试样厚度对韧脆转变温度区间的影响

根据BSI 7448 Part Ⅰ标准,测定了海洋平台用钢E36以裂纹尖端张开位移(CTOD)为表征的韧脆转变温度曲线.通过改变试样厚度,研究面外拘束对韧脆转变温度区间的影响并分析了其变化规律.结果表明,E36钢具有典型的韧脆转变特征,其韧脆转变温度曲线可以用Boltzmann函数进行拟合,具有良好的相关性;试样厚度越大,韧脆转变温度越高,断裂性能下降.通过有限元模拟分析三维裂纹尖端应力状态,选择了面外拘束参数T_z,用来阐述厚度效应对韧脆转变温度的影响,具有良好的相关性.

高温结构蠕变裂尖拘束效应

如何对蠕变裂纹扩展寿命进行准确预测和评价是高温结构完整性评定、寿命设计和运行维护中需要解决的核心问题.基于宏观单参数C~*的蠕变断裂行为的评价方法,未有效纳入裂尖拘束效应的影响,因而其评价结果过于保守或非保守.目前国内外还未建立起有效纳入裂尖拘束效应的高温结构蠕变寿命评价的理论体系和技术方法,还没有纳入蠕变拘束效应的高温结构完整性评定规范.本文综述了作者近年来在高温蠕变断裂拘束效应方面的研究工作.主要包括:裂尖拘束对材料蠕变裂纹扩展行为的影响及机理;蠕变裂尖场和拘束参数R的定义和影响因素;载荷无关的蠕变拘束参数R~*的提出及其应用基础;承压管道表面裂纹的拘束参数R~*解及纳入裂尖拘束的蠕变寿命评价方法;试样与管道轴向裂纹蠕变裂尖拘束的关联;基于裂尖等效蠕变应变的面内与面外蠕变裂尖拘束的统一表征参数A_c的研究;材料拘束相关的蠕变裂纹扩展速率的建立;宽范围C~*区蠕变裂纹扩展速率及其拘束效应的数值预测;材料拘束对焊接接头蠕变裂纹扩展行为的影响及机理等.这些研究为建立纳入裂尖拘束效应的高温部件的蠕变裂纹扩展寿命评价方法奠定了理论和技术基础.论文对后续拟开展的工作也进行了展望.

焊接残余应力对含缺陷管道K-T值的影响研究

为给含缺陷焊接管道脆性断裂的进一步研究提供基础,本文采用本征应变与局部应力相结合的方法模拟了两种典型的焊接残余应力,并计算了含内表面环向裂纹的管道分别在这两种残余应力作用下的应力强度因子K和裂尖约束应力T。计算结果表明:管道厚度方向的应力分布决定了裂纹根部的K-T值,沿着管道厚度呈拉应力分布的残余应力对应较大的K值与较小的T值,而沿着管道厚度总体呈弯曲分布的残余应力对应较小的K值与较大的T值;在残余应力分布和管道厚度都相同的条件下,管道内径对K-T值的影响随着裂纹深度的增大而加强。

平面应力裂端约束与J控制裂纹稳态扩展

利用有限元法计算模拟了紧凑拉伸和中心裂纹两种试样在Ⅰ型平面应力条件下的裂纹准静态扩展过程。结果表明:两种不同的薄板试样中扩展裂纹尖端约束和应力场完全满足静态裂纹HRR奇异性解的相应要求,即对于扩展裂纹J主导裂端场条件依然有效。值得注意的是:与平面应变情形相反,在平面应力条件下,较高的J主导水平发生在纯拉伸条件下,而较低的J主导水平发生在纯弯曲条件。由两种试样实测及有限元计算模拟的平面应力J阻力曲线符合良好。因而,作为一个独立于试样几何的准则,平面应力J阻力曲线适于表征材料抵抗裂纹稳态扩展阻力,并且能够合理地用于评估给定材料状态条件下的薄壁含裂纹构件和结构的安全性。

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。

基于裂尖等效塑性应变的面内与面外统一拘束参数的研究

为提高核电设备缺陷评定的准确性,需要考虑裂尖拘束对材料断裂韧性的影响。如何找出一个统一的参数以表征复合拘束,是目前断裂力学研究的主要问题之一。本文采用有限元模拟的方法,分析了εp等值线所围面积作为统一拘束参数的可行性。结果表明:εp等值线所围面积APEEQ与不同面内、面外拘束条件下材料的断裂韧性都有很好的关联性,因而它可能用来统一地表征复合拘束。用标准试样作参考,基于APEEQ定义了一个新的统一的拘束参数Ap。材料的标称化断裂韧性JIC/Jref与Ap呈直线关系,并与所选择的εp等值线无关。JIC/Jref-Ap直线关系对于材料是唯一的,不同材料的JIC/Jref-Ap直线斜率不同,斜率大的材料对拘束更敏感。该直线可能用于评价实际结构中不同拘束条件下裂纹缺陷的安全性。

基于拘束的X80钢裂纹扩展阻力曲线构建

对于管道中的裂纹,由于其裂纹尖端拘束水平低,使用单边缺口弯曲试样、紧凑拉伸试样所测得的裂纹扩展阻力曲线对管道进行断裂评估,得到的结果趋于保守.文中采用裂纹深度不同的单边缺口拉伸试样,探讨了裂纹深度对裂纹扩展阻力曲线的影响.采用有限元分析,计算了裂纹深度不同的单边缺口试样的裂纹尖端拘束水平.最后,基于裂纹尖端的拘束水平,所构建的裂纹扩展阻力曲线能更加准确地表征管道中裂纹的扩展阻力曲线.

