含氢气体环境中管线钢材料氢相容性评价的力学性能关键指标研究

本文在不同分压氢气环境中对材料为X42,X52,X60,X70和X80的管线钢材料进行慢应变速率拉伸、断裂韧性和疲劳裂纹扩展测试,研究了含氢气体对管线钢强度、塑性、断裂韧性和疲劳裂纹扩展速率等性能的影响,讨论了氢分压对管线钢材料氢环境相容性的影响,提出了适于管线钢氢环境相容性量化评价的关键力学性能指标和相应的指标测试方法,以便科学评估管线钢材料对氢环境的适应性。

     

基于态型近场动力学的淬火陶瓷破坏过程分析

基于态型近场动力学理论进行复合陶瓷板淬火破坏过程力学建模与分析。引入热膨胀项反映材料的热致变形,基于物质点对的断裂定义损伤,构建三维非局部常规态型近场动力学热弹脆性模型,结合多速率显式积分法计算热-力耦合,实现热冲击荷载作用下陶瓷板起裂和裂纹扩展全过程的模拟。通过模拟典型淬火Al₂O₃陶瓷板的破坏过程,并与实验和其他数值结果对比,验证了该模型和方法。使用该模型研究了含不同α-Al₂O₃纤维掺杂比率的Al₂O₃复合陶瓷板淬火破坏过程,结果表明,断裂韧性的提高显著减少了裂纹数量并延后起裂时间;含5%α-Al₂O₃纤维掺杂比率的复合陶瓷材料综合力学性能最优,能够有效提升构件抵抗热冲击荷载能力。     

铁素体/珠光体组织对管线钢中氢扩散行为的影响

长距离管道输送是氢气输送的重要发展方向之一。氢在管线钢的扩散和局部聚集导致材料力学性能下降,在外界作用下引发脆性失效。因此,氢在管线钢材中的扩散和富集是评价管线钢相容性与判断管道升级可行性的重要参考依据。以三种不同等级的管线钢（X52,X65,X70）共22种材料为研究对象,结合图像处理技术与基于材料内铁素体/珠光体组织结构的连续介质数值计算,推算长期服役后结构内部氢的扩散和富集。考虑到铁素体和珠光体组织中的氢扩散速率与晶界的扩散阻碍作用,通过对比量化不同铁素体/珠光体的结构分布和组织取向下氢质量浓度和扩散通量的差异,分析铁素体/珠光体组织对管线钢中氢的扩散和富集作用,为长距离输氢管道材料选用提供技术参考。

     

加载速率和几何尺寸对国产A508-III钢断裂行为影响的实验研究

由加载速率和几何约束改变而引起的压力容器钢韧脆转变问题是核能安全领域亟待解决的关键问题. 为了准确分析国产A508-III钢的动态断裂行为, 借助INSTRON VHS高速材料试验机, 开展了不同加载速率和几何尺寸条件下的国产A508-III钢的断裂韧性试验, 研究了加载速率和几何尺寸等因素对国产A508-III钢动态断裂韧性的影响. 研究表明, A508-III钢具有良好的抗冲击韧性, 随着加载速率的提高, 试样的总冲击吸收能基本保持恒定, 裂纹萌生吸收能量不断上升, 而裂纹扩展吸收能量呈下降趋势. J-Δa阻力曲线和条件起裂韧性J_Q随着几何约束的增加而降低, 随加载速率的增加而升高. 当达到某一临界速率时, 条件起裂韧性J_Q基本恒定, 试样断裂方式也由韧性断裂转变为韧?脆?韧混合断裂. 由于出现混合断裂模式, 发生脆性断裂时的最大J积分值J_max更适于描述国产A508-III钢的断裂韧性演化规律. 随着试样面外几何约束的降低, J_max随Δa_m的增加而线性增大. 试样面内几何约束越高, J_max与Δa_m之间的线性关系斜率越大. 随着试样几何约束的增加, 材料的韧脆转变速率增加, J_max值下降. 改变几何约束只能在有限的加载速率范围内改变材料的断裂方式, 当加载速率超过某个临界值时, 加载速率成为影响材料断裂方式的主要因素.      

基于CTOD/CTOA管道钢断裂韧性测试方法研究进展

高级别管线钢的一大特点是韧度高,导致管材裂纹尖端周围经常处于大范围屈服状态,现有基于高约束试件的断裂韧性测试方法,很难满足新型管材的断裂韧性测试要求. 本文回顾了基于CTOD 和CTOA的断裂韧度参数,详细介绍了管道钢断裂韧性测试方法的研究现状和发展趋势,分析了影响管道钢断裂韧性测试准确性的各种因素,为管道钢断裂韧性的测试提供帮助.     

