Creep crack-tip constraint effect in high temperature structures

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.     

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Ac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.     

高温条件下材料与结构力学行为的研究进展

本文回顾了最近10年来材料与结构高温力学行为若干热点问题的研究进展,包括高温下材料力学行为的多尺度特性、多组元材料的蠕变力学性能、拘束条件下的高温断裂理论、高温下的结构安全评定理论等。指出：为了保障重大高温装备的安全运行,并为高技术工艺装备的实现提供理论支撑,必须实现时间尺度与空间尺度上的事件的转换与关联,解决高温材料老化的物理化学动力学问题,理清应力应变场与化学动力学过程的相互作用;应强化材料界面缺陷及高温结合强度的微观测量方法与理论分析的研究;需要进一步研究损伤影响下的实际蠕变裂尖应力场,精确描述拘束效应的蠕变裂纹扩展速率模型,以进一步建立拘束下的高温断裂理论;在高温结构的安全评定方面,在目前的失效评定图基础上引入与材料、结构同时关联的损伤维度（时间相关）,可望实现较为复杂损伤机制下的失效评定。     

汽轮机转子材料的蠕变损伤与抗裂特性研究

本文对汽轮机转子材料进行了蠕变断裂的试验研究。探讨了30Cr_2MoV材料在工作温度下的蠕变损伤及裂纹的启裂和高温断裂韧性特性.用直流电位法检测了裂纹的扩展量,并分析了各断裂参数和蠕变裂纹扩展速率的关系.     

含裂纹结构时间相关的疲劳断裂理论与剩余寿命评价技术

高温结构的疲劳失效是与时间相关的, 建立这一失效机制下的断裂理论和寿命评价技术, 进而控制结构失效是人们多年来努力的目标. 从裂纹扩展控制参量、裂纹扩展规律和寿命评价技术、材料老化与环境因素影响和结构完整性评定工程方法等几个方面, 对近年来这一领域的研究进展进行了总结, 并对今后该领域的发展方向进行了预测.      

蠕变材料Ⅰ型动态扩展裂纹尖端场

为了研究黏性效应作用下的动态扩展裂纹尖端渐近场,建立了蠕变材料Ⅰ型动态扩展裂纹的 力学模型.首先,依据在稳态蠕变阶段,弹性变形和黏性变形同时在裂纹尖端场中占主导地 位,由量级协调可知,应力和应变具有相同的奇异量级,即(σ,ε)∝/ r- 1/(n-1). 其次,通过渐近分析推导出动态扩展裂纹尖端场的控制方程并求得了裂纹尖端应 力、应变和位移分离变量形式的渐近解.最后,采用双参数打靶法求得了裂纹尖端应力、应 变的数值结果.数值计算表明,裂尖场主要受材料的蠕变指数n和马赫数M的控制;在Ⅰ 型动态扩展裂纹前方,环向应变达到最大值,可据此建立断裂准则. 由于裂纹稳定扩展与非稳定扩展的主奇异项相同,因此对于稳定扩展裂纹的渐近分析方 法,同样适用于非稳定的裂纹扩展问题.     

可压缩粘弹性材料Ⅱ型动态扩展裂纹尖端场

为了研究粘性效应作用下的动态扩展裂纹尖端渐近场,建立了可压缩粘弹性材料II型动态扩展裂纹的力学模型,推导了可压缩材料Ⅱ型动态扩展裂纹的本构方程.在稳态蠕变阶段,弹性变形和粘性变形同时在裂纹尖端场中占主导地位,应力和应变具有相同的奇异量级r-1/(n-1).通过渐近分析求得了裂纹尖端应力、应变和位移分离变量形式的渐近解,并采用打靶法求得了裂纹尖端应力、应变和位移的数值结果,给出了应力、应变和位移随各种参数的变化曲线.数值计算表明,弹性变形部分的可压缩性对Ⅱ型裂尖应力场影响甚微,而对应变场和位移场影响较大.裂尖场主要受材料的蠕变指数n和马赫数M的控制.当泊松比ν =0.5时,可以退化为不可压缩粘弹性材料Ⅱ型动态扩展裂纹.     

