WCF－62钢微观断裂过程的研究

采用不同裂纹深度试样及不同类型缺口试样对ＷＣＦ－６２铜下平台及转变区的微观断裂过程进行了研究。在下平台区，断裂为应力控制的Ｋ主导过程，裂纹及缺口试样解理的临界过程分别为第二相尺寸及贝氏体束宽度的微裂纹向周围基体的扩展。在转变区，随延性裂纹扩展，裂端三轴应力度增加，裂端主应力的提升由应力强化与应变强化两个因素决定，延性裂尖宽度变化及解理点在裂尖前的分布均具有随机性，从而导致韧性值的分散。     

缺口夹角对细观解理断裂应力的影响

用弹塑性有限元 (FEM)方法分析了 C- Mn钢不同缺口夹角 4点弯曲试样(4 PB)缺口前的应力 -应变场分布 .精确测量了解理起裂源距缺口根部的距离和细观解理断裂应力σf.结果表明 :当缺口夹角从 10°增加到 90°时 ,断裂时的高应力、应变分布产生了明显变化 ,而σf 值相对保持不变 ;解理的临界事件也没有变化 ,表现为铁素体晶粒尺寸的裂纹扩展进入邻近基体 .因而 σf 主要由临界裂纹的长度决定 ,缺口夹角及与其相关的高应力体积对σf 的值几乎没有影响     

C-Mn钢裂尖区解理断裂行为的研究

对C-Mn钢三点弯曲裂纹试样进行了实验和有限元计算,分析了裂尖断裂行为.研究结果表明在达到某一临界载荷前,裂尖只发生简单的钝化,并且在裂尖前端满足解理断裂三个判据的不同区域是相互分离的.因此形核的裂纹因不能扩展而不能引发解理断裂.随外载荷增加,高于这个临界载荷时,小裂纹在裂尖处形核、扩展,随后被钝化.此时裂尖前端的塑性应变被保留下来,但是三向应力度被释放掉,随后又重新建立,从而使得三个区域相互靠近.在第二个临界载荷下,三个判据都满足的区域相互重叠,解理裂纹形核并扩展.可以在裂纹形核区域和裂纹扩展区域刚要重叠的那一瞬时,决定解理断裂的最小距离.结合解理断裂的三个判据,裂尖断裂行为及由其产生的断裂驱动力参数(εp,σm/σe和σyy)的相应变化为钢的解理断裂在细观上提供了一个完整的物理模型.     

C-Mn钢和焊缝金属韧-脆转变宏观断裂行为

在韧-脆转变温度区对C-Mn钢和焊缝金属的COD,4PB,Charpy V和3NB试样进行了断裂试验。测量了试样断裂载荷、吸收功、加载点位移和断口上纤维裂纹长度,得到了纤维裂纹扩展速度及其前端标称应力随其长度的变化。结果表明随纤维裂纹的扩展,其单位长度吸收的能量降低,扩展速度加快,其前端的标称应力σ_(nom)增加,进一步的分析表明随纤维裂纹的扩展其前端三向应力度和正应力的增加导致韧-脆转变的发生。基于各试样尺寸和加载方式的不同,对其韧-脆转变断裂行为的差别进行了分析。对各种材料的断裂行为以及影响其韧-脆转变的宏观因素也进行了讨论。     

C-Mn钢及焊缝金属的缺口和裂纹试样的微观断裂行为

本文通过起裂源粒子的特征和尺寸分布、裂源处显微组织和残留裂纹的尺寸分布情况,研究了C-Mn钢和两种焊缝金属的Charpy V,COD和预制裂纹冲击试样的微观断裂行为。发现焊缝中的解理裂纹形核于夹杂物或第二相粒子,母材形核于珠光体团;对于同一材料用缺口试样和裂纹试样测得的微观解理断裂应力的不同值是由于断裂过程中临界事件发生了变化。在-45～-65℃范围内,Charpy V 缺口试样中的临界事件是铁素体晶粒尺寸的微裂纹扩展进入铁素体基体;而在-110℃的裂纹试样中,是第二相粒子尺寸的微裂纹扩展进入临近的铁素体晶粒。临界事件的变化认为与缺口根部和裂纹前端不同的有效剪应力有关。建立Charpy V 和COD实验结果之间关系的条件是有关材料铁素体晶粒和第二相粒子的尺寸应当是类似的。     

