非晶合金理想裂纹预制方法及其在小试样$K_{\rm Ic}$测试中的应用

介绍了一种简单、低成本且可靠的方法在非晶合金中预制理想裂纹并应用于小试样平面应变断裂韧性的测试.近年来,非晶合金由于高弹性、高强度、耐磨及软磁性等优异性能 展示了广泛的应用前景.断裂韧性作为材料工程应用的一个重要指标,也引起了非晶合金领域的广泛关注. 然而,由于非晶合金的亚稳态结构以及最大可铸造尺寸的限制,目前关于非晶合金断裂韧性的测试还存在较大的挑战.一方面,铸造工艺造成的非晶合金热历史的差异、内部微孔洞和杂质等缺陷以及裂纹预制方式等都会显著影响其断裂韧性测试的可靠性;另一方面,非晶合金可铸造尺寸的限制使得目前绝大多数报导的断裂韧性值都是非平面应变的断裂韧性,导致即使是对于同种非晶合金,所报导的断裂韧性值也存在较大偏差.本文利用非晶合金在过冷液相温度下具有可热塑性成型的特性,对预制有缺口的非晶合金试样进行局部压缩成型,使得预制的缺口裂纹重新闭合形成类似疲劳裂纹的理想裂纹面.基于该方法对Zr基非晶合金进行断裂韧性测试,实验结果表明,随着试样厚度的增加,测试值迅速降低并趋向于一个定值.需要指出的是,通过设计实验使得试样在理想裂纹面区域形成局部凹陷,使得趋于定值的试样厚度远小于平面应变断裂韧性测试标准中的试样厚度要求.      

用环状裂纹圆柱试样测定铸镁合金的断裂韧度

本文介绍用轴对称环状裂纹圆柱试样测试铸造镁合金(ZM-5)的平面应变断裂韧度K_(1c)值,给出了满足脆性断裂条件的试样尺寸公式。文中还探讨了此种低σ_(0.2)和低韧度材料的线弹性断裂力学处理方法。     

高韧性合金钢断裂韧性及疲劳裂纹扩展门槛值的联合试验方法

在柴油机曲轴、连杆等关键零部件的可靠性设计和失效评估中,断裂韧性及疲劳裂纹扩展门槛值分别是衡量材料抵抗裂纹失稳扩展和裂纹开始扩展的重要指标．但是,对于高韧性合金材料,难以通过常规试验所推荐的厚度确定平面应变断裂韧性,而门槛值的测定通常不但非常耗时,且难以直接应用于不同循环特性的实际结构．本文针对高韧性合金钢34CrNi3MoA,提出一种将断裂韧性和疲劳裂纹扩展门槛值试验合二为一的试验方法,即用同一个试件可以同时测定门槛值和断裂韧性．利用断裂韧性关于试件厚度的渐近特性,以几种较薄试件的试验,确定平面应变状态下的断裂韧性．试验结果还表明,裂纹扩展门槛值的试件厚度依存性可以忽略,并给出了任意循环特性（应力比）下的门槛值计算公式．     

侧槽的拘束作用及对断裂韧性参量的影响

本文研究了侧槽对预制疲劳裂纹Ｃｈａｒｐｙ尺寸试样的拘束效应以及其对断裂韧性参量的影响。当侧槽深度大于临界值时，峰值载荷韧性Ｊｍ值与起裂韧性Ｊ１值基本相等。侧槽对试样的加厚作用可用试样的附加厚度表示，对于同样的侧槽深度，不同材料具有不等的附加厚度，试样取得最大附加厚度的侧槽深度为３３％。文中提出用拘束系数定量地估计侧槽对裂纹尖端的塑性拘束作用，能较好地解解放本试验结果。     

数字图像相关测试技术在霍普金森杆加载实验中的应用

本文利用三维数字图像相关(3D-DIC)测试技术,在Hopkinson bar加载条件下测试铝合金动态拉伸力学性能以及TC4合金Ⅱ型裂纹的起裂时间和冲击载荷下的失稳扩展速度。两台高速相机保证了被测物体的三维成像,校准板技术使得所测试的应变-时间历程定量化。利用数据处理软件能够得到关注区内每一点的位移-时间历程、应变-时间历程及主应变等。同时,针对TC4材料的动态断裂过程,三维数字图像相关技术能够实时地记录预制疲劳裂纹的张开、裂纹尖端起裂、裂纹分叉扩展、失稳传播等各个阶段,为动态断裂韧性的确定提供了有力工具。     

