOD试验技术,测试了板厚为90 mm的海洋平台导管架焊接接头的韧度,对三项焊接工艺进行了评定.结果表明三项焊接工艺的所有焊态焊接接头(包括焊缝和热影响区)试样的特征CTOD值,都大于设计规格书的要求.所评定的三项焊接工艺可以直接用于海洋平台导管架建造,焊后允许不进行热处理.

功能梯度材料裂纹尖端动态应力场

研究受反平面剪切作用的功能梯度材料动态裂纹问题，通过积分变换－对偶积分方程方法推出了裂纹尖端动态应力场，时间域内的动态应力强度因子由Ｌａｐｌａｃｅ数值反演获得。研究结果表明功能梯度材料的梯度越大，相应的裂纹问题的动态应力强度因子值越低．

电子束焊GH4169合金高温裂纹尖端张开位移试验

根据国标GB/T2358-94,对GH4169合金电子束焊接接头的高温(650℃)裂纹尖端张开位移(CTOD)进行了测试。取SE(B)试样进行三点弯曲试验,然后由所得到的650℃下母材和焊缝的P-V曲线来计算CTOD值,并对试验结果进行了讨论和总结。

III型定常扩展裂纹尖端的黏弹性——理想塑性场

假设扩展裂纹尖端的人工黏性系数与塑性应变率的幂次成反比,推导出理想弹塑性材料的一种率敏感型本构关系.假定应力和应变都具有相同的幂奇异性,对定常扩展裂纹尖端的应力和应变场进行了渐近分析.通过量级分析,讨论了弹性、塑性及黏性3者的匹配条件.对Ⅲ型动态扩展裂纹进行了具体的分析和计算,讨论了解的性质随各参数的变化规律.对相应的准静态问题进行了渐近分析,通过与裂纹扩展速度趋于零时的动态解相比较,表明准静态解是动态解的特例,从而解决了无黏性分析中动态解不能退化为准静态解的矛盾.分析与计算结果表明,黏性效应是扩展裂纹尖端场的一个重要因素.

与界面相交的裂纹尖端的应力奇异性分析

为了确定与结合材料的界面相交的裂纹尖端附近的应力奇异性次数 ,提出了一种基于最小势能原理的一维特殊有限元法 .以奇异点为原点半径为r0 的扇形奇异区域 ,可以简化为一维线性领域 ,即一条以代表结合材料的两个自由表面为端点的线段 .对该一维线性领域作网格划分 ,采用三节点一维等参数二次单元 .数值计算结果与已有理论解的比较表明 ,该方法具有很高的精度和效率 .最后 ,利用文中给出的方法 ,得到了各向异性结合材料中与界面以任意角相交的裂纹尖端的奇异性次数随裂纹角的变化规律 .