三维复合型断裂的试验方法探讨

探讨了一种能够揭示三维复合型断裂现象并能记录这些现象的三维复合型断裂研究的实验方法,用此方法完成了LC4-CS航空结构铝合金不同厚度紧凑拉伸试样的 + 复合型断裂试验.结果表明:此方法能够简便地确定出复合型裂纹的起裂载荷、破坏载荷、裂尖张开位移、滑移位移和起裂角,基本解决三维复合型断裂研究所需实验数据问题.同时发现此种材料试样的承载能力和起裂方向的确具有明显的厚度效应.

LC4CS铝合金三维复合型断裂的试验研究

设计并完成LC4CS铝合金 2mm、4mm、8mm、14mm等四种不同厚度紧凑拉伸试样的Ⅰ +Ⅱ复合型断裂试验 ,得到各个厚度下不同加载条件时不同加载条件的载荷位移曲线和裂纹起裂角。结果表明试样厚度和载荷复合比对试样的承载能力、裂纹起裂角均有明显影响 ,纯Ⅰ型载荷下薄试样的承载能力好于厚试样 ;Ⅰ +Ⅱ复合载荷条件下 4mm的承载能力最大 ,2mm和 8mm接近 ,14mm最小 ;纯Ⅱ型载荷条件下各厚度的承载能力基本一致。 2mm试样的起裂角值与 14mm试样的值很接近 ,4mm试样的值略高 ,8mm试样的值低得多。基于平面假设基础上的最大周向应力准则能够很好地预测 2mm薄试样和 14mm厚试样的裂纹起裂角 ,但预测 8mm中间厚度时误差很大。此结果为建立三维复合型断裂准则提供必要的试验基础。

CTOA测试中的约束分析

针对实验研究约束不易操作、难以测量的状况,采用有限元Gruson孔洞模型建立SENB试件、CT试件和MCT试件的有限元模型,研究试件类型、厚度对裂尖轨迹的影响,以及试件厚度、裂纹扩展量和约束表征参数对裂尖约束的影响。研究结果表明:试件类型对于裂尖轨迹影响较小,试件厚度对裂尖轨迹影响显著;约束沿厚度方向和裂纹扩展方向变化明显,全局约束因子αg和应力三轴度Am等效,该结论对CTOA测试及理论分析有较大的理论价值和指导作用。

过渡状态下材料断裂韧性的计算方法

材料的断裂韧性对于损伤容限设计和评估技术非常重要,但采用传统的试验方法获得过渡状态下材料的断裂韧性需要大量的时间和费用.针对这些不足,提出了一种过渡状态下材料断裂韧性的计算方法.分析了三维裂纹尖端的三轴应力约束参数,利用材料断裂能量准则研究了断裂韧性与拉伸性能之间的关系,得到了在三向应力状态下Ⅰ型裂纹体断裂破坏时的断裂韧性与材料单向拉伸性能参数之间的关系表达式和过渡状态下材料断裂韧性的计算方法.计算了2219-T87铝合金在过渡状态下的断裂韧性理论值,并将其与试验结果和经验公式计算值进行比较.结果显示,理论计算值处于试验点范围内,小于经验公式计算值,且偏于安全.

裂尖大变形条件下的约束研究

通过对面内应力比T_x和离面约束T_x在塑性区分布规律的深入分析,发现约束在塑性区不同区域的影响是不同的,在裂尖的钝化区,面内应力比T_x起重要作用,而在钝化区外的塑性区内,离面约束T_x起主要作用;在J-Q理论的基础上引入离面约束T_z可以很好地描述钝化区以外的应力应变分布,在钝化区内引入面内应力比T_x可以对裂尖前方的应力应变进行大变形分析和描述。研究表明综合两个约束的共同作用,可以很好地描述大变形条件下裂尖前方的应力分布。

一种测定裂纹体约束因子的实验方法及应用

介绍了一种确定裂纹体约束因子的实验方法。这种方法先在一个断裂韧性试样上同时测定J积分值和裂纹尖端张开位移值δ,然后用J积分值和δ值计算出裂纹体的约束因子。用这种实验方法,测定了海洋平台用钢DH40的三点弯曲试样的约束因子,测定了用于海洋平台导管架建造的两项焊接工艺的焊接接头热影响区的三点弯曲试样的约束因子。文中的实验方法,结果准确可靠,使用方便。

Ⅰ型裂纹试件裂端三维应力结构分析之一——裂端约束参数与断裂参数分析

本文利用大型通用结构有限元分析程序ADINA对16Mn材料制的两种不同厚度的Ⅰ型CT试样进行了计算与分析,结果表明,厚度方向的约束状态将试样分成两部分:具有相同约束状态的心部高约束区(Z_1)和约束显著变化的外边缘区(Z_2);有限元计算和实验测定结果证实了这两部分分别与试样断口上的纤维区及剪切唇相对应.所以,Ⅰ型裂纹试件裂端应力、应变场可分别通过这两个区域加以分析获得.本文对一些断裂参数如裂纹尖端张开位移(CTOD)和空穴扩张比(V_g)参数也进行了考察,结果表明这两个参数在厚度方向有相类似的变化规律,在一定程度上都可反映试样的厚度效应及外载荷水平效应.