大变形条件下具有不同裂纹长度试件的断裂韧性J_C工程估算

本文首先通过有限元分析,在不同长度裂纹尺寸结构的临界破坏载荷下计算出临界断裂韧性值,然后从细观入手,在文献[1][2]等的工作基础上,通过理论推导得到了三维应力度参数R_σ与断裂韧性的关系。经过验证计算,证明该参数可用于描述结构尺寸效应的影响,能够在平面应变断裂韧性(参考值)的基础上,确定不同尺寸结构的临界断裂韧性J_C的值,适用于工程上的应用和推广。     

缺口件多轴疲劳寿命预估新方法

局部应力应变法(LSSM)以危险点处的局部应力应变历程进行寿命评价，忽略了非比例附加强化及缺口附近应力梯度对疲劳损伤的影响.论文通过分析裂纹萌生面(临界面)上剪应力和正应力分布状态，提出一种计算缺口件多轴疲劳损伤影响区的数学计算方法，建立考虑法向正/剪应力梯度与非比例附加强化效应的寿命预估模型.首先，基于能量法和临界面理论，借助坐标变换原理将应变能密度最大的材料平面定义为临界面，建立确定裂纹萌生方向的计算方法.其次，以临界面上特定路径为积分方向，将缺口件三维问题转化为线性问题，简化计算过程.综合考虑峰值应力和等效应力场强对多轴疲劳寿命的贡献度，建立表征缺口件多轴疲劳损伤演化过程的损伤参量.最后，通过TC4合金和Q345钢多轴疲劳试验验证论文模型的可行性和精确度，并与LSSM法、FS模型、SWT模型进行对比分析.     

求解I型裂纹构元J积分的半解析方法

表征裂纹尖端应力应变场程度的J积分是一个定义明确、理论严密的弹塑性断裂力学基础参量. 目前J积分的计算主要是依靠塑性因子法和有限元法,但对各类裂纹构元获得J积分以及载荷-位移关系的解析公式以实现材料断裂韧性理论预测和材料测试是断裂力学的重要和困难的任务. 以J积分为参量的材料断裂测试中应用最广的是I型裂纹试样的断裂韧性测试. 本文在平面应变条件下,针对断裂韧性测试中使用的6种I型裂纹构元,基于能量等效假设,提出了J积分-载荷和载荷-位移的工程半解析统一表征方法,进而结合有限元分析的少量计算获得J积分-载荷和载荷-位移关系的半解析公式待定参数. 分析表明,6种I型裂纹构元的J积分-载荷和载荷-位移统一公式的预测结果与有限元结果吻合良好. 新提出的J积分-载荷工程半解析公式包含了材料的弹性模量、应力强度系数和应变硬化指数,能够广泛适应不同的材料,且运用该公式能够方便获取任意载荷点对应的J积分值. 应用新方法可便于获得各类I型裂纹构元的J积分-载荷和载荷-位移工程半解析公式.      

试样尺寸对核电厂主蒸汽管道断裂韧性的影响研究

以某核电厂SA335 材料主蒸汽管道为研究对象,首先结合SA335 的断裂阻力曲线（J-R 曲线）试验测量结果,提出了一种方法确定韧性金属材料裂纹扩展模型（G-T 模型）中的主要微观参数：初始孔隙率0 f 和初始孔隙间距D;随后,在有限元计算中引入G-T 模型模拟了SA335 紧凑拉伸试样的断裂过程,讨论了试样尺寸对于J-R 曲线的影响．结果表明：试样厚度一致时,初始裂纹长度大的试样对应偏低的断裂韧性;当试样尺寸整体缩放时,较大尺寸的试样对应偏低的断裂韧性．最后,结合实例说明了试样整体尺寸对于主蒸汽管道临界裂纹长度的影响．     

反应烧结Si3N4陶瓷断裂韧性的实验研究

本文对反应烧结氦化硅 Si_3N_4陶瓷的断裂韧性进行实验研究,用三种不同试件进行了测试,这三种试件是:山形切口双悬臂粱试件,山形切口三点弯曲梁试件和直穿透切口三点弯曲梁试件.用有限元方法分析了直穿透切口三点弯曲梁切口宽度对应力强度因子的影响,结合断裂载荷测定值估算了材料的断裂韧性值,指出直切口无预制裂纹试件的测定值必须用有限元法进行修正才能得到正确结果.     

混凝土平面应变断裂韧度测试初探

本文对混凝土三点弯曲试验资料分析研究,通过详细数据计算得到混凝土平面应变断裂韧度(仅制备预制裂纹)的初步数值.并对混凝土平面应变断裂韧度的测试结果做了深入讨论.     