C-Mn焊缝区缺口和裂纹试样的宏观断裂行为

本文测定了C-Mn钢母材,C-Mn和Ti-B焊缝金属在不同温度下的Charpy V,COD和预制裂纹冲击试验中的断裂载荷、韧性值和断口上纤维裂纹长度,同时也测定了这些材料的力学性能。结果表明COD裂纹试样的局部解理断裂应σ_f比Charpy V 缺口试样高约600MPa。在试验温度区内,控制韧性的因素是断裂载荷、纤维裂纹长度和单位纤维裂纹扩展能量。母材较低的屈服应力σ_y,较强的σ_y对载荷速度的敏感性和较低的σ_f,使其Charpy V脆性转变温度高于焊缝,COD脆性转变温度低于焊缝。还对各韧性试样断裂行为的差别与建立Charpy V和COD结果之间关系的条件也进行了讨论。     

裂纹深度对裂尖应力分布及韧性的影响

对C-Mn钢不同裂纹深度试样的有限元分析及力学实验的结果表明,在未出现延性裂纹的下转变区(-100℃),临界COD值δ_c随裂深度的增加而降低,在相同裂尖张开值时,浅裂纹裂端的三轴应力度明显低于深裂纹,表现为δ_c明显依赖于三轴应力度。解理的临界阶段为第二相尺寸的微裂纹向周围基体扩展的应力控制过程,为使裂端主应力提升至相同水平(δ_f),浅裂纹需要更大的裂尖张开值,这是浅裂纹试样具有较高韧性的内在原因。     

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．     

解理断裂微观准则的研究

对三点弯曲预裂纹试样断口形貌、裂尖附近微孔及残留裂纹进行了观察,并用有限元方法计算了裂尖应力应变场。结果表明,解理点距裂尖存在一个最小距离,在此距离内三轴应力度过低,仅能形成微孔而不能形成解理微裂纹,RKR模型中表述的特征距离并不存在。最小韧性取决于在最小距离上满足解理所需的最小载荷。解理的临界事件是由启裂的第二相尺寸的微裂纹向周围基体的扩展。韧性值的分散和脆性粒子在裂央前的随机分布及微观解理断裂应力的波动有关。     

微观组织对高速车轮钢解理断裂应力的影响

利用不同奥氏体化温度和冷却速率对碳质量分数为0.54%高速车轮钢进行热处理,得到具有不同晶粒尺寸和珠光体片间距微观组织的试样.在-120~20℃温度下对具有不同微观组织的拉伸试样和三点弯曲(3PB)缺口试样进行测试;采用二维平面应变有限元计算三点弯曲缺口试样缺口前的应力分布;利用扫描电镜对3PB试样断口进行观察并测量解理起裂源的位置;测定不同微观组织车轮钢试样的解理断裂应力.在扩展控制断裂机制下,微观组织对车轮钢的解理断裂应力具有明显影响,晶粒尺寸和珠光体片间距越小解理断裂应力越高.细化晶粒使未扩展微裂纹的特征长度减小,细化珠光体片间距有助于提高珠光体的有效表面能,从而使得解理断裂应力提高.     

加载速度对低合金钢缺口试样解理断裂临界事件的影响

通过对低合金钢 (WCF 6 2 )在 - 10 0℃不同加载速度下的缺口试样四点弯曲 (4PB)实验及对断口和截剖金相试样的观察 ,研究了加载速度对低合金钢缺口试样解理断裂临界事件的影响 .结果表明 :加载速度从 30mm min增加到 5 0 0mm min时 ,解理断裂的临界事件由晶粒尺寸裂纹的扩展控制到扩展和起裂的混合控制再转变为起裂控制 ,其根本原因是材料的屈服应力σy 随加载速度的增加而升高 .临界事件随加载速度的变化决定了缺口韧性随加载速度的变化     

