壓力容器用低合金鋼的損傷與解理斷裂研究.pdf

1、本文主要通過(guò)對(duì)16MnR鋼三點(diǎn)彎曲預(yù)裂紋試樣解理斷口的觀察以及測(cè)量局部解理斷裂的臨界參數(shù)值，通過(guò)在不同外載荷下和不同溫度下卸載后試樣的金相剖面，仔細(xì)觀察裂紋尖端的斷裂行為，利用有限元計(jì)算了裂紋尖端的應(yīng)力、應(yīng)變和三向應(yīng)力度的分布，還模擬了預(yù)裂紋尖端短裂紋的起裂和擴(kuò)展情況及裂尖構(gòu)形的變化。在這些實(shí)驗(yàn)和計(jì)算的基礎(chǔ)上，我們分析了裂紋尖端的斷裂行為。結(jié)果表明： 在小載荷下預(yù)裂紋僅僅被鈍化，在這一區(qū)域的附近積累的應(yīng)變足以使裂紋形核；而三向應(yīng)

2、力度也足以在另一區(qū)域內(nèi)使形核的裂紋擴(kuò)展，但是這兩個(gè)區(qū)域不重疊，之間有一距離，因此形核的裂紋不能擴(kuò)展，也就不能引發(fā)解理斷裂的發(fā)生。在鈍化的預(yù)裂紋尖端產(chǎn)生的短裂紋起裂、擴(kuò)展并鈍化，這時(shí)一方面引起裂尖的構(gòu)形更加尖銳，另一方面三向應(yīng)力度滿足的區(qū)域更加變寬，從而減少了形核區(qū)與擴(kuò)展區(qū)的距離，使得兩者更加接近，進(jìn)一步增加載荷，達(dá)到兩個(gè)區(qū)域互相重疊，這時(shí)裂紋起裂與擴(kuò)展的條件同時(shí)具備，并在鈍化的預(yù)裂紋尖端的一定距離處起裂與擴(kuò)展，此時(shí)導(dǎo)致解理斷裂的發(fā)生。在

3、低溫(-196℃)時(shí)，試件解理斷裂應(yīng)力判據(jù)：σyy≥σf很易實(shí)現(xiàn)，控制因素是起裂。在轉(zhuǎn)變區(qū)，隨延性裂紋擴(kuò)展，裂尖前端三向應(yīng)力度逐漸提高，而裂尖前端正應(yīng)力升高主要是由于應(yīng)力強(qiáng)化和應(yīng)變強(qiáng)化這兩個(gè)因素決定的。當(dāng)這兩個(gè)特征應(yīng)力值在裂紋形核區(qū)超過(guò)其臨界值時(shí)，發(fā)生由韌性斷裂向脆性解理的轉(zhuǎn)變。而在韌-脆轉(zhuǎn)變區(qū)韌性值的分散是由于在纖維裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，其尖端寬度的隨機(jī)波動(dòng)加上組織中薄弱環(huán)節(jié)的隨機(jī)分布所引起的。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)在裂紋試樣中，第二相粒子尺寸對(duì)材料韌

4、性參數(shù)起主導(dǎo)作用；而溫度對(duì)材料的解理模式起決定性的作用。因此解理斷裂的臨界事件隨溫度的升高發(fā)生由成核控制(起裂控制)，向第二相、夾雜物尺寸微裂紋擴(kuò)展控制和鐵素體晶粒尺寸微裂紋擴(kuò)展控制的轉(zhuǎn)變。 孔洞的形核、生長(zhǎng)以及融合對(duì)金屬的延性斷裂起著主要的作用，孔洞的形核主要通過(guò)二相粒子與基體材料的界面分離或二相粒子本身的碎裂而形成，并由于周?chē)盎w材料的塑性應(yīng)變而生長(zhǎng)擴(kuò)大。微孔洞的萌生、生長(zhǎng)、融合是材料延性損傷及裂紋擴(kuò)展的主要原因，因此在理

5、論上可以用Gurson-Tvergaard-Needlemen模型可以很好的描述金屬在延性—脆性轉(zhuǎn)變過(guò)程中由孔洞形核、生長(zhǎng)、融合造成的延性開(kāi)裂。 本文利用延性損傷理論和Gurson-Tvergaard-Needlemen模型，通過(guò)ABAQUS軟件對(duì)16MnR材料的三點(diǎn)彎實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行了有限元模擬和計(jì)算，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，探討和分析了作為損傷參數(shù)的發(fā)生微孔洞形核的二相粒子的體積百分比f(wàn)N和材料參數(shù)q1隨材料形成孔洞后裂紋前端的應(yīng)力應(yīng)