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．     

大厚度钢板不同取样方向下的CTOD韧性研究

裂纹尖端张开位移(CTOD)是弹塑性断裂力学中重要参数,其大小直接反映了材料裂纹尖端抗开裂的能力,作为大厚度钢板低温断裂韧性的主要评定标准之一,应用广泛。本文在深入研究各规范对CTOD实验试样取样方向的规定后,依据规范BS7448:Part1:1991和API RP 2Z对某钢厂100mm厚API 2W Gr 60钢母材及热处理后母材进行-10℃、两种取样方式下的CTOD实验。结果表明所有试样实验结果均满足规范验收标准,但热处理降低了材料的韧性。对比不同取样方向下的实验结果,发现厚钢板母材中裂纹尖端在厚度方向上的抗开裂能力小于其在晶粒流动方向上的抗开裂能力,而在热处理后母材中表现正好相反,为CTOD实验中合理选取试样取样方向提供参考。     

压应力对压剪裂纹扩展的影响研究

本文针对压剪裂纹的启裂及扩展问题,研究了脆性材料中裂纹面压应力变化对其扩展的影响规律.借助双轴加载试验机可自由调节两个轴位移和力的优势,设计了一种单边对称双裂纹压剪试样.试验中,施加裂纹面压应力至不同的预设值后,使剪应力单调增大直至裂纹启裂及扩展,得到不同预设压应力下压剪裂纹启裂及扩展规律. 随着预设压应力增大,启裂角增大,裂纹扩展路径与初始裂纹的偏角也增大.但随着压应力增大,启裂角增大至一定值后趋于稳定,实验发现,依据裂纹是否闭合,压应力对压剪裂纹扩展的作用大致可分为两个阶段:闭合前,压应力对裂纹启裂载荷及启裂角、扩展路径均有影响,预设压应力增大,裂纹启裂载荷增大、启裂角增大,扩展路径愈来愈偏离初始裂纹方向;闭合后,压应力虽然增大,启裂角和临界压剪应力比始终恒定,压应力对临界剪力和扩展路径存在一定影响.研究表明,裂纹启裂角与启裂时的压剪应力比存在一定的对应关系.启裂时的压剪应力比增大,启裂角增大,启裂时的压剪应力比恒定,启裂角不变.      

压应力对压剪裂纹扩展的影响研究

本文针对压剪裂纹的启裂及扩展问题,研究了脆性材料中裂纹面压应力变化对其扩展的影响规律.借助双轴加载试验机可自由调节两个轴位移和力的优势,设计了一种单边对称双裂纹压剪试样.试验中,施加裂纹面压应力至不同的预设值后,使剪应力单调增大直至裂纹启裂及扩展,得到不同预设压应力下压剪裂纹启裂及扩展规律.随着预设压应力增大,启裂角增大,裂纹扩展路径与初始裂纹的偏角也增大.但随着压应力增大,启裂角增大至一定值后趋于稳定,实验发现,依据裂纹是否闭合,压应力对压剪裂纹扩展的作用大致可分为两个阶段:闭合前,压应力对裂纹启裂载荷及启裂角、扩展路径均有影响,预设压应力增大,裂纹启裂载荷增大、启裂角增大,扩展路径愈来愈偏离初始裂纹方向;闭合后,压应力虽然增大,启裂角和临界压剪应力比始终恒定,压应力对临界剪力和扩展路径存在一定影响.研究表明,裂纹启裂角与启裂时的压剪应力比存在一定的对应关系.启裂时的压剪应力比增大,启裂角增大,启裂时的压剪应力比恒定,启裂角不变.     

带有半埋藏空间裂纹的Cr12构件电磁热止裂分析

对带有半埋藏环形裂纹的Cr12标准拉伸试件进行了电磁热止裂研究.通过ZL-2型放电装置实现了半埋藏空间裂纹的止裂实验,采用微机控制电子万能试验机完成了止裂前后试件拉伸性能测试,同时计算了电磁热止裂前后应力强度因子的变化;建立了超强脉冲电流放电瞬间,环形裂纹尖端附近电流绕流、温度场和热应力场的数值分析模型,通过热-电耦合和热-机械耦合两个过程得到了脉冲放电瞬间拉伸试件中的电流矢量场、温度场和热应力场.研究表明:脉冲电流放电瞬间,围绕裂纹尖端金属熔化,钝化了裂尖,并围绕裂尖形成了热压应力场,得到了超细化的金属组织,止裂后抗拉强度得到了提高,达到了止裂的目的.     

