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压力容器用钢在不同温度下断裂行为的研究

严志刚  
【摘要】:本文主要通过对16MnR钢三点弯曲预裂纹试样解理断口的观察以及测量局部解理断裂的临界参数值,通过在不同外载荷下和不同温度下卸载后试样的金相剖面,仔细观察裂纹尖端的断裂行为,利用有限元计算了裂纹尖端的应力、应变和三向应力度的分布,还模拟了预裂纹尖端短裂纹的起裂和扩展情况及裂尖构形的变化。在这些实验和计算的基础上,我们分析了裂纹尖端的断裂行为。结果表明: 在小载荷下预裂纹仅仅被钝化,在这一区域的附近积累的应变足以使裂纹形核;而三向应力度也足以在另一区域内使形核的裂纹扩展,但是这两个区域不重叠,之间有一距离,因此形核的裂纹不能扩展,也就不能引发解理断裂的发生。在钝化的预裂纹尖端产生的短裂纹起裂、扩展并钝化,这时一方面引起裂尖的构形更加尖锐,另一方面三向应力度满足的区域更加变宽,从而减少了形核区与扩展区的距离,使得两者更加接近,进一步增加载荷,达到两个区域互相重叠,这时裂纹起裂与扩展的条件同时具备、并在钝化的预裂纹尖端的一定距离处起裂与扩展,此时导致解理断裂的发生。在“绝对”低温(-196℃)时的机理为:在该温度下,试件解理断裂只需满足应力判据:σ_(yy)≥σ_f和一定的特征距离。在转变区,随延性裂纹扩展,裂尖前端三向应力度逐渐提高,而裂尖前端正应力升高主要是由于应力强化和应变强化这两个因素决定的。当这两个特征应力值在裂纹形核区超过其临界值时,发生由韧性断裂向脆性解理的转变。而在韧-脆转变区韧性值的分散是由于在纤维裂纹扩展过程中,其尖端宽度的随机波动加上组织中薄弱环节的随机分布所引起的。同时还发现在裂纹试样中,晶粒尺寸对材料韧性参数起主导作用;而温度对材料的解理模式起决定性的作用。因此解理断裂的临界事件随温度的升高发生由成核控制(起裂控制),第二相、夹杂物尺寸微裂纹扩展控制和铁素体晶粒尺寸微裂纹扩展控制的转变。


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