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材料力学测试技术中的理论方法与实验应用

作　者: 包陈
导　师: 蔡力勋
学　校: 西南交通大学
专　业: 固体力学
关键词: 断裂力学断裂韧性力学性能测试标准载荷分离法规则化法分离参数Spb法柔度法 CT试样 SEB试样 SET试样 J积分 CTOD CTOA 转动修正弹塑性换算高温断裂测试点触式高温柔度法压入试验技术单轴应力应变曲线
分类号: O346.1
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着航空、高速铁路、化工、反应堆工程等的飞速发展,材料断裂性能的工程需求在新世纪迅速扩大。然而,传统断裂力学测试在载荷分离法、柔度法、测试标准的有效应用等方面仍存在一系列问题,一些问题仍具有突出的理论研究与工程应用价值。单轴应力应变曲线的便携测量对于实现工程构件材料力学性能的在役检测意义深远,基于硬度技术的压入法在该领域显示了良好的应用前景,但是现有方法尚不成熟,需要进一步完善。本文对材料断裂测试中的载荷分离法、柔度法以及基于压入技术的单轴应力应变曲线获取方法进行了深入系统的研究,重点完成了如下工作：1.基于相似理论提出了无量纲化载荷分离理论,解决了现行载荷分离理论的量纲不对等问题。基于无量纲化载荷分离理论,发展了改进的分离参数Spb法,新方法有效消除了参考钝裂纹和标定点选择对试样裂纹长度预测的影响。应用新方法完成了Cr2Ni2MoV钢、A508-Ⅲ钢以及输气管道球阀焊接接头等工程材料的JIC、CTOD和CTOA测定,新方法的有效性和实用性得到了验证。根据对ASTM现行规范中载荷分离法的深入研究与创新进展,为金属材料准静态断裂韧度统一试验国家标准新版修订提出了增订的载荷分离法附录草案。2.对柔度测试中现行转动修正方法存在的问题进行了细致研究,基于刚性铰链假设和功等效原理提出了适用于CT、SEB和SET三类试样的柔度转动修正方法。研究结果表明,由弹塑性有限元分析提出的三类试样转动半径计算公式比现行规范公式更为合理和有效；刚性转动对试样裂纹长度的柔度计算不产生附加影响,但对J积分计算结果的影响显著；对于在加载点测量位移的SEB试样无需进行柔度转动修正；在采用柔度法完成JIC测试时,合理的做法是仅对载荷-位移测量曲线进行柔度转动修正,无需对预测裂纹长度的测量柔度进行转动修正。对SEB试样和直通型CT试样提出了裂纹嘴张开位移同加载点(加载线)位移的弹塑性换算公式,使得从裂纹嘴张开位移测量中获得材料断裂韧性JIC有效可行,进而确保了现行材料断裂韧性测试标准在该技术领域的完整性。3.对SEB试样和CT试样提出了测算裂纹长度和等效弹性模量的统一简化公式；修正了柔度法中塑性J积分增量迭代算式的不合理内容；为方便焊缝、复合材料等特殊分层材料的断裂性能测试,基于有限元分析提出了分层结构CT试样的柔度方法；提出了用于断裂性能测试的点触式高温柔度法,拓展了柔度法在高温测试环境中的应用；对不同版本的JIC和CTOD现行断裂测试标准进行了详细的差异比较,选取典型材料研究了不同测试标准对材料断裂性能评价的影响；基于柔度法的系统创新进展,提出了金属材料准静态断裂韧度统一试验国家标准新一轮修订版本中关于柔度法的推荐附录草案。4.基于压入试验技术,发展了直接从球形压头载荷-压入深度曲线中获得材料单轴应力应变曲线的方法；根据A533-B钢、C40钢、316L不锈钢、退火Cu、0Cr18NiTi不锈钢和A105钢等材料的压入试验结果,新方法的有效性得到了验证。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-14
第1章绪论  14-33
  1.1 研究背景及意义  14-16
  1.2 断裂力学测试方法  16-23
    1.2.1 材料脆性断裂韧性K_(IC)测试  16
    1.2.2 材料延性断裂韧性J_(IC)测试  16-18
    1.2.3 裂尖张开位移CTOD测试  18-19
    1.3.4 裂尖张开角CTOA测试  19-23
  1.3 断裂韧度测试技术中的柔度法与存在的问题  23-26
  1.4 载荷分离法研究现状与存在问题  26-27
  1.5 获得金属材料力学性能的压入测试法  27-32
    1.5.1 硬度和弹性模量的测量  27-29
    1.5.2 脆性材料的断裂韧性测量  29
    1.5.3 单轴应力-应变曲线的测量  29-32
  1.6 本文主要研究工作  32-33
第2章载荷分离法基础理论  33-43
  2.1 主导曲线函数  33-34
  2.2 载荷分离理论  34-38
  2.3 规则化方法  38-41
    2.3.1 幂函数  38-39
    2.3.2 LMN函数  39-41
  2.4 ASTM标准中的规则化方法  41-42
  2.5 分离参数S_(pb)法  42
  2.6 载荷分离法研究的不足  42-43
第3章基于无量纲载荷分离理论的S_(pb)改进方法  43-56
  3.1 符合相似原理的无量纲载荷分离理论  43-46
  3.2 两类常用试样的载荷分离性与相似性研究  46-50
    3.2.1 CT试样的载荷分离性与相似性  47-48
    3.2.2 SEB试样的载荷分离性与相似性  48-50
  3.3 改进的分离参数S_(pb)方法  50-55
    3.3.1 参考钝裂纹试样的影响  51-53
    3.3.2 初始裂纹钝化修正及标定点的影响  53-55
