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加载速率对不同缺口尺寸和加载方式试样断裂行为的影响

王玉良  
【摘要】:本文在-110℃和1~500mm/min的加载速率范围内,对一种压力容器钢16MnR 进行了不同加载速率下的拉伸实验,测量了该钢在不同应变率下的拉伸力学性能。 对两种不同缺口尺寸的缺口试样(V、I)和一种裂纹试样(C)在-110℃和1~ 500mm/min的加载速率范围内进行了不同加载速率下的四点弯曲(4PB)和三点弯 曲(3PB)实验,通过实验观察和参数测量,并结合不同加载速率下缺口和裂纹前 端的应力、应变和应变率分布的有限元(FEM)计算,对加载速率对不同缺口尺寸 和加载方式试样断裂行为的影响进行了研究。得到了下列主要结果: (1) 不同缺口(裂纹)尺寸的V、I和C三种试样的应力集中和塑性拘束度依 次增加,其宏观断裂行为敏感的加载速率范围按1~120mm/min,1~60mm/min和 1~30mm/min依次降低,在这一范围内,其断裂模式随v的增加由延-脆转变断裂 迅速转变为全脆性解理断裂,表征韧性的断裂吸收功E随之迅速降低。在超出上述 速率范围的较高加载速率下,三种试样的断裂行为对加载速率不敏感,其断裂模式 保持为全脆性解理断裂,韧性较低,并且基本不随加载速率v变化。 (2) 有限元计算表明:缺口试样的整体屈服载荷Pgy,缺口前的应力,应变率 均随加载速率的增加而增加。加载方式(3PB,4PB)对缺口前应力、应变和应变率 的分布基本没有影响。塑性拘束较大的直缺口试样(I)的整体屈服载荷及缺口前的 应力、应变和应变率比塑性拘束较小的V缺口试样(V)大。直缺口(I)前的应力 分布对加载速率和外加载荷更敏感,即速率和载荷的增加使尖锐缺口前的应力增加 更快,这是尖锐缺口试样的断裂行为对速率更为敏感的原因之一。 (3) 加载速率(1~500mm/min),缺口尺寸(I,V)和加载方式(4PB,3PB) 对所试验的16MnR钢的细观解理断裂应力σf基本没有影响。其细观原因为该钢解 理断裂的临界事件在不同加载速率、不同缺口尺寸和不同加载方式的试样中没有发 生变化。其临界事件为铁素体晶粒尺寸裂纹扩展控制和裂纹形核控制的竞争,即混 合型临界事件。因而σf是一个不受试样尺寸和加载条件影响的钢的本质韧性参数。 (4) 宏观解理断裂应力σF是试样断裂时缺口前的最大正应力σyymax,其测定值 主要由细观的σf决定,也不随加载速率、缺口尺寸和加载方式变化。σF的值略高于 σf,其分散度小,值更稳定,测量也简单、方便,并且与外加载荷P/Pgy密切相关。 因此σF是一个潜在的工程参数,可用来评价不同加载速率下、不同缺口几何及不同 加载方式时材料与结构的韧性和安全性。 (5) 用σyymax≥σF判据,结合缺口前应力分布的FEM计算,预测了不同加载 速率下、不同缺口尺寸和不同加载方式试样的断裂载荷比Pf/Pgy及其分散带,预测 结果与实验测量吻合良好,表明加载速率对不同缺口尺寸和加载方式试样缺口韧性 的影响,及不同缺口尺寸试样断裂行为的加载速率敏感性,可以用缺口试样解理断 裂的最大正应力判据σyymax≥σF进行分析和描述。同时也进一步表明σyymax≥σF是一 个潜在的工程解理断裂判据。 、、.口洲 兰州理工大学硕士学位论文 摘要 (6)钢中大尺寸的条形和球形夹杂物,在加载早期与基体剥离形成条状和球 状孔洞缺陷(即初始损伤),在这些缺陷尖端及其附近产生较高的局部应力、应变 集中,从而促使了解理的起裂和扩展。


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