基于数字图像相关的裂纹端部全场三维变形实验研究

基于三维数字图像相关技术(3D-DIC),结合裂尖定位、链式匹配、相关系数阈值化算法,测量金属焊接件裂纹端部的全场三维变形,分析焊接对材料断裂力学行为的影响。实验中采用预制疲劳裂纹的紧凑拉伸试件,以Q235钢为母材,通过改变焊缝位置制备四种不同试件:无焊缝母材试件、焊缝位于中央试件、焊缝偏离中央5mm试件、焊缝偏离中央8mm试件。实验结果显示,3D-DIC既能获得裂纹张开导致的面内变形,提取裂纹尖端张开位移,还能测量裂尖材料屈服导致的局部离面凹陷。对比不同焊接件的裂纹端部场发现,裂纹与焊缝的相对位置对试件断裂力学行为有很大影响。当裂纹位于焊缝处,裂尖张开位移与局部凹陷最为显著,热影响区内裂纹端部的变形也明显大于母材,因此都具有比母材更高的断裂韧度。随着载荷增加,裂纹周围的焊缝边界处容易产生应力集中和局部损伤,最终影响材料的破坏行为。上述结果表明,3DDIC可用来分析非均匀材料的断裂力学行为,有望为实际断裂问题的解决和断裂力学理论的验证与完善提供有效的实验依据。     

含埋藏椭圆形裂纹金属构件电磁热止裂时热应力场分析

对带有椭圆埋藏裂纹金属构件在脉冲放电瞬间的热应力场进行了理论分析。在热应力场的求解中,利用了热传导和非定常热应力理论,由求解的热应力场公式发现：在脉冲放电瞬间,电磁热在裂纹尖端形成热压应力场,热压力场可有效地抑制裂纹的扩展。以Cr12MoV模具钢中埋藏椭圆裂纹止裂为例,具体计算了脉冲放电瞬间的热应力场分布情况,为空间裂纹电磁热止裂技术的实际应用提供了理论基础。     

GCr15凹模环形裂纹电磁热局部跨越止裂的模拟研究

裂纹止裂技术是当前工业生产和实际应用中急需解决的关键问题;利用电磁热效应对带有裂纹的金属构件进行止裂,是达到延长工作寿命、提高安全性可靠性的一种行之有效的方法;本文采用有限元方法研究了带有半埋藏环形裂纹的轴对称GCr15凹模电磁热局部跨越止裂;建立了超强脉冲电流放电瞬间,环形裂纹尖端附近电场、温度场和热应力场的耦合关系。数值模拟分成热-电耦合(焦耳热问题)和热-机械耦合两个过程来实现,通过数值解析轴对称模型,给出了脉冲放电瞬间GCr15凹模中的电流-温度-热应力的求解过程,得到了脉冲放电瞬间半埋藏环形裂纹局部跨越止裂时凹模的温度场和热应力场。数值模拟研究结果表明:由于热集中效应,在放电瞬间裂纹尖端金属熔化,并形成局部堆焊,阻止了干线裂纹源的开裂,达到了止裂的目的。     

压力容器安全评定方法

以我国ＣＶＤ－１９８４《压力容器缺陷评定规范》为依据，讨论两种压力容器安全评定方法；脆性断裂评定和疲劳断裂评定。脆性断裂评定采用应力强了Ｋ１和裂纹的等效尺寸ａ作为评定参数；疲劳断理解评定时按穿透裂纹、埋藏裂纹和表面裂纹三种情况计算裂纹疲劳扩展量。文末列出了压力容器缺陷的评定程度。     

两种热处理钢轨焊接接头冲击磨损与损伤性能研究

研究了过共析钢轨焊接接头淬火和正火后不同区域的硬度与微观组织,利用冲击磨损试验机对不同区域进行冲击试验,分析了各区域冲击磨损与损伤特性. 结果表明:钢轨焊接接头分为母材区、焊缝区和热影响区. 母材区微观组织为片层状珠光体,焊缝区为珠光体与先共析铁素体且正火后铁素体含量较多,热影响区淬火后为粒状珠光体而正火后存在少量片层状珠光体. 焊接接头不同区域硬度大小为母材区>淬火焊缝区>正火焊缝区>正火热影响区>淬火热影响区. 硬度越低的区域,冲击深度和磨损体积越大. 母材区冲击损伤轻微,表面呈轻微剥落;焊缝区损伤较严重,出现明显裂纹且正火后损伤较淬火后严重;热影响区损伤最为严重且正火后损伤较淬火后略轻微.      