蠕变材料Ⅱ型动态扩展裂纹尖端场

为了研究粘性效应作用下的动态扩展裂纹尖端渐近场,建立了蠕变材料Ⅱ型动态扩展裂纹的力学模型,在稳态蠕变阶段,弹性变形和粘性变形同时在裂纹尖端场中占主导地位,应力和应变具有相同的奇异量级,即(σ,ε)∝r-1/(n-1)。通过渐近分析求得了裂纹尖端应力、应变和位移分离变量形式的渐近解,并采用打靶法求得了裂纹尖端应力、应变的数值结果,数值计算表明,裂尖场主要受材料的蠕变指数n和马赫数M的控制。通过对裂纹尖端场的渐近分析,从应变角度出发,提出了蠕变材料Ⅱ型动态扩展裂纹的断裂判据。     

用增量的路径无关积分率(T*)研究蠕变裂纹的扩展

主要研究了增量路径无关积分参数(T*)在蠕变裂纹非稳定扩展阶段的推广应用,在确定积分参数(T*)与裂纹扩展速率有线性关系的同时,对三轴应力度、塑性应变和蠕变应变等裂尖参数在裂纹扩展过程中的变化作了比较和说明.     

用增量的路径无关积分率研究蠕变裂纹的扩展

主要研究了增量路径无关积分参数在蠕变裂纹非稳定扩展阶段的推广应用,在确定积分参数与裂纹扩展速率有线性关系的同时,对三轴应力度、塑性应变和蠕变应变等裂尖参数在裂纹扩展过程中的变化作了比较和说明。     

压剪载荷作用下界面裂纹尖端场的研究

建立了弹性-幂律蠕变双材料界面裂纹准静态扩展的力学模型，求得了裂纹尖端应力、应变和位移场分离变量形式的解及其数值结果；讨论了材料性能参数对裂纹尖端场的影响；计算和分析了界面裂纹的摩擦效应，并且得出了给定条件下裂尖场的轮廓图形．     

含裂纹体蠕变断裂理论及其应用研究

评介了蠕变断裂力学研究概况．着重论述含裂纹材料与结构的蠕变断裂、蠕变损伤、蠕变疲劳裂纹扩展和寿命预估等方面研究的近期进展．从中介绍蠕变断裂力学的研究途径、方法及其广阔的工程应用前景      

岩石蠕变断裂特性的试验研究

以一类红砂岩为例对蠕变条件下岩石裂纹的起裂和扩展的机理、准则进行了试验研究和理论分析．试验结果表明，岩石裂纹常常在初始应力强度因子KI小于断裂韧度KIC的情况下，经过一段时间的持续蠕变变形产生裂纹起裂和扩展．当然，初始应力强度因子KI小于断裂韧度KIC是有限度的，KI不得小于另一固定值KIC2，KIC2表征了岩石在蠕变条件下抵抗裂纹起裂和扩展的能力，而且其值小于KIC，可称之为蠕变断裂韧度．在岩石工程的设计和计算中，KIC2是一个重要参数．     

