先进高强度钢的断裂失效准则研究

先进高强度钢(AHSS)是通过相变获得高强度的应用前景最好的汽车轻量化材料.与传统深拉钢相比,AHSS韧性相对较低,在冲压成形过程中容易发生断裂,阻碍了它在汽车上的广泛应用,因而AHSS的断裂失效研究成为当前国内外研究的热点.论文以AHSS的代表钢种双相钢(DP)为研究对象,通过试验与数值计算相结合的方法研究其在不同三轴应力状态下的失效特性,尝试寻找一个适用于它的失效准则,用于其断裂失效的预测.     

Ⅱ型加载条件下页岩断裂行为的预测研究

实际工程中岩体往往处于Ⅰ型和Ⅱ型加载同时存在的状态,而这种复合加载条件下岩石断裂行为的预测较为复杂,也是迫切需要解决的问题。本文基于Ⅰ型加载条件下测试得到的页岩试样断裂韧度,应用MTS(Maximum Tangential Stress,最大切向应力)断裂准则对页岩试样在Ⅱ型加载条件下的裂纹起裂角以及断裂韧度进行了预测。为评估预测效果,通过Ⅱ型加载条件下2种尺寸页岩断裂试验,发现Ⅰ型断裂韧度随岩样尺寸变化的趋势不同,Ⅱ型断裂韧度基本没有尺寸效应。通过比较预测结果以及试验结果发现,利用传统的MTS断裂准则预测的理论值与试验测试值相差较大。在预测过程中断裂过程区尺寸的确定也是非常重要的,如果不考虑断裂过程区的尺寸效应同样会造成很大的预测误差。结合MTS准则确定的断裂过程区尺寸,利用GMTS(Generalized Maximum Tangential Stress,广义最大切向应力)断裂准则预测的岩样裂纹起裂角以及断裂韧度都与试验测试值非常接近。     

双相高强钢FeNiAlC的动态剪切行为及微结构机理

绝热剪切带是金属材料在高应变率载荷下常见的一种失效模式。利用霍普金森压杆装置,对双相钢Fe-24.86Ni-5.8Al-0.38C不同微结构的帽形样品施加冲击载荷,研究它的动态剪切变形行为及微结构机理。先通过对固熔处理得到的粗晶态样品进行大应变冷轧获得冷轧态样品,再使用透射电子显微镜和扫描电子显微镜表征两种样品冲击前后微结构的变化差异。结果表明,双相钢FeNiAlC拥有较优异的动态剪切性能,剪切强度达1.3 GPa,均匀剪切应变达1.5。变形前,材料由奥氏体相和马氏体相构成,马氏体体积分数约为20%。变形过程由位错滑移和孪生变形主导,但因应变速率较高致使马氏体相变被抑制。不同微结构样品内均形成绝热剪切带,带内发生动态再结晶,形成超细晶粒,平均晶粒尺寸约300 nm,且剪切带内不发生相变;冷轧态剪切带宽度的实验值（14.6 μm）与理论计算值(12.3 μm)较好吻合,而粗晶态剪切带宽度的实验值（14.6 μm）与理论计算值（30 μm）相差甚远,初步分析可能是因为粗晶态样品应变较大基本不满足完全绝热的理论条件。在变形过程中,粗晶态因塑性变形做功产生的绝热温升高达720 K,而冷轧态的只有190 K。通过实验结果与热塑模型分析,得出绝热温升不是形成绝热剪切带的唯一因素,而应考虑材料的微观结构和局部化变形等的共同影响。     

不同骨料混凝土剪切断裂试验及数值分析

利用四点剪切加载的试验方法对不同骨料混凝土的双边切口试件进行了详细的试验研究。研究表明骨料不同的混凝土试件,其宏观断裂行为存在很大的不同,并且P-Δu曲线呈现出较大的差异,从而为进一步研究混凝土的断裂机理提供了参考。本文在试验研究基础上,建立了与试验模型相对应的三维有限元模型,利用有限元工程分析软件,对混凝土四点剪切的断裂力学行为进行了分析。结果表明,由于混凝土材料本身力学性能的特殊性-其抗拉强度较其抗压抗剪强度要低得多,所以裂纹尖端处的应力场分布状态是导致混凝土纯剪加载下的张拉破坏和剪切破坏的主要原因。     

管道大范围屈服断裂评估的研究现状与进展

高强度、高韧性管材的大量应用, 提出管道大范围屈服断裂问题. 针对现有的断裂力学方法应用于管道大范围屈服断裂评估的局限性, 分别从双参数断裂力学、基于约束校正的断裂韧性测试、基于应变的断裂评估和基于应变的失效评估图4个方面详细地介绍了管道大范围屈服断裂评估的研究现状. 指出目前基于约束校正的管道断裂韧性测试的主要方法是SENT试件方法和表观断裂韧性方法, 评述了基于SENT试件约束校正的断裂评估研究现状及存在的问题. 阐述了基于应变断裂评估的基本原理, 并从驱动力方程和CTOD失效准则两方面介绍了基于应变的断裂评估方法的研究工作成果. 最后提出了需要进一步研究的问题.      

