高性能管线钢落锤撕裂试样断裂性能的试验研究

对不同缺口形式的X70管线钢试样进行了准静态三点弯曲断裂和示波落锤撕裂试验，详细研究了加载速度和缺口形式对管线钢断裂的影响，分析了高性能管线钢落锤撕裂试验中出现异常断口的原因．研究表明：异常断口常出现在韧脆转变温度附近，温度较低和较高均不易产生异常断口；管线钢动态断裂扩展是由许多裂纹扩展、止裂、重新起裂过程组成的，裂纹在整个韧带上的扩展速度变化幅度很大；裂纹扩展速度改变引起的裂尖应力状态变化、断裂的扩展方向和韧脆状态改变也可产生异常断口，仅通过改变试样缺口形式来减小试样起裂载荷和起裂功，并不能完全避免异常断口的产生．     

基于裂纹扩展的管道钢阻力曲线测试评估

高级别新型管线钢的不断涌现,其管材韧性和强度都得到了大大提高。然而,现有断裂韧性测试方法要求采用高约束的标准试样,管线钢很难满足试样尺寸条件,管道钢断裂韧性和裂纹扩展阻力的测试需要经过大量的实验和数值模拟评估。本文利用三点弯试样,测试了X65管线钢的断裂韧度和阻力曲线,对现有断裂韧度测试标准进行了评估,利用损伤模型评估了X65管材阻力曲线的厚度约束效应。结果显示：标准BS7448比ASTM-E1820计算得到的CTOD值更大,并且随着裂纹扩展长度增加,两种方法得到的CTOD比值增大。     

基于约束参数的断裂韧性转化研究

为解决材料在不同约束条件下断裂韧性转换的问题,基于三点弯曲试验过程的有限元模拟,对铁素体钢材的典型材料(低合金高强钢材Q345B)的断裂韧性进行了研究。针对不同约束水平(裂纹的深或浅)的三点弯曲试样建立ABAQUS有限元数值仿真模型,计算获得裂纹尖端断裂韧性J积分值,结合J-A_2方法计算不同裂纹深度的三点弯曲试样的约束参数A_2,研究了弹塑性断裂力学考虑约束效应的断裂韧性转化问题。结果表明,随裂纹长度的增加,约束参数A_2值逐渐增大,深裂纹试样的裂纹尖端处于高约束情况,更容易失效。运用J-A_2方法对不同裂纹深度三点弯曲试样的断裂韧性值进行了转化,转化结果与模拟值吻合良好,误差均在8%以内,验证了J-A_2法在断裂韧性转化中的可行性。     

管线钢磁力耦合效应及在线无损应力检测

天然气管道服役期内的载荷变异、介质侵蚀、环境变化等诱发的集中应力使管道强度接近甚至超过设计值,形成安全隐患,而现有的检测手段很难实现在线无损应力检测。结合铁磁材料磁力学机理,开展了X80管线钢的磁力耦合效应微观特性试验研究,探讨了应力引起磁畴结构变化的机理。以X80管线钢圆棒试样为研究对象,设计了基于磁力耦合效应的在线无损应力检测装置,提出了X80管线钢磁力耦合效应应力检测的理论基础及应用方法,并对试验数据进行了分析。结果表明:①在单向拉/压应力作用下,管线钢试样应力变化诱发磁畴结构的改变,从而使受拉方向上的磁化强度增大,使受压方向的磁化强度减小;②恒定加载速率下,在弹性变形阶段,X80管线钢圆棒试样的拉/压应力与通过其截面的感应磁通量之间基本呈现线性关系;③试验得出的X80管线钢试样各种工况的感应磁通量-应力关系吻合较好,精度能满足工程要求。基于管线钢的磁力耦合效应,以感应磁通量为参量建立的磁力本构模型能准确地反映服役管道应力变化,为在线无损应力检测提供了新方法。     

超声冲击方法提高焊接接头疲劳强度

为了提高焊接结构疲劳性能，通过试验比较了经超声冲击的X65管线钢对接接头试样和未经此处理的原始焊态对接接头试样疲劳强度及在同样应力范围下的疲劳寿命．试验的统计结果表明，经过超声；中击处理的试样，其疲劳强度相对未冲击试样提高37．9％，其疲劳寿命是未冲击试样的1．85—11．00倍．与传统的改善结构疲劳性能的焊后处理措施相比，超声冲击处理是一种既高效又便捷的较为理想的工艺方法．     