采用压缩单裂纹圆孔板确定岩石动态起裂、扩展和止裂韧度

爆炸、冲击、地震等人为或自然灾害不可避免,经常造成大量土木工程设施的破坏,因此岩石在动态载荷作用下的行为受到特别关注.岩石动态断裂韧度是评价岩石抵抗裂纹动态起裂、扩展和止裂性能的材料参数,开展岩石动态断裂韧度测试方法的研究对相关理论基础和实验技术的要求较高.岩石动态断裂韧度分为动态起裂、动态扩展、动态止裂三种,虽然关于动态起裂和动态扩展的研究已有一些成果,对岩石动态止裂的研究仍是一个难题,至今几乎无人问津.研究表明,在分离式霍普金森压杆撞击压缩单裂纹圆孔板岩石试样的I型动态断裂试验中,动态起裂、扩展、止裂的全过程可以由黏贴在压缩单裂纹圆孔板试样上的裂纹扩展计监测,岩石的动态起裂、扩展、止裂韧度可以用实验-数值-解析法确定.特别值得一提的是首次测出了岩石的动态止裂韧度.裂纹扩展计信号还显示,压缩单裂纹圆孔板在止裂后,停止的裂纹还会再次动态起裂、扩展并超出裂纹扩展计的检测范围.从能量的角度分析了动态止裂的过程,指出测试动态止裂韧度时要注意的一些问题.结果显示,岩石动态起裂韧度和动态扩展韧度分别随动态加载率和裂纹扩展速度的增大而增大,岩石动态起裂韧度略大于动态止裂韧度.      

基于数字散斑相关方法测定Ⅰ型裂纹应力强度因子

提出了一种通过数字散斑相关方法测定金属材料Ⅰ型裂纹尖端位置和应力强度因子的实验方法.实验采用疲劳试验机对含Ⅰ型缺口的Cr12MoV钢试件预制裂纹,通过数字散斑相关方法测试试件在三点弯曲加载条件下裂纹的扩展过程及裂尖区域的位移场.将位移场数据代入裂尖位移场方程组,采用牛顿-拉普森方法求解含未知参量的裂尖非线性位移场方程组,计算裂尖位置和应力强度因子.实验结果表明,采用该方法可以准确地测定金属材料Ⅰ型裂纹应力强度因子、裂尖位置及裂纹扩展长度,解决了以往研究中因不能准确测定裂纹尖端位置,而无法准确计算Ⅰ型裂纹裂尖断裂参数的难题,揭示了金属材料裂纹扩展过程中应力强度因子演化特征.     

分子动力学模拟含不同初始缺陷单晶镍的断裂行为与应力演化

断裂是一个跨尺度复杂的物理过程,对宏观尺度的断裂行为已有深入的研究和发展,然而对微观尺度的断裂行为及断裂过程中应力场的变化缺乏深入的理解。本文通过分子动力学模拟,研究了具有不同初始缺陷(尖锐裂纹、钝裂纹和孔洞)的单晶镍的断裂行为和应力分布特征。结果表明,不同的初始缺陷导致了不同的断裂机制、断裂强度和抗断裂性能。含初始孔洞的单晶镍样品有最高的断裂强度和最强的抗断裂性能,这与孔洞扩展过程中堆积层错的形成密切相关。其次是含初始钝裂纹的样品,在裂纹扩展过程中出现由[100]超位错发射引起的裂尖钝化;含尖锐裂纹的样品表现为脆性断裂,裂尖原子没有出现微结构的变化,其强度和抗断裂性能最低。此外,不同的初始缺陷也会导致断裂过程中应力分布的变化,对含有尖锐裂纹的脆性断裂试样,高应力(拉伸应力、平均应力和米塞斯应力)总是出现在扩展裂纹的裂尖。而对于含有钝裂纹或孔洞的韧性断裂试样,高应力不仅分布在裂尖,也分布在位错发射和堆积层错形成的区域,在裂纹/孔洞扩展之前,应力随着加载时间的增加而迅速增加,而一旦裂纹或孔洞开始扩展,应力增加非常缓慢或几乎不增加,但拉伸应力值始终大于平均应力和米塞斯应力值。这表明,在I型...     