求解Ⅰ型裂纹构元J积分的半解析方法

表征裂纹尖端应力应变场程度的J积分是一个定义明确、理论严密的弹塑性断裂力学基础参量.目前J积分的计算主要是依靠塑性因子法和有限元法,但对各类裂纹构元获得J积分以及载荷-位移关系的解析公式以实现材料断裂韧性理论预测和材料测试是断裂力学的重要和困难的任务.以J积分为参量的材料断裂测试中应用最广的是Ⅰ型裂纹试样的断裂韧性测试.本文在平面应变条件下,针对断裂韧性测试中使用的6种Ⅰ型裂纹构元,基于能量等效假设,提出了J积分-载荷和载荷-位移的工程半解析统一表征方法,进而结合有限元分析的少量计算获得J积分-载荷和载荷-位移关系的半解析公式待定参数.分析表明,6种Ⅰ型裂纹构元的J积分-载荷和载荷-位移统一公式的预测结果与有限元结果吻合良好.新提出的J积分-载荷工程半解析公式包含了材料的弹性模量、应力强度系数和应变硬化指数,能够广泛适应不同的材料,且运用该公式能够方便获取任意载荷点对应的J积分值.应用新方法可便于获得各类Ⅰ型裂纹构元的J积分-载荷和载荷-位移工程半解析公式.     

CTOD试验焊缝表面开缺口试样裂纹前沿平直度研究

对于裂纹尖端张开位移(CTOD)试验,焊缝试样中预制疲劳裂纹前沿平直度直接影响了试样制备的合格率,是试验的关键难题之一．试验中常对试样进行预处理以提高裂纹前沿平直度,但由此也使试验结果与实际情况产生一定差异．本文深入研究规范BS7448: Part2中对焊缝试样取样方向的规定,对表面开缺口试样裂纹尖端焊接残余应力进行分析,运用大型有限元软件ANSYS模拟90mm厚钢板焊接过程,求解了横向残余应力沿板厚方向及焊缝方向的分布规律,研究出横向残余应力分布是影响焊缝试样预制裂纹前沿平直度的主要原因,并通过试验进行验证．试验结果表明,表面开缺口试样可不经过局部韧带压缩等预处理而得到合格的裂纹前沿平直度,试验不改变原焊缝残余应力,可测得更加接近焊缝实际情况的CTOD韧度值,给CTOD试验中合理选取焊缝试样取样方向提供了新思路．     

紧凑拉剪试样中Ⅰ/Ⅱ复合型穿透裂纹的三维特性分析

进行了Ⅰ/Ⅱ复合型载荷作用下航空结构铝合金CTS试样线弹性的全场三维有限元计算,分析了复合型离面应力约束因子Tz和面内约束T应力的分布特性,研究了厚度和载荷条件对应力各分量及应力三轴性水平Rσ、应变能密度U0的影响以及这些量在实验中观察到的裂纹起裂方向上的特点。结果表明：（1）平面内约束T应力在此种试样形式下为零;（2）复合型裂纹的三维效应区与厚度成正比,为0.4-0.5B,与载荷条件基本无关,但是厚度效应随着载荷角的减小逐渐变小,到II型载荷时基本消失;（3）离面约束因子Tz随着径向和厚度尺寸的增加逐渐减小,但在周向基本不发生变化;（4）最小应变能密度U0min的方位能够表征此种材料三维复合型断裂的裂纹起裂方向。研究结果为建立三维复合型断裂准则提供了理论基础。     

基于数字散斑相关法的紧凑拉伸试样断裂韧性实验研究

本文采用数字散斑相关方法对2A12T4铝合金紧凑拉伸试样的断裂韧性进行了实验研究。应用数字散斑相关方法计算了实验过程中试样的应变场、应力场以及位移场。针对实验所得的结果以及紧凑拉伸试样的裂纹特征,采用了矩形积分路径。选择沿裂纹方向和垂直裂纹方向的J积分路径,并且推导出各方向上J积分的数值计算公式。根据推导得到的公式选择不同的积分路径进行J积分的计算,得到了断裂韧性J0积分路径的合理选择范围,同时验证了J积分的路径守恒性。然后根据所得的路径选择标准,选择合理的积分路径,计算出2A12T4铝合金断裂韧性J0的值。将所得结果与国标计算的J0值对比,误差为1.22%,说明了此种方法的正确性。从而为数字散斑相关方法在紧凑拉伸试样断裂韧性的测试研究中提供参考。     