高聚物粘结炸药断裂特性实验研究

研究了高聚物粘结炸药在室温下的断裂特性 ,结果表明这类材料的断裂韧性与裂纹长度有关 ,所测试的断裂韧性值随着裂纹长度的增加而降低 ,并且不趋于一个较稳定的值 ,这与金属材料的结果不一样。断面观察发现断面上有分布的颗粒 ,且周围与基体界面的微裂纹使得材料的断裂性能降低。分析表明 ,对工程应用来讲 ,可以选取 0 .2a/W 0 .3范围内的裂纹长度来确定这类材料的断裂韧性。     

掺氢比对甲烷-氧气爆轰特性的影响

含氢多组分燃料由于其优良的燃烧特性逐渐成为研究关注的重点。为了对掺氢燃料的爆轰特性作进一步的研究,设计了长3 000 mm、管径30 mm的圆柱形半封闭燃烧室,对不同初压下的CH₄-2O₂、6CH₄-H₂-12.5O₂、3CH₄-H₂-6.5O₂（掺氢比分别为0%、5.1%、9.5%）3种预混合气的爆轰特性进行了实验研究,并采用烟熏膜、离子探针和压力传感器分别探测胞格结构、火焰位置和内部压力。结果表明,甲烷/氧气掺氢后可以有效提高爆轰波的传播速度,且掺氢浓度越高,传播速度越快;同时,氢气的掺入可减少管道出口处的速度亏损并在初始压力较低时加速火焰和激波的耦合,降低胞格尺寸,提高爆轰敏感性。

     

高温空气下C/SiC复合材料断裂韧性实时测试和微观结构表征分析

为了研究高温空气下C/SiC复合材料断裂韧性和微观结构,采用单边切口梁三点弯曲法实时测试了C/SiC复合材料在高温空气下的断裂韧性,并采用电子扫描显微镜 (scanning electron microscope,SEM)和X 射线衍射分析仪 (X-ray diffraction, XRD)分析了复合材料在不同温度下的破坏断口和失效机制。研究结果表明随测试温度升高,C/SiC复合材料断裂韧性降低,材料的断裂形式由脆性断裂逐渐演变成塑性断裂。从室温升温到1 000 ℃测试温度条件下,C/SiC复合材料的断裂韧性由12.5 MPa·m1/2降低为10.96 MPa·m1/2,降幅仅为12%,C/SiC复合材料高温断裂韧性良好。不同温度下,材料呈现出不同形式的断裂形貌。常温下断口形貌主要可以看到纤维拔出的现象,随着温度的升高,该现象基本消失,断裂截面变得更平整,材料的强度主要取决于基体的强度。     

点火条件对密闭管道内预混氢气/空气燃爆特性的影响

基于流体动力学软件Fluent,开展数值模拟,研究点火位置（距管左端壁面100、200和500 mm）、点火温度（1 000、1 500和2 000 K）和点火面积（管左端壁面处半径为50、35和20 mm的点火域）等点火条件对1 000 mm密闭管道中预混氢气/空气（H₂/air）燃爆特性的影响。研究表明:点火位置距管左端壁面越远,中间节点处温度越高,温升越快;不同点火温度下管内最高温升速率基本同步,且提高点火温度,使得燃烧反应更剧烈,能提高管内气体温升速率,但却降低管内的压力峰值;点火面积越小,预混H₂/air燃烧前期温升越快。当采用半径为35 mm的点火域和点火位置距管左端壁面100 mm的点火方式时,预混H₂/air燃爆的各项参数相对较高。不同点火条件对密闭管内气体的动能和内能的影响规律类似于其对管内气体的流速和温度的影响规律,而对涡量的影响不明显。     

服役后API 5L X56钢腐蚀疲劳裂纹扩展速率试验研究

为研究服役后X56双层海底管道钢的疲劳裂纹扩展速率,对外层管上截取的标准紧凑拉伸试样分别在空气和海水环境下进行不同最大疲劳载荷(P_max=9 kN,10 kN,12 kN)的疲劳裂纹扩展试验。与空气环境中CT试样的疲劳裂纹扩展速率相比,裂纹生长至15.38 mm时,9、10、12 kN载荷下海水环境中CT试样的疲劳裂纹扩展速率分别提高了1.82倍、1.54倍、1.43倍;随着裂纹扩展长度增大,外界载荷起主导作用,海水腐蚀的影响越来越小。综合分析最大疲劳载荷对疲劳裂纹扩展的影响,结果发现相同裂纹长度的前提下,疲劳载荷增加,应力强度因子幅值(ΔK)和疲劳裂纹扩展速率(da/dN)增加,海水腐蚀影响逐渐减小。疲劳裂纹扩展试验中所施加的最大疲劳载荷对CT试样的疲劳寿命具有较大影响,对Paris常数的影响较小。扫描电镜下CT试样的疲劳断口均为穿晶型断裂。海水环境中CT试样的疲劳断口表现出更多的二次裂纹和更高的撕裂脊。随着最大疲劳载荷增加,解理断裂形成的解理台阶晶面面积和高度差逐渐增大,疲劳断口越粗糙,解理特征越明显。     