内爆炸载荷作用下7A55铝合金的动态性能及断裂行为

采用圆筒爆炸实验研究了内爆炸载荷作用下7A55铝合金的动态性能,用扫描电镜和光学显微镜 对破裂样品的断口形貌、金相组织等进行了微观分析。结果表明:在本文实验条件下,7A55铝合金能够承受 360MPa的内部爆炸加载;合金的断裂方式为剪切断裂,裂缝与筒壁的径向近似成45角;靠近圆筒内侧组织 中存在剪切变形带、绝热剪切带和裂纹,沿最大剪切应力面向外扩展。     

降载勾线法在高强钢疲劳断裂试验中的应用

制作高强钢特征试件,在压、弯应力共同作用下进行疲劳断裂试验;结合疲劳辉纹产生机理,采用降载勾线法在试件断面制造出“海滩状花纹”;利用CAD软件描绘断面形貌并测量裂纹长度,用Newman-Raju理论进一步研究表面裂纹扩展的规律,并与试验值比较.结果表明降载勾线法可以解决高强度钢表面裂纹不易测量及断面难以观测到疲劳辉纹的问题;采用Newman-Raju公式模拟压弯组合应力下表面裂纹扩展形貌是合适的,但由此计算的疲劳寿命偏于保守.另外,当压弯应力比值较小时,计算扩展形貌时压应力可以忽略,而计算疲劳寿命时压应力不可忽略.     

水工结构高强钢筋混凝土梁受剪性能试验研究

通过对12根配置高强箍筋的混凝土梁在集中荷载作用下的受剪试验,研究梁的挠度、箍筋应变、斜裂缝扩展规律及破坏形态。依据现行《水工混凝土结构设计规范》,对比分析试验梁斜截面承载力及考虑荷载长期作用的正常使用阶段斜裂缝宽度。研究结果表明,配置高强箍筋的混凝土梁斜向开裂规律和受力特征与普通钢筋混凝土梁基本相同,受剪承载力可按现行《水工混凝土结构设计规范》公式计算,且有较高安全储备。当考虑荷载长期作用,HRBF500钢筋在水工结构中抗拉强度设计值取360MPa时,斜裂缝宽度满足正常使用极限状态要求。     

高强混凝土热-力响应的断裂相场分析方法研究

高强混凝土(High-Strength Concrete, HSC)的力学性能受温度影响较大,尤其在高温环境下性能衰退剧烈,因此在结构分析中宜采用随温度变化的材料性能参数．断裂相场方法基于Griffith变分断裂准则,无需复杂的裂纹拓展追踪技术便可处理多裂纹的问题,可方便地模拟裂纹的萌生、扩展、分岔及汇合过程．本文采用适宜进行结构断裂分析的断裂相场方法,基于能量泛函变分原理,将温度对混凝土材料弹性模量及断裂能的影响引入断裂相场分析方法中,用于高强混凝土高温环境下的强度和破坏分析．以高温作用下高强混凝土梁三点弯曲试验为算例,进行方法验证,通过与实测结果对比,证实了算法的有效性．     

几种金属材料宏观断裂形式的试验研究

总结了几种金属材料在常规破坏试验过程中的断裂现象，分析了不同材料不同应力三维度下的几种宏观断裂形式，结果表明，金属材料在不同受力形式下，随应力状态参数Rσ从大向小变化，断裂机理从穿晶脆断，向以孔洞扩张聚合、局部剪切带的扩展转化，材料可能依次发生解理脆断、孔洞正断、有孔洞影响的剪断、无孔洞影响的剪断等四种断裂形式，材料断裂危险点与断裂条件也随着发生变化。     

基于临界距离点法的混凝土Ⅰ型断裂韧度的预测

混凝土的断裂韧度是极为重要的断裂力学材料参数,本文利用临界距离理论(TCD)中的点法和混凝土标准断裂梁试样裂缝尖端应力场的近似解,提出了一种对混凝土断裂问题按临界距离的点法进行分析的方法.基于已有文献的试验材料及其实验结果,分析了这种断裂研究分析方法的可行性.将临界距离点法与双K断裂准则应用于几何相似的混凝土梁的断裂韧性和断裂过程区分析,验证了TCD点法的可靠性.实验表明:临界距离理论的点法能够获得比双K断裂准则相对安全的失稳断裂韧度,利用临界距离法还可得到相应断裂过程区长度的极限估算值.     

