連續(xù)球壓頭壓入試驗(yàn)測算壓力容器鋼斷裂韌度方法研究.pdf

1、現(xiàn)代過程工業(yè)裝備傾向于大型化，工藝條件趨向于苛刻化，為保證裝置的安全運(yùn)行，結(jié)構(gòu)完整性評估和風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)應(yīng)用日益廣泛。二者分析的基礎(chǔ)是在役設(shè)備材料力學(xué)性能測定。斷裂韌度作為材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，是設(shè)備服役過程中必須重點(diǎn)關(guān)注的力學(xué)性能指標(biāo)。因此，研究在役設(shè)備無需取樣的斷裂韌度測試技術(shù)，可以在保證裝置安全服役的同時(shí)獲取最大經(jīng)濟(jì)效益。針對這一研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)，作者開展了連續(xù)球壓頭壓入試驗(yàn)測算材料斷裂韌度機(jī)理、臨界壓入能模型（Critical I

2、ndentation Energy，簡稱CIE模型）修正、常溫和高溫條件下CIE修正模型驗(yàn)證等研究工作，具體如下:
　　在掃描電鏡下觀測緊湊拉伸試樣、壓入試樣、拉伸試樣、純剪切試樣斷口和剖面損傷的微觀形貌，表明緊湊拉伸試樣和拉伸試樣的斷口形貌均為微孔聚合型的等軸韌窩，剖面損傷的微觀形貌均為球形（橢球形）微孔洞，二者損傷機(jī)理相同，基體材料內(nèi)部夾雜顆?；蚨蜗嗔Ｗ釉诶鞈?yīng)力作用下與基體脫粘是微孔洞形核的主要原因。壓入試樣和純剪切試樣的

3、斷口形貌均為剪切韌窩（壓入試樣傾向于在剪應(yīng)力作用下開裂，但其處于壓縮應(yīng)力場下，并未產(chǎn)生宏觀裂紋），剖面損傷的微觀形貌均表現(xiàn)為楔形孔洞，二者損傷機(jī)理相同，剪應(yīng)力作用下材料內(nèi)部位錯(cuò)積塞是微孔洞形核的主要原因。
　　通過有限元數(shù)值方法或解析方法分析各試樣損傷區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)緊湊拉伸試樣預(yù)制疲勞裂紋尖端與拉伸試樣頸縮截面的應(yīng)力三軸度都超過高應(yīng)力狀態(tài)閥值，此種高應(yīng)力狀態(tài)下材料趨向于發(fā)生微孔聚合型斷裂;而壓入試樣損傷區(qū)域與純剪切試樣剪切截

4、面的應(yīng)力三軸度都低于低應(yīng)力狀態(tài)閥值，此種低應(yīng)力狀態(tài)下材料趨向于發(fā)生剪切斷裂。應(yīng)力狀態(tài)分析結(jié)果與微觀觀測結(jié)果相一致。
　　將剪應(yīng)力作用下材料的損傷程度定義為剪切損傷度，基于材料臨界損傷應(yīng)變能釋放率是定值，推導(dǎo)了臨界拉伸損傷度和臨界剪切損傷度之間的關(guān)系，將微孔聚合型斷裂中材料損傷程度和剪切斷裂中材料損傷程度聯(lián)系起來。以單軸拉伸試驗(yàn)和純剪切試驗(yàn)為紐帶將連續(xù)球壓頭壓入試驗(yàn)和常規(guī)斷裂力學(xué)試驗(yàn)間接關(guān)聯(lián)起來。
　　在壓入試驗(yàn)斷裂韌度測算機(jī)

5、理的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際壓入試驗(yàn)中試樣變形，從三方面修正了影響CIE模型斷裂韌度測算精度的兩個(gè)參數(shù)，材料臨界損傷度和有效彈性模量:首先，提出壓入試樣中材料的臨界壓入深度應(yīng)當(dāng)采用臨界剪切損傷度計(jì)算，引入加卸載拉伸試驗(yàn)獲取材料的臨界拉伸損傷度，將其轉(zhuǎn)化為臨界剪切損傷度，所有材料的臨界剪切損傷度MⅡ*=0.25。其次，考慮到實(shí)際測試材料（彈塑性材料）卸載前的塑性變形，基于Hertz接觸理論提出連續(xù)球壓頭壓入試驗(yàn)中材料有效彈性模量計(jì)算公式，該公

6、式較Pharr-Oliver公式更具有普適性。最后，采用量綱分析與有限元模擬相結(jié)合的手段，推導(dǎo)了符合Johnson-Cook模型（四參數(shù)本構(gòu)模型）材料的堆積系數(shù)計(jì)算公式，為精確獲取有效彈性模量計(jì)算公式中的壓痕投影面積奠定了基礎(chǔ)。
　　以壓力容器中常用的五種不同類型的低合金鋼，Q345R（C-Mn系列鋼）、15CrMoR（Cr-Mo系列鋼）、SA508-3（Mn-Ni-Mo系列鋼）、18MnMoNbR(Mn-Mo-Nb系列鋼)以及S

7、30408（Cr-Ni系列鋼）為代表，分別進(jìn)行常規(guī)力學(xué)性能試驗(yàn)和連續(xù)球壓頭壓入試驗(yàn)。分別采用CIE模型和CIE修正模型測算各材料的斷裂韌度，結(jié)果表明:CIE模型斷裂韌度測算結(jié)果與傳統(tǒng)斷裂韌度試驗(yàn)（緊湊拉伸試驗(yàn)）實(shí)測值之間存在較大偏差;而CIE修正模型的斷裂韌度測算偏差在15％之內(nèi)，測算結(jié)果精度更高，不同控制參數(shù)下，CIE修正模型的穩(wěn)定性較好。此外，在250℃以下，CIE修正模型可以穩(wěn)定地描述材料斷裂韌度隨溫度變化趨勢。至此，CIE修正模