  3.4 本章小结  55-56
第4章载荷分离法在延性断裂韧性测定中的工程应用  56-69
  4.1 规则化法在J_R阻力曲线测定中的应用  56-59
    4.1.1 材料与试验  56-57
    4.1.2 载荷分离假设的实验验证  57-58
    4.1.3 结果与讨论  58-59
  4.2 改进的分离参数S_(pb)法在J_R阻力曲线测定中的应用  59-61
  4.3 改进的分离参数S_(pb)法用于输气管道球阀焊接接头的CTOD评定  61-66
    4.3.1 研究背景  61-62
    4.3.2 材料与试验  62-64
    4.3.3 结果与讨论  64-66
  4.4 改进的分离参数S_(pb)法在CTOA测定中的应用  66-67
    4.4.1 材料与试验  66
    4.4.2 分析方法  66
    4.4.3 结果与讨论  66-67
  4.5 本章小结  67-69
第5章用于断裂韧性柔度测试的转动修正方法研究  69-93
  5.1 CT试样现行转动修正方法存在的问题  69-73
  5.2 CT试样的转动修正方法  73-81
    5.2.1 台阶型CT试样的转动修正公式  73-74
    5.2.2 直通型CT试样的转动修正公式  74-75
    5.2.3 CT试样的转动半径R  75-77
    5.2.4 柔度转动效应与CT试样裂纹长度预测  77-78
    5.2.5 柔度转动效应与CT试样的J积分计算  78-79
    5.2.6 CT试样柔度转动修正方法在J_R阻力曲线测试中的应用  79-81
  5.3 单边裂纹弯曲(SEB)试样的转动修正方法  81-87
    5.3.1 在加载点测量位移时的转动修正公式  81-83
    5.3.2 裂纹嘴张开位移的转动修正公式  83-84
    5.3.3 SEB试样的转动半径R  84-85
    5.3.4 SEB试样的转动修正必要性  85-87
  5.4 单边裂纹拉伸(SET)试样的转动修正方法  87-91
    5.4.1 转动修正公式  87-89
    5.4.2 SET试样的转动半径R  89-90
    5.4.3 SET试样的转动修正必要性  90-91
  5.5 本章小结与讨论  91-93
第6章用于材料断裂测试的柔度法完整性研究  93-109
  6.1 柔度法中的裂纹长度统一简化算式  93-95
  6.2 塑性J积分的增量迭代求解  95-96
  6.3 J_(IC)测试中的COD弹塑性换算公式  96-101
    6.3.1 SEB和直通型CT试样的COD弹性换算公式  96-97
    6.3.2 SEB试样的COD弹塑性换算研究  97-98
    6.3.3 直通型CT试样的COD弹塑性换算研究  98-101
  6.4 分层结构CT试样的柔度方法  101-103
  6.5 点触式高温柔度法  103-107
    6.5.1 试验设备的设计与改进  103-104
    6.5.2 COD引伸计的惯性效应  104-106
    6.5.3 载荷比对裂纹长度测量的影响  106-107
  6.6 用于计算机辅助测试的断裂韧性测试软件系统  107-108
  6.7 本章小结  108-109
第7章 J_(IC)和CTOD现行测试标准的评价与改进  109-127
  7.1 J积分测试  109-114
    7.1.1 J_(IC)测试标准  109-110
    7.1.2 试样及尺寸规定  110
    7.1.3 预制疲劳裂纹及加载规定  110-111
    7.1.4 Pop-In评定方法  111-112
    7.1.5 J-Δa阻力曲线评定  112-114
  7.2 裂纹尖端张开位移(CTOD)测试  114-121
    7.2.1 CTOD测试标准  114-115
    7.2.2 试样及尺寸  115
    7.2.3 预制疲劳裂纹及加载  115
    7.2.4 CTOD计算公式  115-119
    7.2.5 δ-Δa阻力曲线评定  119-121
  7.3 基于不同测试标准的J积分和CTOD测试结果比较  121-125
    7.3.1 材料与试验  121
    7.3.2 J积分测试结果比较  121-123
    7.3.3 CTOD测试结果比较  123-125
  7.4 本章小结与讨论  125-127
第8章压入法测定金属材料的单轴应力-应变曲线  127-134
  8.1 基于材料塑性参数的载荷-压入深度函数表达式  127-128
  8.2 系数c_2的确定  128-130
    8.2.1 有限元分析  128
    8.2.2 结果与分析  128-130
    8.2.3 塑性参数σ_y和n的确定  130
  8.3 有效性验证  130-133
  8.4 本章小结  133-134
结论与展望  134-137
致谢  137-138
参考文献  138-153
附录Ⅰ 单试样柔度法指南(GB/T 21143-201x资料性附录-草案)  153-165
附录Ⅱ 载荷分离法指南(GB/T 21143-201x资料性附录-草案)  165-174
攻读博士学位期间学术论文发表及科研情况  174-176

材料力学测试技术中的理论方法与实验应用

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