焊接热影响区断裂性能试验研究

钢框架梁柱节点在最近几次地震中经历了大量断裂破坏现象。可以采用杆端非线性弹簧模型对这种破坏模式进行数值模拟。为了确定断裂分析模型的参数，本文进行了结构钢（Q235c,Q345c)焊接热影响区断裂性能试验研究，获得了两种材料在焊接热影响区的JR阻力曲线。通过比较不同的断裂准则，考虑了裂纹失稳扩展前的稳态裂纹累计，根据J积分撕裂模量法建立了裂纹失稳的失效评定图。采用两种材料分别制作了一组外形尺寸一致，初始裂纹尺寸不同的单边裂纹焊接板，测出相应的极限拉伸应力，并和理论曲线进行了对比。最后，对于本文研究结果的适用范围做了说明。     

外部爆轰加载过程中金属圆管断裂实验研究

利用脉冲X光照相技术和高速摄影对HR 2抗氢钢圆管在外部爆轰加载下的压缩过程进行了动态诊断。X光照相观察到抗氢钢圆管在压缩过程中管壁内出现了宏观裂纹 ,回收破片具有显著的剪切断裂特征 ,金相分析观察到了绝热剪切带及微孔洞与微裂纹。对半圆管结构的压缩过程进行了高速摄影 ,直接观测到抗氢钢圆管内壁裂纹萌生与发展的动态过程。由两种动态诊断实验结果对比分析推断 ,抗氢钢圆管在外部爆轰加载压缩过程中 ,裂纹首先在圆管内壁生成。     

片岩损伤裂隙系统生成及裂隙率间接定量表征方法研究

在岩石试验机上对标准片岩试件进行轴向预压,使试件内部微裂隙自由扩展、连通,以模拟工程扰动形成的损伤裂隙系统．采用纵波波速间接定量表征片岩试件的损伤,从而得到含有一定损伤裂隙系统的标准片岩试件,用于研究经受一定损伤作用后岩石的物理、力学等特性．对预压后的试样进行冻融循环试验,并对不同冻融损伤状态下的试件进行超声波测试和单轴压缩。经非线性回归分析发现,纵波波速和单轴抗压强度之间相关性显著．研究方法和成果对于岩石损伤的定量表征和含一定损伤岩石试件的制备具有指导意义．     

Failure loads of spot weld specimens under impact opening and shear loading conditions

Failure loads of spot weld specimens are investigated under impact combined loading conditions. A set of test fixtures was designed and used to obtain failure loads of mild steel spot weld specimens under combined opening and shear loading conditions. Three different impact speeds were applied to examine the effects of separation speed on failure loads. Micrographs of the cross-sections of failed spot welds were obtained to understand the failure processes in mild steel specimens under different impact combined loads. The experimental results indicate that the failure mechanisms of spot welds are very similar for mild steel specimens at various impact speeds. These micrographs show that the sheet thickness can affect the failure mechanisms. For 1.0 mm specimens, the failure occurs near the base metal in a necking/shear failure mode. For 1.5 mm specimens, the failure occurs near the heat-affected zone in a shear failure mode. Based on the experimental results, the effects of the inertia force, the separation speed, and the loading angle on the failure loads of spot welds are investigated. Failure criteria are proposed to characterize the failure loads of spot welds under impact combined opening and shear loads for engineering applications. The failure load can be expressed as a function of the tensile strength of the base metal, the nugget size, the sheet thickness, the maximum separation speed, the loading angle, and empirical coefficients for a given welding schedule.     

几种金属材料断裂条件的试验研究

考察了几种金属材料在常规破坏试验与拉-扭双轴破坏试验中，随受力条件不同，材料不同形式断裂破坏变化规律和相应的断裂条件；利用几种韧性材料复合型断裂试验结果，分析了随应力三维度变化，材料中孔洞成核形状与聚合方式的变化规律，分析了不同断裂形式时启裂点、启裂方向变化规律及主要影响因素。研究表明，从材料断裂物理机制来看，裂纹体与无裂纹体断裂破坏实质是相同的，随材料塑性因素与应力三维度变化的影响。材料内孔洞成核形状由椭球形逐渐变化为细长形，材料断裂由正拉断转向剪断，裂纹体与无裂体材料的断裂形式、断裂危险点、危险点上断裂方向等宏观量也有着相同的变化规律；区分不同物理机制建立断裂条件，可能适合解决金属材料不同形式的断裂力学问题。