X70管线钢静态和动态韧性试验研究

在不同试验温度下，对X70管线钢缺口沿厚度方向的标准夏比V型缺口试样进行动态试验和静态试验，研究了X70管线钢的力学性能与加载速率的关系．通过对试验实测的载荷—位移曲线和破坏断口的分析，发现X70管线钢的韧性、试验曲线上最大载荷所对应的位移随试验温度降低而降低；同一试验温度下动态试验曲线上最大载荷所对应的位移小于静态试验曲线上最大载荷所对应的位移；加载速率对试样断面沿厚度方向收缩的影响与试验温度有关；无论是动态试验还是静态试验，试样断口均出现垂直于缺口方向的分层裂纹；试验温度对动态试验屈服载荷、最大载荷以及静态试验最大载荷的影响较小；随着试验温度升高，裂纹形成功和破坏总功均升高，加载速率对破坏总功的影响同样与试验温度有关．     

超高强度钢焊接接头断裂行为预测

测试了D406A钢母材和热影响区表面裂纹断裂韧度,比较了母材与热影响区断裂韧度概率分布,分析了非匹配对接头断裂韧性的影响.根据局部法由母材表面裂纹试样的断裂韧度值,得出威布尔形状参数和尺度参数,再根据该参量对热影响区表面裂纹试样的断裂行为进行了定量预测,预测结果与试验结果吻合很好,表明局部法能很好地描述超高强度钢焊接接头的断裂行为.     

X100管线钢在微生物腐蚀环境下的延性裂纹止裂可靠性研究及失效分析

基于管线钢的环向应力、断裂韧性及腐蚀速率,建立了天然气管线钢在微生物腐蚀环境下延性裂纹止裂可靠性的预测方法,获得不同微生物腐蚀速率对X100管线钢的止裂韧性和止裂可靠性随使用年限增长的变化规律。对X100管线钢延性裂纹扩展失效模式和强度失效模式进行了分析,并基于两种失效模式对X100管线钢的允许使用年限进行了预测,且强度失效所预测的管线钢使用年限要多于延性裂纹扩展失效得出的使用年限,表明X100管线钢的延性裂纹失效风险概率要高于强度失效,在进行安全评估时应优先考虑延性裂纹扩展导致的管线失效模式。     

威布尔分布随机载荷下齿轮弯曲疲劳试验分析

根据齿轮传动过程中普遍承受的三参数威布尔分布载荷谱,编制了试验用随机变幅疲劳载荷谱,在MTS电液伺服疲劳试验机上利用成组试验方法完成了该随机载荷作用下齿轮弯曲疲劳试验,得到了特定变异系数三参数威布尔分布载荷谱下齿轮弯曲强度的S-N曲线。试验结果证明,在服从三参数威布尔分布随机载荷谱下,随机变幅疲劳试验得出的轮齿疲劳寿命远低于恒载荷疲劳试验得出的疲劳寿命。对随机载荷下的齿轮设计的疲劳极限的理论值进行了预测,并与试验结果进行了比较。随机载荷下的理论值与试验结果相吻合,因此可以通过随机载荷谱的载荷比例系数去推断随机载荷下齿轮弯曲疲劳强度值。     

X60管线钢的本构关系及失效判据

X60管线钢是石油、天然气输送用的主要钢种,在外界载荷作用下,易发生局部变形或应力集中,而导致屈曲甚至拉裂失效。对其进行力学研究,评价其力学安全性已成为管道风险管理的重要内容之一。其中,本构关系方程是力学研究的基础内容,失效判据则决定了管道生命的周期。通过对比X60管线钢的静力拉伸实验应力应变关系和Ramberg-Osgood本构关系,发现ε≤εP0.2时,Ramberg-Osgood本构方程能够比较准确地反映X60管线钢的拉伸应力应变关系;但当ε＞εP0.2时,基于Ramberg-Osgood模型所得理论本构曲线与实验结果有较大的误差。基于此,笔者根据X60管线钢静力拉伸弹性阶段和塑性阶段的不同力学特征,采用插值法对Ramberg-Osgood本构模型做出了修正,提出了X60管线钢在单向拉伸状态下的全局二段式应力应变关系式,该关系式更加准确地表达了X60管线钢的拉伸应力应变关系。考虑到焊缝及热影响区对管道强度和刚度的影响,结合塑性材料基于应力的失效判据和基于应变的失效判据,笔者提出了焊缝影响因子及X60管线钢的应变控制失效准则,建立了基于第四强度理论的管道失效时的临界应力计算方程。     