基于GMTS准则的岩石复合型断裂机理研究

使用国际岩石力学协会规定的半圆盘岩石试件,加工不同倾角的直裂纹试样,通过三点弯曲加载试验得到不同I-II复合比断裂的断裂韧性和初始断裂角．传统裂纹扩展准则忽视了常数项即T应力及更高阶项的影响,导致该扩展准则的理论预测结果存在较大缺陷,本文通过考虑常数项,建立广义最大周向应力准则(GMTS)．在此基础上,分别采用传统的裂纹扩展准则和考虑T应力的裂纹扩展准则预测不同复合比裂纹的断裂韧性和初始扩展角,然后对比理论预测结果和实验结果．分析可得：常数项即T应力对断裂的临界应力强度因子和初始断裂角的影响是不可忽略的,且II型断裂占比较大时影响更大,广义最大周向应力准则预测值与实验测试结果之间的误差最小．     

爆轰法合成纳米CeO粉末*2

爆轰合成过程中采用Ce(NO₃)₃·6H₂O制备的可爆药剂,并利用X射线衍射仪(XRD)和透射电子显微镜(TEM)对合成的纳米CeO₂粉末进行了检测,研究了起爆方式对于合成产物结晶化度、粒径和形貌的影响。结果表明,采用Ce(NO₃)₃·6H₂O制备的可爆药剂,可以合成立方晶系的球形纳米CeO₂; 提高可爆药剂的爆速,可有效降低纳米CeO₂的粒径,得到球形化更好的纳米粒子。     

广义平均形状改变能密度断裂准则及应用

基于形状改变能为材料起裂扩展控制参量的物理事实及裂纹尖端断裂控制区能量平均概念,提出了计及裂纹尖端应力场特征级数展开奇异项和常数项的广义平均形状改变能密度(GADSED)准则,建立了Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ混合型裂纹断裂判据计算式,为工程结构疲劳断裂评估提供了新选择.基于提出的GADSED准则,系统分析了T应力对裂纹断裂判据的影响,结果表明:当参数|Bα|数值相同时:负值T应力的Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹更易起裂扩展,正值T应力的K_Ⅰf值高于负值T应力的K_Ⅰf值,正负T应力的K_Ⅱf值相同;T应力在区间0Ⅰf值(3%以内),T应力降低了K_Ⅱf值.根据GADSED准则完成了双轴疲劳载荷平板表面Ⅰ型裂纹扩展寿命预报,结果表明:基于GADSED准则的裂纹扩展寿命预报值约为传统方法预报值的40.7%,可为工程实际评估提供借鉴.     

海底管线钢焊接缺陷裂纹尺寸容许值研究

裂纹尖端张开位移(CTOD)作为评定海洋工程用钢断裂韧性的重要指标,已广泛应用于现代工业中.根据BS7448:part4标准,采用多式样法对海底管线钢X70进行低温韧度试验,分别建立了焊缝和热影响区的CTOD-R阻力曲线,从而确定了焊缝和热影响区的CTOD启裂值.考虑到铺设之后的安全性问题,采用较小的焊缝CTOD启裂值为参考依据.以此为基础,分别采用SINTAP标准中的一级评定和三级评定对其埋藏裂纹进行安全评估(ECA)考虑铺设环境和残余应力影响,分别得出在铺设条件下的一级评定和三级评定埋藏裂纹容许尺寸.以试验数据为依托,以BS7448和SINTAP规范为理论指导,为海底管线铺设工程中的焊接缺陷验收和拒收提供了依据,为海底管线钢质量的优劣提供参考.     