刚性-粘弹性材料界面Ⅰ型动态扩展裂纹的尖端场

裂纹尖端渐近场的研究是断裂力学研究的重要课题之一。为了研究粘性效应作用下的界面动态扩展裂纹尖端渐近场,建立了刚性.粘弹性材料界面Ⅰ型动态扩展裂纹的力学模型;在稳态蠕变阶段,弹性变形和粘性变形同时在裂纹尖端场中占主导地位,应力和应变具有相同的奇异量级,即(σ,ε)∝r-1/(n-1)。当n→∞,幂硬化粘弹性材料动态扩展裂纹尖端场与Freund给出的理想塑性材料动态扩展裂纹尖端场具有相近的奇异量级;结合运动和协调方程,推导出粘弹性材料动态扩展裂尖场的控制方程。根据问题的边界条件和连续条件,通过数值计算,得到了裂纹尖端连续的分离变量形式的应力、应变和位移场。数值计算表明,裂纹尖端场主要受材料的蠕变指数n和马赫数M的控制,这为解决工程实践中所遇到的相应的问题和建立材料的破坏准则提供理论的参考。     

复合型韧性断裂实验和控制参数

通过对不同韧性材料在各种平面复合载荷形式下裂纹启裂阶段裂端变形、启裂位置和扩展方向的系统的宏微观实验验证及计算分析,考察了韧性断裂参数空穴扩张比的分布特征和裂纹启裂及扩展方向的关系．得到：对于不同韧性的材料,在裂端的钝化变形区域,空穴扩张比的极大值区对应干裂纹的启裂位置,裂纹启裂时钝化裂端前缘空穴扩张比的临界值不敏感于复合比的变化．而对于裂纹启裂后的扩展方向,则需根据具体材料在相应的特定区域中比较空穴扩张比参数极大值的分布特征,需经进一步的分析,从而确定裂纹的扩展方向．实验及计算结果表明,尽管复合型断裂时裂纹启裂及扩展的机理极其复杂,用于韧性材料复合型断裂的空穴扩张比参数仍能很好地预测裂端的启裂及扩展方向,可作为复合型韧性断裂过程的控制参数．     

一种考虑拉伸保持效应的多轴疲劳寿命模型

通过定义考虑拉伸保载效应的CFI因子(creep-fatigue interaction factor),将拉伸蠕变损伤和疲劳损伤进行非线性耦合. 根据断裂实验的观察,针对拉伸主 导的裂纹萌生、扩展及破坏的多轴疲劳问题,给出了一个基于临界面方法的能量型高温多轴 疲劳寿命预测模型. 所给出的模型可对不同温度、不同载荷特点、不同保载时间的多轴疲劳 寿命进行预测,模型的材料参数不依赖于温度和载荷. 并且此方法可以很方便地推广到其它 因素主导破坏的高温多轴疲劳寿命预测. 通过拟合高温合金Udimet720Li单轴带保持时间的 低循环疲劳(low cycle fatigue, LCF)寿命试验数据,得到了材料常数. 结合黏 塑性有限元分析方法,对高温双轴带保载循环载荷下Cruciform试件的寿命进行了 预测,预测结果基本落在2倍分散带内,达到工程的要求,证明了该模型的有效性.     

冲击载荷作用下黑砂岩动态断裂参数的分形修正

基于分形理论研究了偏折裂纹扩展路径对动载荷作用下黑砂岩的动态断裂力学参数的测试误差影响作用,采用传统的分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）实验装置对修正侧开单裂纹半孔板（improved single cleavage semi-circle specimen, ISCSC）试样进行动态冲击实验,随后采用裂纹扩展计进行裂纹起裂时间与裂纹扩展速度等动态断裂力学参数测试,采用分形理论对测试的裂纹扩展速度与动态应力强度因子进行修正,利用实验-数值法对黑砂岩的动态断裂韧度进行计算。研究结果表明,ISCSC构型构件能够有效应用于岩石材料动态裂纹扩展行为的研究,并发生了止裂现象,经分形修正的裂纹扩展速度与动态断裂韧度更接近实际裂纹动态扩展情况,修正前后得到黑砂岩材料的裂纹扩展速度误差为33.51%,动态断裂韧度最大误差为7.68%,说明利用分形理论对动态断裂韧度等动态断裂参数计算更合理。