C-Mn钢及焊缝金属各韧性的统一性

在系列温度下测定了16MnR钢及三种焊缝金属的四项韧性指标:VCharpy冲击韧性、预裂纹Charpy冲击韧性、四点静弯缺口韧性和断裂韧度COD,同时测定了四种材料的屈服强度。发现四项韧性指标的延脆转变温度可以通过各材料的屈服强度对温度和加载速率的依赖而统一起来,各韧性的延脆转变现象均由局部解理条件所控制,为简化工程材料抗断性能的评定和断裂理论研究的深入提供了可能。     

多裂纹介质在动态载荷作用下的断裂特性研究

采用含双平行裂纹的半圆盘有机玻璃模型,以落锤作为动态加载装置,对动态载荷下多裂纹介质的断裂行为进行了研究。研究结果表明:在动载作用下,含多裂纹的脆性材料的应力场与单一裂纹时的应力场有明显不同。多裂纹介质中裂纹尖端的应力场多为拉剪混合应力场,裂纹起裂多为I-II混合型裂纹,但当裂纹扩展以后,裂纹逐渐向拉伸破坏转变;在多裂纹介质中,当已有一条裂纹扩展时,邻近平行裂纹尖端的能量被释放,邻近平行裂纹尖端的应力集中程度也逐渐下降,说明扩展裂纹对相邻平行裂纹的起裂和扩展有一定的抑制作用;在动载作用下,多裂纹介质中裂纹的起裂韧度KI由2.86 MN/m2下降到1.95 MN/m2,说明多裂纹对介质的起裂韧度有影响。但当试件中有一条裂纹扩展后,邻近平行裂纹对扩展裂纹的传播韧度和扩展速度的影响逐渐减弱。     

X70管线钢韧-脆断裂转变研究

在不同温度下研究了X70管线钢动态断裂韧度K1d,J1d和止裂韧度K1a以及夏氏V型缺口冲击韧度(CVN)。研究表明,断裂韧度受温度和加载速率的影响较为强烈;当温度由213K向193K逐渐降低而加载速率逐渐从0.01向1000mm/s增大时,断裂韧度逐渐减小;在恒温下,增大加载速率可以诱发韧-脆断裂转变,应引起足够重视。     

冲击功与COD转变温度的相关关系

对普通C-Mn钢,Cr-Mo钢和三种焊缝金属进行了系列温度示波冲击试验,COD试验和屈服强度的测定,通过对实验结果的分析发现,中低强结构钢和焊缝金属的冲击韧性和断裂韧性的延脆转变温度之间存在着统一的相关关系,即试验材料的两韧性的延脆转变温度迁移量与材料的应变速率敏感性呈线性关系。因此,推荐了工程上用冲击韧性推测断裂韧性的方法,并指出这一相关关系存在的内在原因是不同试验材料的缺口冲击试样和裂纹静载试样在延性断裂过程、解理的力学条件以及解理微观机制这三个方面的相似性。     

Effect of weld microstructure on brittle fracture initiation in the thermally-aged boiling water reactor pressure vessel head weld metal

Effects of the weld microstructure and inclusions on brittle fracture initiation are investigated in a thermally aged ferritic high-nickel weld of a reactor pressure vessel head from a decommissioned nuclear power plant.As-welded and reheated regions mainly consist of acicular and polygonal ferrite,respectively.Fractographic examination of Charpy V-notch impact toughness specimens reveals large inclusions(0.5-2.5μm)at the brittle fracture primary initiation sites.High impact energies were measured for the specimens in which brittle fracture was initiated from a small inclusion or an inclusion away from the V-notch.The density,geometry,and chemical composition of the primary initiation inclusions were investigated.A brittle fracture crack initiates as a microcrack either within the multiphase oxide inclusions or from the debonded interfaces between the uncracked inclusions and weld metal matrix.Primary fracture sites can be determined in all the specimens tested in the lower part of the transition curve at and below the 41-J reference impact toughness energy but not above the mentioned value because of the changes in the fracture mechanism and resulting changes in the fracture appearance.     