水-动力耦合作用下红砂岩动态强度及破坏机理

为探究水化学损伤下红砂岩的动态强度和破坏机理,通过自然、干燥和饱水红砂岩试样的静态单轴压缩和动态单轴冲击试验,结合岩石碎块的电镜扫描(SEM)图像,分析了不同含水状态和应变率荷载等级下岩石的强度特性,并基于损伤断裂理论分析了含水岩石微裂纹起裂和扩展机理.试验结果表明:红砂岩试样动态抗压强度随含水率的增加而降低,随应变率的增加而增大,饱水试样具有显著的应变率效应;冲击荷载下,饱水试样应力-应变曲线具有显著的体积压缩现象,峰值应变最大,塑性变形明显,而干燥试样弹性变形最大,峰前塑性变形最小;受孔隙水影响,饱水试样颗粒结构疏松多孔,胶结物质被溶蚀而使胶结作用弱化.根据最大周向正应力理论,对含水岩石的微裂纹起裂条件和扩展方向进行了讨论,并对裂尖的动态应力强度因子进行了修正.     

含不同角度穿透裂纹板拉伸断裂的有限元模拟

对含不同预置角度穿透裂纹板受拉伸断裂过程进行了数值模拟.选用增量型弹塑性本构关系,采用自编有限元程序求解虚功原理方程,裂纹扩展参照了LS-DYNA商业计算软件处理断裂问题的单元失效方法,考核了不同幅值载荷和预置裂纹角度的影响,给出了不同时刻等效应力云图和指定点的应力、应变随时间变化曲线.计算结果表明:当应力波在板中传播时,会在裂纹尖端引起应力集中,板产生垂直裂纹和水平裂纹.垂直裂纹扩展垂直于加载方向,水平裂纹扩展平行于加载方向,两者均与预置裂纹角度无关.板上不同位置的应力变化仅和相对裂尖位置相关,而与预置裂纹角度无关.相对裂尖位置、与板边界距离和加载位置是影响应变随时间变化的主要因素.当载荷幅值较小时,不会出现裂纹扩展.当载荷幅值较大时,聚集在裂纹尖端的应变能需较长时间才能释放,这会影响水平裂纹的出现时间.     

焊缝缺口试样解理断裂统计分析和断裂模型

通过大量４ＰＢ试样解理断裂力学和断口参数的统计，发现在缺口前端发生于峰值应力左侧的断裂几率大于右侧，并且随温度的降低发生于左侧的几率增加，解理起裂在离开缺口根部的一个最小距离处才能发生，在某一距离范围内断裂几率最大。通过对上述现象的分析提出缺口试样的解理断裂须满足两个条件，即缺口根部的塑性应变ε＿ｐ大于材料中薄弱环节的起裂塑性应变ε＿（ｐｃ），使解理微裂纹形核；最大正应力σ＿（ｙｙ）大于薄弱环节的解理强度σ＿ｆ，使微裂纹扩展。缺口试样的解理断裂有起裂控制的情形，基于新的断裂物理模型，分析了对起裂点位置的统计结果，以及材料微观断裂力学参数对断裂行为的影响。     

残余应力与拘束对GH4169合金疲劳及蠕变-疲劳裂纹扩展速率影响研究

为深入理解残余应力与拘束在疲劳载荷下的交互作用,以镍基高温合金GH4169为研究对象,选用紧凑拉伸(CT)试样,对不同拘束CT试样的上方施加不同大小的预加载荷从而在裂尖产生不同应力。将该应力作为残余应力,系统研究残余应力和拘束交互作用下GH4169合金的疲劳和蠕变–疲劳裂纹扩展速率。结果表明：随着裂尖残余压应力的增加,不同拘束下GH4169合金的疲劳和蠕变–疲劳裂纹扩展速率均降低。与低拘束试样相比,高拘束试样的疲劳和蠕变–疲劳裂纹扩展速率对残余应力的变化更加敏感,这主要与裂尖Mises应力和垂直于裂纹扩展方向的正应力有关。与疲劳裂纹扩展速率相比,蠕变-疲劳裂纹扩展速率对残余应力的变化更加敏感。     

