厚钢板CTOD试验取样方向及疲劳裂纹扩展问题研究

摘要

结构的疲劳破坏和断裂不断推动着人们对材料断裂韧性及疲劳问题的研究，以断裂力学手段研究材料韧性及疲劳裂纹扩展问题显得更加重要。CTOD作为材料的韧性指标，可充分体现材料的抗开裂能力，表征材料的疲劳裂纹扩展规律，其独特优势促使着CTOD评定技术的快速发展应用，也使得试验中的关键问题表现的更加突出，这些问题也越来越需要得到合理的解决。同时，材料本身的疲劳裂纹扩展规律也对CTOD试验过程及结果产生一定的影响。将CTOD试验关键问题与材料疲劳裂纹扩展问题结合起来一起讨论，既能明确解决试验中的相应问题，又能通过试验结果研究材料的疲劳裂纹扩展规律，对CTOD试验技术的推广及含裂纹构件的防裂抗断设计都有重要意义。 本文以厚钢板母材及焊接接头为研究对象，研究了厚钢板CTOD试验中母材、焊缝试样的不同取样方向及不同取样方向下的疲劳裂纹扩展问题等，主要分为四部分。 在第一部分中，本文对比研究了各国CTOD试验规范对试样取样方向的规定，发现规范中对厚钢板CTOD试验的取样方向没有做明确要求，工程实践中常采用一种取向下的试样进行试验具有一定局限性，同时该部分对疲劳裂纹扩展机理模型等进行了研究，为下文分析提供理论支撑。 在第二部分中，本文对大厚度API2W Gr60钢板母材及热处理后母材进行了Y-X和Y-Z取样方向下的CTOD试验研究，得到了所有试样，两种取样方向下的疲劳裂纹扩展速率及CTOD试验结果，确定了厚钢板母材裂纹尖端抗开裂能力薄弱的方向，为CTOD试验中母材试样取向的合理选择和工程实践中钢板的合理使用提供了依据。 在第三部分中，本文对焊接接头焊缝中心试样进行研究，确定影响其疲劳裂纹扩展的主要因素是焊接残余应力的横向残余应力，通过有限元分析软件模拟了厚钢板焊接过程并对焊缝中心NQ试样进行CTOD试验，得到NQ试样的疲劳裂纹扩展规律，发现NQ试样不需要预处理也可以得到较好的裂纹前沿平直度，为CTOD试验中焊缝试样取向的选择以及测得更接近材料实际韧度的CTOD值提供了新思路。 在第四部分中，本文对EH40厚钢板疲劳裂纹扩展速率试验进行研究，分析了疲劳裂纹扩展增量Δα与裂纹嘴张开位移塑性分量Vp的关系，发现两者只有在a/W≤0.55时，保持着良好的线性关系，由此对试验数据进行修正，得到试样疲劳裂纹扩展速率da/dN-Δk曲线及表达式，并继续用CTOD值δ作为参量研究疲劳裂纹扩展速率，发现两者具有一定关系，得到了以δ/2Δα表述的疲劳裂纹扩展速率表达式：da/dN=K(δ/2Δα)c，该式不仅适用于材料的线弹性阶段，也适用于材料弹塑性状态下的裂纹扩展研究，为表征塑性较好的材料疲劳裂纹扩展速率及剩余疲劳寿命提供了新方法。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 断裂力学的发展

1.2 疲劳裂纹扩展问题研究意义

1.3 材料的韧性

1.4 材料的韧性试验

1.5 CTOD试验研究现状

1.6 本文研究的主要内容

第2章 CTOD试样取样方向及疲劳裂纹扩展研究

2.1 CTOD试样取样方向

2.2 疲劳裂纹扩展问题研究

2.3 本章小结

第3章 厚钢板母材不同方向下的抗开裂能力研究

3.1 CTOD试验过程

3.2 试验结果及分析

3.3 本章小结

第4章 厚钢板焊接接头试样疲劳裂纹扩展规律研究

4.1 疲劳裂纹扩展影响分析

4.2 厚钢板焊接残余应力模拟

4.3 焊接横向残余应力对疲劳裂纹扩展的影响

4.4 NQ方向取样试样的CTOD试验

4.5 本章小结

第5章CTOD与疲劳裂纹扩展速率试验研究

5.1试验原理及目的

5.2 试验过程

5.4 试验结果处理

5.5.试验结果分析

5.6 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间公开发表的论文

攻读硕士学位期间参与的科研项目

附录A