加载速率对岩石动态断裂韧度影响的试验

摘要：
采用CCCD SHPB(Central Cracked Circular Disk Split Hopkinson Pressure Bar)试验系统对花岗岩试件实施不同加载速率下的纯Ι型加载试验,测得平均载荷P(t)随时间的变化关系.将实测的载荷代入到推广的中心裂纹圆盘试件应力强度因子计算公式,获得花岗岩在不同加载速率下的动态断裂韧度,揭示加载速率与动态断裂韧度的相关性.试验结果表明,加载速率为50~350 GPa·m1/2/s时,随加载速率的增加,断裂韧度呈现出线性上升趋势.
关键词：
动态断裂韧度; 加载速率; 霍普金森压杆; 中心裂纹圆盘
中图分类号： TU 45
文献标志码： A     

用能量方法探索测量中等加载速率下大理岩动态起始韧度问题

在开发后的INSTRON试验机上进行湘白玉大理岩动态断裂试验 ,试验由计算机程序控制 ,得到了P LPD、P t曲线。考虑惯性效应 ,用能量方法测定了正方形带直切口三点变曲梁湘白玉大理岩试件的动态起始韧度 ,并用近似方法计算了该试件的临界动应力强度因子。     

Mechanical properties and fracture toughness of rail steels and thermite welds at low temperature

Brittle fracture occurs frequently in rails and thermite welded joints, which intimidates the security and reliability of railway service. Railways in cold regions, such as Qinghai-Tibet Railway, make the problem of brittle fracture in rails even worse. A series of tests such as uniaxial tensile tests, Charpy impact tests, and three-point bending tests were carried out at low temperature to investigate the mechanical properties and fracture toughness of U71Mn and U75V rail steels and their thermite welds. Fracture micromechanisms were analyzed by scanning electron microscopy (SEM) on the fracture surfaces of the tested specimens. The ductility indices (percentage elongation after fracture and percentage reduction of area) and the toughness indices (Charpy impact energy A_k and plane-strain fracture toughness K_IC) of the two kinds of rail steels and the corresponding thermite welds all decrease as the temperature decreases. The thermite welds are more critical to fracture than the rail steel base metals, as indicated by a higher yield-to-ultimate ratio and a much lower Charpy impact energy. U71Mn rail steel is relatively higher in toughness than U75V, as demonstrated by larger A_k and K_IC values. Therefore, U71Mn rail steel and the corresponding thermite weld are recommended in railway construction and maintenance in cold regions.     

铁素体球墨铸铁低温冲击韧性

为了优化生产工艺,探究化学成分对低温冲击韧性影响规律,通过夏比冲击试验方法研究了三组铸态全铁素体球墨铸铁低温冲击韧性,分析了硅碳含量对低温冲击韧性影响及断口形貌。结果表明：三组试样中,冲击韧性随碳含量增多和硅含量降低而升高;冲击韧度值随着温度的降低而下降,-20 ℃下可以达到15.20 J,冲击韧度值在温度低于-40 ℃后变化不大,韧脆转变温度在-40 ℃以上。冲击断口形貌表明,随温度降低,球墨铸铁的断裂机制由韧性断裂转为韧脆混合断裂,最后变为脆性断裂。可见碳硅含量会对低温冲击韧性造成一定影响。     

岩石材料动态断裂韧性的实验研究

为了研究岩石类材料的动态力学性能及动态破坏机理,防止出现岩石爆裂造成灾难性破坏,根据中心裂纹圆盘试件断裂韧性测试方法和分离式霍普金森压杆的基本原理,在SHPB装置上测试了花岗岩的动态断裂韧性。对测试结果按照SHPB基本原理进行处理,以试件两端平均载荷带入准静态公式得到动态断裂韧性。处理结果表明,用试件两端平均载荷获得岩石动态断裂韧性的实验方法有效的;花岗岩的动态断裂韧性具有加载速率相关性,随着加载速率的增加断裂韧性增大。