2%氢气含量对X80管线钢断裂韧性和缺陷容限的影响

氢气的存在会劣化金属材料的力学性能，导致材料发生氢脆断裂，严重影响含氢天然气输送管线的安全输送，为此本文开展X80管线钢在含氢环境中的断裂韧性试验，通过对比无氢环境，评定氢气的存在对X80管线钢断裂韧性和缺陷容限的影响规律，利用扫描电镜对断口进行观察分析，判断其在不同条件下的断裂模式。结果表明，在12 MPa的输送压力环境中掺入2%H₂,X80管线钢的断裂韧性比氮气环境有一定程度的下降，X80管线钢在氮气中的裂纹尖端张开位移(crack tip opening displacement,CTOD)值为0.42 mm，在氢气中的值为0.33 mm,2%H₂使X80的断裂韧性下降21.42%，相应地氢气降低了管线钢允许的缺陷尺寸。从断口的形貌来看，氢气并没有改变材料的断裂模式，仍表现出明显的韧性断裂的特征，但局部有少量微裂纹存在。     

正交异性钢桥面板肋-面板焊缝疲劳分析

基于焊缝的局部三维断裂力学模型和超重多轴货车的载荷谱,进行正交异性钢桥面板的肋-面板焊缝表面裂纹的疲劳寿命分析。采用Schwartz-Neuman交替法计算肋-面板焊缝处半椭圆表面裂纹的应力强度因子,基于裂尖反向塑性区模型考虑循环载荷中压应力对疲劳裂纹扩展的作用。正交异性钢桥面板的肋-面板焊缝的应力计算结果表明:超载货车作用下肋-面板焊缝处的横向应力峰值和应力幅都有明显增加;相比于标准疲劳荷载车,超载货车作用下肋-面板焊缝处半椭圆表面裂纹的裂纹扩展率增大了6.1倍;对应于正交异性钢桥面板的肋-面板焊缝处的拉-压循环应力,平面应变状态下的裂尖反向塑性区使裂纹扩展率增加了3.7倍;基于所得裂纹扩展速率,本研究给出仅在严重超载的五轴和六轴货车作用下正交异性钢桥面板的肋-面板焊缝疲劳寿命不足20年,远远低于桥梁的设计寿命。因此,考虑超载多轴货车的载荷谱和循环载荷中的压应力对肋-面板焊缝疲劳裂纹扩展的影响十分重要。     

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.     

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.     

残余应力对含裂纹缺陷管道疲劳寿命的影响

针对焊缝区含表面轴向裂纹管道的疲劳寿命问题,探究管道在内压波动下裂纹扩展的规律。建立了焊缝区裂纹仿真模型。采用ABAQUS有限元软件的多层生死单元技术计算了长输管道X80钢的残余应力场。将焊接残余应力场作为裂纹扩展分析的初始应力场导入裂纹仿真模型,结合该软件的扩展有限元法(XFEM)和二次开发计算了在焊接残余应力下裂纹扩展的规律。结果表明:由于焊接残余应力的影响,热影响区含裂纹缺陷的X80管道疲劳寿命明显降低,降低幅度约达40%;裂纹长度对管道的疲劳寿命影响不显著,裂纹深度对其有一定影响,而应力比影响最大,且应力比R=0.1最为显著。     

高强度钢材对接焊缝低温冲击韧性试验研究

对Q460D和Q690D高强度钢材对接焊缝进行低温冲击试验,得到低强和等强两种匹配下,焊缝区、热影响区的冲击功值,讨论了两种匹配形式下冲击功值AKV随温度的变化规律。结果表明:焊缝区和热影响区随温度降低韧性逐渐变差,热影响区的AKV总是大于焊缝区,表明经过焊接热循环后,热影响区的冲击韧性处于较高的水平;采用低匹配连接,焊缝区和热影响区的冲击功均大于等匹配,说明低匹配可获得良好的吸收能量的能力。同时,利用Boltzmann函数对试验结果进行拟合分析,将高强度钢材两种匹配下焊缝区和热影响区的韧性进行了对比。由试验数据比较可知,焊缝区吸收能量的能力较差,为主要断裂部位。     

无量纲载荷分离法在延性断裂韧性测定中的应用

鉴于现行载荷分离理论中存在的量纲不对等问题,依据相似原理提出了无量纲载荷分离法。弹塑性有限元分析结果较好地验证了对应于CT和SEB试样的无量纲载荷分离的普适性。基于无量纲载荷分离新方法,提出了改进的分离参数Spb法。新方法消除了参考钝裂纹试样及标定点选择的影响,通过同卸载柔度法的对比研究,新方法的可行性得到了验证。采用新方法完成了某输气管道焊接球阀的CTOD评定。     

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。