c-Mn钢和焊缝金属韧性数据分散的原因

通过同一温度下的多试样COD和Charpy V 韧性试验,结合宏观微观力学参数测量、断口及金相观察和微观断裂过程分析,对C-Mn钢及其焊缝金属韧性数据分散的本质原因进行了研究。发现分散的本质原因是组织中可作为起裂源的薄弱组织相对于裂纹或缺口前端的位置以及薄弱组织的解理强度σ_f,其中前者是主要原因。有薄弱组织存在的多层焊缝不均匀组织的韧性数据分散度大于组织较为均匀的母材。试样几何尺寸、切口位置和实验温度的不同是引起韧性数据分散的宏观因素。     

C-Mn钢和焊缝金属韧-脆转变微观断裂行为

对C-Mn钢和焊缝金属的COD,4PB,Charpy V和3NB试样在韧-脆转变温度区产生不同纤维裂纹长度后的断裂进行了卸载试验。通过对卸载试样纤维裂纹尖端及其两侧的微孔形态变化的观察和测量,断裂试样断口韧窝形貌以及起裂源粒子及其位置的观察和测量,对上述试样韧-脆转变区的微观断裂机理进行了分析研究。发现无论是裂纹试样还是缺口试样产生纤维裂纹后发生解理断裂的临界事件都是铁素体裂纹的扩展。韧-脆转变的主要影响因素为纤维裂纹扩展其前端三向应力度和最大正应力上升并超过临界值。韧性值的波动是由于在纤维裂纹扩展过程中,其尖端宽度的随机变化和材料中薄弱环节的随机分布引起的。     

小锥度试样在研究应力腐蚀裂纹形核中的应用

尝试利用小锥度试样测量304不锈钢应力腐蚀裂纹的形核时间,以确定裂纹形核在整个断裂过程中的贡献.结果表明,用小锥度试样可以有效测量应力腐蚀裂纹的形核时间.对304不锈钢,在沸腾MgCl2溶液中应力腐蚀裂纹的形核时间与应力之间满足ti=4310exp(-0.0097σ),而断裂时间与应力的关系为tf=6964exp(-0.0095σ),说明应力腐蚀断裂时间的大部分来源于裂纹的形核过程.断口形貌与外加应力有关,随外加应力增大,断口的穿晶解理部分减少.     

有限平面应变Ⅱ型裂纹尖端幂律塑性应力场全解

针对幂律材料、有限平面应变紧凑拉伸剪切(Compact Tension and Shear, CTS)试样,基于能量密度等效方法可得到CTS试样能量密度中值点的代表性体积单元(Representative Volume Element, RVE)的等效应力解析解,以该应力解作为特征应力因子,采用表征CTS试样Ⅱ型裂纹尖端应力场的三角特殊函数,提出了描述有限平面应变幂律塑性Ⅱ型裂纹尖端应力场的半解析模型以及用于描述Ⅱ型裂纹尖端扇贝轮廓式等应力线的理论解.本文Ⅱ型裂纹裂尖场模型对平面应变CTS试样裂尖应力场的预测结果与有限元分析结果密切吻合, Ⅱ型裂纹裂尖幂律塑性应力场模型完善了弹塑性断裂力学,并对剪切型断裂安全评价有重要工程意义.     

带裂纹功能梯度材料薄板SIFs分析的广义参数Williams单元

根据Williams级数位移场,仅考虑弹性模量E为坐标的函数,通过改变裂尖奇异区微单元刚度集成方式,推导建立了功能梯度材料薄板平面断裂分析的广义参数Williams单元新格式.结合含中心斜裂纹和边界裂纹的功能梯度材料薄板,分析了弹性模量E的分布形式、裂纹倾角及裂纹长度对裂尖应力强度因子的影响.算例结果表明:该方法能够直接且高效求解带裂纹功能梯度材料薄板的裂尖应力强度因子;当弹性模量E呈单调变化且其梯度与荷载方向平行或垂直时,分别会使中心斜裂纹两个裂尖的I型或II型应力强度因子值产生差异,而应力强度因子随裂纹倾斜角度的分布规律并不受弹性模量E的分布形式影响.