三维疲劳弹塑性弯曲裂纹塑性区研究

主要研究疲劳载荷作用下的三维弹塑性弯曲裂纹尖端的塑性区问题.用数值解法计算出三维弹塑性弯曲裂纹尖端交变塑性区于裂纹直线部分延长线上的投影长度的最大值和变化幅值,作图分析了三维弹塑性弯曲裂纹尖端交变塑性区尺寸的最大值和变化幅值与三维裂纹体几何尺寸之间的关系.三维弹塑性弯曲裂纹尖端交变塑性区的最大值和变化幅值随着三维裂纹体厚度的增大而减小,随着三维裂纹体厚度的均匀增大,三维弹塑性弯曲裂纹尖端塑性区的最大值和变化幅值不断减小,减小的幅度越来越小,最终趋于平面应变状态下的弹塑性弯曲裂纹尖端塑性区尺寸最大值和变化幅值.当三维裂纹体几何尺寸相同时,三维弯曲裂纹尖端塑性区的最大值和变化幅值随外载荷的不断增大而逐渐增大.建立了一个计算三维弹塑性弯曲裂纹交变塑性区的最大值和变化幅值的崭新理论模型.     

裂纹面摩擦接触引起的断裂韧性增长的研究

采用弹黏塑性的材料本构关系, 建立了压、剪混合型裂纹常速准静 态扩展的力学模型, 求得了裂纹面摩擦接触条件下裂纹尖端场的数值解, 并基于数 值结果讨论了扩展裂纹的摩擦效应. 计算和分析表明, 裂纹面的摩擦效应主要表现 在两个方面. 第一方面是摩擦会导致裂纹尖端区材料的断裂韧性增高, 并且裂纹面间的摩擦作用越强, 增韧效果越显著. 摩擦增韧的机制可以解释为裂纹 面间的摩擦作用导致裂纹尖端塑性区尺寸变大, 使裂纹尖端场的塑性变形能增加, 从而使得裂纹尖端区材料增韧. 摩擦生热并不是导致材料断裂韧性增长的根本机制. 第二方面是摩擦会导致``断裂延缓'. 利用裂纹面的摩擦来提高构件的承载能力和延长构件的服役寿命具有较大的工程实用价值.     

LC4CS板材表面裂纹断裂韧性的试验研究

用B=3、5、7和8毫米(W=10B,L=2W)LC4CS板材试件进行表面裂纹断裂韧性的试验研究,发现从启裂到断裂的整个过程中有严重的Pop-in现象;不同a/c和a/B的裂纹,启裂均发生在φ=10°～20°的二角处;计算二角处启裂时的表面裂纹断裂韧性K_(Ie),得到与B、α/c和α/B无关的稳定值,此值与板材的平面应变断裂韧性K_(Ic)值吻合.此外,还得到启裂时应力～裂纹深度归一化曲线:σ_IB~(1/2)=196e~(-2·0826a/B),并应用疲劳裂纹形状扩展规律:c=0.663(α)~(1·98),如测出疲劳载荷LC4CS构件表面裂纹半长c和板厚B,即可估算其断裂韧性K_(I(?))(或K_(Ic))值.     

基于ASME应变限制准则的小冲杆试验等效断裂应变

小冲杆试验(Small Punch Test,SPT)技术是一种新型微试样试验技术,通过极少量材料就能得到材料的许多力学性能。本文以压力容器常用钢材Q345R为研究对象,通过ABAQUS有限元软件模拟小冲杆试验过程,得到了小冲杆试样最先失效单元的应力三轴度;然后根据ASME防止局部失效的应变限制准则中求解多轴应变极限的方法,对小冲杆试验的等效断裂应变进行了研究。研究结果表明:基于ASME应变限制准则的等效断裂应变具有较大的保守性,作者所提出的修正应变限制准则参数的方法是可行的。此外,小冲杆试样的尺寸效应对等效断裂应变也有重要影响,使得计算的等效断裂应变比有限元模拟的应变值小。     

V型缺口裂端的三维应力状态及约束分析

利用三维有限元方法，研究了有限厚度板中V型缺口根部穿透裂纹前沿的三维弹性应力场。对不同厚度、不同缺口张开角和裂纹长度对应力强度因子及裂尖附近的三维约束程度的影响进行了分析，同时还讨论了三维约束区的大小。研究结果显示：当缺口张开角小于60度时，不同缺口的应力强度因子和离面约束因子的分布基本一致，角度的影响不明显。应力强度因子是厚度的函数，板中面的应力强度因子随厚度的增加逐渐减小趋近干平面值，最大为1．08倍的平面值。当板厚超过15倍的缺口深度时，应力强度因子最大值将从中面转移至接近自由表面位置，距中面约0．4倍板厚。三维约束非常明显的区域在裂尖前沿约0.45倍厚度的范围内．二维到三维的过渡区在裂尖前沿1.5倍厚度的区域内；在中面上三维效应影响区最大，随着离中面距离的增加逐渐减小，在自由表面上降为0。