用于获取金属材料延性断裂韧性的非标准试样测试方法研究

摘要

随着航空、核电、高铁、石油工程的发展，与工程安全密切相关的新型材料断裂疲劳性能及其获取方法研究受到了广泛重视，在获取材料断裂韧性的测试方法中，柔度法和载荷分离法已被国内外断裂测试规范列入推荐。鉴于现行规范中应用弯曲试样获取断裂韧性尚存在问题和欠缺，本文主要完成了如下工作:
　　 (1)基于有限元精细分析提出了一套应用于直通型紧凑拉伸试样(front-facecompacttension，FFCT)和三点弯曲试样（front-facesingleedgedbending，FFSEB）加载线位移VLL与裂纹嘴张开位移V0之间的COD换算公式，新公式可用于非标准试样J积分塑性分量的计算，是金属延性材料断裂韧性国家测试标准（草案）最新推荐的方法要点。
　　 (2)鉴于ASTM断裂韧性测试规范中推荐的载荷分离方法尚不能适用于FFCT和FFSEB试样且基础理论存在量纲不对等问题，本文提出了一套新的无量纲载荷分离表达式和相关公式，根据修正的载荷分离理论完善了用于FFCT和FFSEB试样的材料断裂韧性测试的载荷分离方法，基于FFCT试样实现了汽轮机低压转子材料1Cr12Mo、30Cr2Ni4MoV以及P91管材10Cr9Mo1VnBn三种材料的断裂韧性测试和JR阻力曲线测定；基于1/2TFFCT试样实现了A508-Ⅲ钢的断裂韧性测试;基于FFSEB试样实现了P91管材10Cr9Mo1VnBn的断裂韧性测试和JR阻力曲线测定。
　　 (3)针对用于管道材料断裂韧性评定、具有低约束特性的单边裂纹拉伸(SingleEdgedTension，SET)试样，建立了J积分的增量塑性功算式和塑性因子算式，提出了面向SET试样的无量纲载荷分离法，并应用新方法完成了汽轮机低压转子材料30Cr2Ni4MoV、电站用P92管道钢以及5083-H112铝合金SET试样断裂韧性值和J阻力曲线测定。
　　 (4)基于有限元计算获得到了销钉式和夹持式SET试样的柔度计算公式。为了适应不同载荷形式和约束水平下SET柔度测试要求，对具有偏心为0.25W和0.5W的SET试样也给出了柔度计算公式。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 断裂韧性测试中的柔度法

1．1．1 用于CT和SEB试样的柔度法

1．1．2 用于FFCT和FFSEB试样塑性功计算的COD转换公式

1．1．3 用于SET试样的柔度公式

1．1．4 柔度测试中存在的不足

1．2 测试材料断裂韧性的载荷分离法

1．2．1 载荷分离法研究现状

1．2．2 载荷分离规则化方法

1．2．3 Spb法

1．2．4 载荷分离法中存在的不足

1．3 用于断裂分析的有限元方法

1．3．1 有限元法概述

1．3．2 网格密度对有限元计算精度的影响

1．3．3 有限元中的断裂分析

1．4 本文的主要研究内容

第2章 基于有限元方法的断裂韧性问题求解

2．1 FFCT试样的COD转换公式

2．1．1 有限元计算精度探讨

2．1．2 有限元结果分析

2．1．3 COD转换新公式

2．1．4 验证试验

2．2 FFSEB试样的COD转换公式

2．2．1 有限元计算精度探讨

2．2．2 有限元结果分析

2．2．3 COD转换新公式

2．3 SET试样的J积分算式

2．3．1 J积分增量算式

2．3．2 应力强度因子K

2．3．3 SET试样的塑性因子ηp

2．3．4 SET试样柔度法

2．3．5 偏心加载柔度

2．4 本章小结

第3章 用于SET试样的无量纲载荷分离法与应用

3．1．1 量纲分析法

3．1．2 无量纲载荷分离理论

3．2 基于SET试样的无量纲载荷分离法

3．2．1 无量纲载荷分离理论

3．2．2 基于无量纲载荷分离理论的规则化方法

3．3 无量纲载荷分离法技术路线框图

3．4 试验应用

3．4．1 试验条件

3．4．2 结果分析

3．5 本章小结

第4章 用于FFCT和FFSEB试样的无量纲载荷分离法与应用

4．1 用于FFCT和FFSEB试样的无量纲载荷分离理论

4．2 基于FFCT试样的试验应用

4．2．1 试验条件

4．2．2 试验结果

4．3 基于FFSEB试样的试验应用

4．3．1 试验条件

4．3．2 结果分析

4．4 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的科研情况