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金属材料断裂韧性的研究

作　者: 张志明
导　师: 李余德
学　校: 上海交通大学
专　业: 固体力学
关键词: 断裂韧性温度数学模型断裂参量数值分析失效评定图
分类号: O346.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

文中对金属材料断裂韧性的影响因素进行了系统分析。假定影响金属材料断裂韧性的其它因素均保持不变,把温度对断裂韧性的影响进行单独研究。一些关于压力容器钢断裂韧性的研究结果表明,当温度达到上平台温度之后,断裂韧性会随着温度的继续升高而下降,即存在韧性劣化的现象。相对于低温范围断裂韧性的研究,中、高温范围内断裂韧性的研究仍显不足,且实际工程中许多构件在高温条件下工作,按照常温力学性能设计的构件存在某种意义上的安全隐患,因而研究温度对断裂韧性的影响就显得相当重要。文中结合C-Mn钢韧断机理的研究成果与点缺陷在应力场中的迁移运动规律,通过理论分析建立了断裂韧性JIC与温度T的数学模型,在此基础上对多种压力容器钢断裂韧性的实验数据进行了分析,最后验证了模型的合理性。文中使用有限元软件ANSYS对断裂参量J积分进行了数值分析,分析了温度对J积分的影响。此外,还对试样几何因素以及裂纹尺寸和裂纹倾角等对J积分的影响进行了数值分析。文中最后结合实际工程算例,就中温范围内的韧性裂化行为对用于含缺陷压力容器和管道安全评定的失效评定图的影响进行了研究。结果表明,使用失效评定图对结构安全进行评定时,不考虑韧性劣化行为的评定结果与考虑韧性劣化行为的评定结果之间存在较大差异。因此,对于中温段工作的压力容器和管道的安全评定还应计入断裂韧性下降的影响。文中得到的一些结论具有一定的普遍性,对于压力容器以及管道等的安全性设计和评定具有非常重要的意义。主要研究内容和成果总结如下:(1)对于所研究的压力容器钢,当达到上平台温度之后,其断裂韧性会随着温度的继续升高而存在下降的趋势,即存在韧性劣化的现象;(2)建立的断裂韧性JIC与温度T的关系与实验结果符合的很好,此数学模型可较方便准确地估算材料的断裂韧性值;(3)有限元计算表明,随着温度的不断升高,恒定外力作用下,材料的断裂参量J积分呈现上升的趋势,且在温度变化的初始阶段,J积分变化较缓慢,随着温度的不断升高,J积分变化的幅度会越来越大;试样几何因素对J积分的计算结果产生显著的影响;裂纹尺寸对J积分也产生明显的影响,裂纹越长,构件破坏的可能性就越大;在倾角变化的开始阶段,J积分变化不怎么明显,随着倾角的不断增加,J积分呈现显著下降的趋势;且从裂纹张开位移δ得到的结论与J积分较为相似;(4)实际工程算例的分析表明,在中温范围内,材料的韧性劣化行为对用于压力容器和管道安全评定的失效评定图产生显著的影响。考虑韧性劣化行为的评定结果与不考虑韧性劣化行为的评定结果存在较大差别。因此,使用失效评定图对含缺陷压力容器和管道进行安全评定时,应计入韧性劣化的影响。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-16
  1.1 断裂力学的发展  9-10
  1.2 宏观断裂力学的发展及其局限性  10-12
  1.3 宏微观断裂力学  12-13
    1.3.1 理论特征  12
    1.3.2 应用特征  12-13
  1.4 断裂力学的研究现状  13-14
  1.5 课题研究的工程背景以及研究现状  14-15
  1.6 课题研究的主要工作  15-16
第二章断裂力学基本理论  16-26
  2.1 线弹性断裂力学的基本理论  16-20
    2.1.1 能量平衡理论  16-17
    2.1.2 应力场强度理论  17-20
  2.2 弹塑性断裂力学的基本理论  20-25
    2.2.1 裂纹顶端张开位移COD理论  20-23
    2.2.2 J积分理论  23-25
  2.3 本章小结  25-26
第三章金属材料断裂韧性影响因素的分析  26-35
  3.1 内部因素  26-32
    3.1.1 组织结构的影响  26-27
    3.1.2 化学成分的影响  27-31
    3.1.3 晶粒尺寸的影响  31
    3.1.4 第二相粒子的影响  31-32
  3.2 外部因素  32-34
    3.2.1 试样几何因素的影响  32-33
    3.2.2 加载速率的影响  33-34
  3.3 本章小结  34-35
第四章金属材料断裂韧性随温度变化的研究  35-53
  4.1 断裂韧性数学模型的建立  35-41
    4.1.1 理论分析  35-38
      4.1.1.1 模型物理—力学基础  35-36
      4.1.1.2 韧性断口形貌观察  36
      4.1.1.3 空位的一些理论成果  36-37
      4.1.1.4 晶体缺陷形成能分析  37-38
    4.1.2 理论假定与推导  38-41
      4.1.2.1 热平衡状态的空位浓度  38-39
      4.1.2.2 数学模型的建立  39-41
      4.1.2.3 数学模型的讨论  41
  4.2 数据分析  41-50
    4.2.1 数据分析  42-48
    4.2.2 国外其它数据分析  48-50
  4.3 比较分析  50-51
  4.4 结论  51-52
  4.5 本章小结  52-53
第五章断裂参量的数值分析  53-71
  5.1 有限元法简介  53-55
    5.1.1 有限元法基本思路  53-54
    5.1.2 奇异裂纹单元  54
    5.1.3 J积分的有限元表述  54-55
  5.2 算例分析  55-69
    5.2.1 三点弯曲模型的有限元计算  55-66
      5.2.1.1 有限元模型  56-58
      5.2.1.2 结果分析  58-66
    5.2.2 单边裂纹模型的有限元计算  66-69
      5.2.2.1 有限元模型  66-67
      5.2.2.2 结果分析  67-69
  5.3 结论  69-70
  5.4 本章小结  70-71
第六章韧性劣化对失效评定图的影响  71-81
  6.1 失效评定图  71-73
    6.1.1 失效评定曲线  72-73
    6.1.2 安全系数和安全裕度  73
  6.2 国内采用的失效评定图  73-75
  6.3 韧性劣化对失效评定图的影响的分析  75-76
  6.4 算例分析  76-80
  6.5 本章小结  80-81
第七章总结与展望  81-83
  7.1 全文总结  81
  7.2 工作展望  81-83
参考文献  83-88
致谢  88-89
攻读硕士学位期间发表的论文  89-91

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