论文题目: 压力容器用低合金钢的损伤与解理断裂研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 材料加工工程
作者: 俞树荣
导师: 陈剑虹
关键词: 解理断裂,裂尖断裂行为,断裂机理,有限元计算和模拟,损伤,模型
文献来源: 兰州理工大学
发表年度: 2005
论文摘要: 本文主要通过对16MnR钢三点弯曲预裂纹试样解理断口的观察以及测量局部解理断裂的临界参数值,通过在不同外载荷下和不同温度下卸载后试样的金相剖面,仔细观察裂纹尖端的断裂行为,利用有限元计算了裂纹尖端的应力、应变和三向应力度的分布,还模拟了预裂纹尖端短裂纹的起裂和扩展情况及裂尖构形的变化。在这些实验和计算的基础上,我们分析了裂纹尖端的断裂行为。结果表明: 在小载荷下预裂纹仅仅被钝化,在这一区域的附近积累的应变足以使裂纹形核;而三向应力度也足以在另一区域内使形核的裂纹扩展,但是这两个区域不重叠,之间有一距离,因此形核的裂纹不能扩展,也就不能引发解理断裂的发生。在钝化的预裂纹尖端产生的短裂纹起裂、扩展并钝化,这时一方面引起裂尖的构形更加尖锐,另一方面三向应力度满足的区域更加变宽,从而减少了形核区与扩展区的距离,使得两者更加接近,进一步增加载荷,达到两个区域互相重叠,这时裂纹起裂与扩展的条件同时具备,并在钝化的预裂纹尖端的一定距离处起裂与扩展,此时导致解理断裂的发生。在低温（-196℃）时,试件解理断裂应力判据:σyy≥σf很易实现,控制因素是起裂。在转变区,随延性裂纹扩展,裂尖前端三向应力度逐渐提高,而裂尖前端正应力升高主要是由于应力强化和应变强化这两个因素决定的。当这两个特征应力值在裂纹形核区超过其临界值时,发生由韧性断裂向脆性解理的转变。而在韧一脆转变区韧性值的分散是由于在纤维裂纹扩展过程中,其尖端宽度的随机波动加上组织中薄弱环节的随机分布所引起的。同时还发现在裂纹试样中,第二相粒子尺寸对材料韧性参数起主导作用;而温度对材料的解理模式起决定性的作用。因此解理断裂的临界事件随温度的升高发生由成核控制（起裂控制）,向第二相、夹杂物尺寸微裂纹扩展控制和铁素体晶粒尺寸微裂纹扩展控制的转变。 孔洞的形核、生长以及融合对金属的延性断裂起着主要的作用,孔洞的形核主要通过二相粒子与基体材料的界面分离或二相粒子本身的碎裂而形成,并由于周围及基体材料的塑性应变而生长扩大。微孔洞的萌生、生长、融合是材料延性损伤及裂纹扩展的主要原因,因此在理论上可以用Gurson-Tvergaard-Needlemen模型可以很好的描述金属在延性—脆性转变过程中由孔洞形核、生长、融合造成
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摘要
Abstract
第一章 绪论
1．1 工程背景
1．2 国内外研究现状
1．2．1 学科背景:两种破坏理论-断裂力学与损伤力学
1．2．2 断裂力学
1．2．3 损伤力学
1．2．4 考虑到损伤的断裂力学
1．2．5 宏观断裂力学的研究进展
1．2．6 细观解理断裂机理、特征距离及活性区的研究概况
1．3 主要研究内容和技术路线
参考文献
第二章 实验和计算
2．1 实验材料
2．2 试样制备
2．2．1 三点弯曲COD试样
2．2．2 标准拉伸试样
2．3 宏观力学试验
2．3．1 标准拉伸试验
2．3．2 三点弯曲COD试验
2．3．3 系列卸载COD试验
2．4 断口及金相观察
2．4．1 断口观察
2．4．2 系列卸载金相试样观察
2．5 细观断裂力学参数的测量
2．6 计算模型及方法
2．7 拉伸实验结果
2．8 3PB试验结果
2．9 断口观察
2．10 有限元计算结果
2．11 细观断裂力学参数测量结果
2．12 两种不同模拟方式的结果
2．12．1 裂纹沿对称面开裂
2．12．2 裂纹沿斜面开裂
参考文献
第三章 不同温度下的解理机理的探讨
3．1 -196℃下的断裂机理
3．1．1 解理断裂的临界事件
3．1．2 断口和卸载试件的观察及有限元模拟结果的探讨
3．1．3 断裂机理探讨
3．1．4 零起裂试件的探讨
3．2 -110℃下的断裂机理
3．2．1 试样的有限元模拟
3．2．2 粗晶断裂机理的探讨
3．2．3 细晶断裂机理的探讨
3．3 卸载试样金相观察结果
3．3．1 细晶卸载试样金相观察结果
3．3．2 粗晶卸载试样金相观察结果
3．4 16MnR钢 COD裂纹试样低温解理断裂的临界事件
3．5 小结
3．5．1 -196℃下的断裂机理讨论
3．5．2 -110℃下的断裂机理讨论
3．5．3 不同温度下的断裂机理讨论
参考文献
第四章 韧脆转变解理机理的研究
4．1 裂纹长度对断裂载荷、断裂吸收功、J积分值和断裂韧度δ_c值的影响
4．2 试样卸载图分析
4．3 韧脆转变区解理断裂临界事件的探讨
4．4 纤维裂纹扩展转变为脆性解理断裂的机制
4．5 韧-脆转变区韧性值产生分散的原因
4．6 小结
参考文献
第五章 材料损伤模型及其算法
5．1 基于细观力学的损伤理论
5．2 Gurson损伤模型
5．3 延性损伤及G-T-N损伤模型研究与应用情况
5．3．1 裂纹的形成、扩展的研究
5．3．2 塑性应变局部化
5．3．3 孔洞分布和形状对材料模型的影响
5．3．4 对解理断裂的研究
5．4 有限元方法在延性损伤研究中的应用问题
5．5 G-T-N损伤模型数学模型的建立
5．5．1 G-T-N模型的屈服方程
5．5．2 多孔金属的本构关系
5．5．3 考虑到率相关和温度相关的基体材料的力学行为
5．5．4 内变量(ε|-)~(pl)和f的演化率
5．6 G-T-N数学模型的数值求解
5．7 G-T-N模型计算程序结构
5．8 G-T-N数学模型及计算程序中所需要的参数的确定
参考文献
第六章 损伤模型计算及分析
6．1 有限元模型建立
6．2 材料参数的确定
6．3 试件有限元分析
6．3．1 -80℃下模型计算分析
6．3．2 -30℃下模型计算分析
6．3．3 -80℃下弹塑性材料与含有损伤孔洞材料的分析
6．4 计算结果讨论
6．4．1 -80℃计算模型讨论
6．4．2 -30℃计算模型讨论
6．4．3 -80℃下弹塑性材料与含有损伤孔洞材料的讨论
6．5 小结
参考文献
主要结论
致谢
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攻读学位期间取得的科研成果
发布时间: 2006-08-10
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