无氢类金刚石薄膜表面H2O和O2分子共同作用的第一性原理计算

无氢类金刚石碳基薄膜(Diamond-like carbon,DLC)在潮湿大气环境中具有较低的摩擦系数,这主要是由于环境中的H₂O和O₂两种活性分子钝化了无氢DLC薄膜表面的悬键,但迄今两种活性分子对无氢DLC薄膜低摩擦行为的协同影响机制仍不清楚. 本文中通过第一性原理计算方法研究了H₂O和O₂分子共存时在金刚石表面的钝化状态,并推测了无氢DLC薄膜实现低摩擦的可能途径. 结果表明:H₂O和O₂两种活性分子在金刚石表面分解形成OH、H及O基团,其中O原子和H原子的相互吸引能够促使其形成OH基团. 当H₂O分子和O₂分子按比例2:1共存时,金刚石表面全部由OH基团钝化,而非2:1比例时,金刚石表面会形成C-OH、C-H和C-O共存的复杂情况.      

685均质钢静动态断裂韧性实验研究

为了解685均质钢的裂纹在静态加载和动态加载下的裂纹起裂和扩展情况,分别在静态试验机和基于Hopkinson杆技术改进的动态加载装置上采用三点弯曲试样对685均质钢的静、动态断裂韧性进行了研究。685均质钢中存在的少量孪晶马氏体组织对其断裂韧性造成了不利影响,可以适当降低碳含量来改善685均质钢的断裂韧性性能。当加载率KI≤1.8778×106MPa（m）^1/2/s时,685均质钢的动态断裂韧性值都随加载率的增加而下降。当加载率KI>1.8778×106MPa（m）^1/2/s时由于裂纹尖端热软化效应的影响,使得该材料的动态断裂韧性值又上升。采用高速摄影技术记录了裂纹的起裂和扩展,测得了裂纹的扩展速率。发现用裂纹嘴张开位移（Crack Mouth Opening Displacement,CMOD）法计算得到的动态断裂韧性值与用电阻应变片计算的结果相一致。     

不同晶型CL-20热分解反应机理计算分析

基于反应力场,采用NPT、NVT系综和Berendsen方法,对ε-、β-和γ-CL-20超晶胞在不同温度下的热分解反应过程进行分子动力学计算。结果表明：3种晶型CL-20的初始分解路径均是五元环和六元环中的N-NO₂键断裂生成·NO₂自由基,生成的主产物包括N₂、H₂O、CO、CO₂、NO₂、NO₃、HNO₂、HNO₃、N₂O₅、N₂O₂和NO等。相同晶型的CL-20发生热分解生成的主产物的反应速率常数随温度的升高而增大。

     

应力波载荷作用下线弹性断裂过程的动态分析方法研究

利用Hopkinson单压杆实验装置 ,对材料的线弹性动态断裂特性进行了研究 ,建立了应力波载荷作用下动态裂纹起裂及扩展过程的动态分析方法 ,采用该方法可同时测得材料的动态裂纹起裂时间、断裂韧性和裂纹扩展速度。40Cr钢三点弯曲试样的实验结果表明 :该钢的动态裂纹扩展过程主要是减速过程 ,在2 2 5TPam /s的加载速率下 ,起裂时间为 2 8 0 0 s,最大裂纹扩展速度为 478 91m/s ,动态断裂韧性为6 3 12MPam。     

聚酰亚胺无机杂化薄膜断裂韧性的研究

依据基本断裂功理论,将聚酰亚胺/二氧化硅(PI/SiO2)无机杂化薄膜断裂功分为基本断裂功和塑性功,从断裂功与韧带长度关系得到了反映PI/SiO2断裂韧性的材料常数比基本断裂功,并通过实验,研究了不同SiO2含量对此薄膜断裂韧性参数的影响.     

EXPERIMENTAL AND THEORETICAL INVESTIGATIONS ON THE VELOCITY OSCILLATIONS OF DYNAMIC CRACK PROPAGATING IN BRITTLE MATERIAL TENSION

设计了一种精确测量裂纹在预拉伸带板中的传播速度的实验装置, 系统研究了裂纹在受不同预加载荷作用的不同尺寸的有机玻璃 板中的传播行为.实验结果表明:在一个细长、上下表面固定的带板中, 裂纹速度分为加速和稳定2个阶段.在稳定速度阶段, 裂纹平均速度v₀ 是预加载荷在板中储存的弹性能Wh的增函数.由于此时裂纹处于自相似传播阶段, 可以认为材料的动态断裂能G_c是裂纹传播速度v₀的增函数, 即材料存在"速度增韧性".当裂纹传播速度达到一定阈值, 裂纹的传播速度出现明显的振荡现象, 裂纹的振荡周期与断裂面出现的周期性沟槽的尺度一致.在更高的预加能量下, 裂纹传播路径出现弯曲、微分岔以及宏观分岔现象.建立了一个描述裂纹在带板中的直线传播行为的动力学模型, 并用这个模型模拟裂纹在传播过程中的速度振荡现象.