基于裂尖张开位移的统一拘束参数与材料断裂韧性的关联

为发展可同时纳入面内/面外拘束的结构断裂评定新方法,需要研究便于工程计算和应用的统一拘束参数,并建立其与材料断裂韧性的关联。基于裂尖张开位移(CTOD)定义了一个新的拘束参数A_d,采用有限元法计算了核电压力容器用A508钢不同面内和面外拘束的SEN(B)和C(T)试样在断裂J积分J_c下的A_d,研究了A_d与A508钢断裂韧性的可关联性。研究发现,不同面内/面外拘束试样的断裂韧性J_c/J_(ref)数据和拘束参数A_d之间可以形成一条与参考试样无关的关联直线,表明A_d可以同时纳入面内与面外拘束。A_d参数便于测量和计算,其可望成为一个便于工程应用的统一拘束参数;A_d参数与材料断裂韧性J_c/J_(ref)之间的关联线可望用于结构(如压力容器和管道等)纳入面内/面外拘束效应的断裂评定,以提高传统不考虑拘束的断裂评定的精度。

钢桁架桥斜拉杆螺栓裂纹尖端三维应力场研究

运用有限元分析软件建立了钢桁架桥三维仿真模型,研究受拉力最大的斜拉杆螺栓裂纹尖端空间应力场,分析了主拉应力、应力强度和van Mises应力沿三个方向的变化规律,并拟合得到离面约束因子Tz与r/t(距裂尖距离/板厚)之间的关系式.研究结果显示裂纹尖端应力集中现象突出,应力集中系数大于4;裂纹表面与内部的扩展前沿不一致,斜拉杆翼缘板偏桁架外侧裂纹扩展更快,易在螺帽内形成具有隐蔽性的类椭圆裂纹;三维应力约束的影响范围在板厚的60%以内.

非均质焊接接头的裂纹尖端拘束与J积分应用的可行性

采用弹塑性大变形有限元方法，分析了平面应力状态下非均质焊接接头中以应力三轴度表征的裂纹尖端拘束．结果表明，接头中裂纹尖端拘束不能满足ＨＲＲ场要求而显示出与接头匹配、裂纹长度和裂纹模型有关的复杂演化规律．因此。

强度匹配对焊接钢管断裂韧性影响的有限元分析

为了研究焊接过程中强度匹配对焊接接头断裂韧性的影响,以弹塑性断裂力学理论为基础,基于细观塑性损伤模型,应用ABAQUS软件对大范围屈服条件下的全周向内裂纹管采用轴对称模型及基于小范围屈服的修正边界层模型(MBL)分别进行有限元模拟分析计算。研究结果表明:高配且匹配系数越高,焊接接头的断裂韧性及阻力曲线越高;随匹配系数增加,失配约束M减小,管子的断裂韧性增大;不同强度匹配引起的失配约束差异随裂纹扩展而增大。

Effect of three dimensional stress state on unstable fracture condition and crack opening level in a new crack growth model

A new model for the analysis of fatigue crack growth in the metal structures was proposed. This model shows a promising capability of explaining various fatigue phenomena. The new crack growth model is further completed by a continuous empirical formula for estimating the value of variable fracture toughness during crack propagation and a modified continuous equation for the crack tip stress/strain constraint factor used to calculate the stress intensity factor at the opening level. The prediction results are proved to agree well with the observed phenomena in test.

高钢级管道环焊缝断裂韧性与裂尖拘束关系

基于细观损伤力学理论,采用数值仿真方法建立了单边缺口拉伸与单边缺口弯曲的环焊缝裂纹扩展阻力数值仿真计算模型,针对低强、等强以及高强3种焊缝强度匹配条件,分别计算了面内、面外耦合拘束条件下以裂纹尖端张开位移为表征的环焊缝断裂韧性,比较了不同裂尖拘束参数描述断裂韧性与拘束关联的合理性。结果表明,采用应力三轴度所建立的拘束—断裂韧性关联性较差,而采用裂尖等效塑性区面积作为拘束参数能够较好描述面内、面外拘束对材料断裂韧性的影响。因此,建立了以裂尖等效塑性应变等值线围成区域面积作为拘束参数,用以表征面内、面外拘束与环焊缝断裂韧性的统一关联;进一步采用宽板拉伸试验结果与全尺寸管道环焊缝的有限元计算结果验证了建立的拘束—韧性关联的稳健性。