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金属材料韧性断裂模式的分析及其在压力容器中的应用

王晓春  
【摘要】: 金属材料在复杂应力状态下的韧性断裂是断裂力学研究的重要问题之一。已有的研究表明,局限于宏观断裂力学范围之内的研究难以取得突破性的进展。本文以45~#调质钢和压力容器常用钢材16MnR为研究对象,对金属材料韧性断裂的断裂模式进行细观机理上的研究,进而分析一种工程结构——采用与筒体厚度不同的半球形封头的压力容器的筒体连接结构——的静载变形特点和破坏形式,尝试在以应力应变为主要参数的传统方法之外,寻求一种新的结构承载能力分析的方法。 本文对金属材料Ⅰ—Ⅱ复合型韧性断裂存在的韧窝型和剪切型两种断裂模式进行了讨论。韧窝型断裂由材料内空穴的形核、扩张和汇合造成,断裂判据可以采用“V_(GC)准则”或CTOD~I准则,断裂角可以采用M准则确定。剪切型断裂在微观上与晶粒内或晶粒间的滑移和位错有关,细观上与集中变形带中的微剪切面集中有关,宏观上则与结构内的集中剪切带有关。两种断裂模式在材料变形过程中同时存在,相互竞争。存在材料常数——临界应力三轴度,材料内应力三轴度高于临界值时,断裂为韧窝型的,反之,为剪切型的。 本文主要在以下几个方面取得了一定的进展: ①通过四点弯试件的断口和切片试验,观察到裂纹尖端同时存在两种断裂机制——在两种断裂模式相互转化的临界状态附近,裂纹前方既有钝化和延伸区中的空穴形核扩张,又有锐化角前剧烈的集中剪切变形。试件的整体断裂为剪切型,但在试件芯部裂尖钝化区中部出现了韧窝型启裂并有一定的扩展,说明局部较高的应力三轴度也会使韧窝型机制得以发展,但是不改变试件整体的剪切型断裂模式; ②对韧性断裂的剪切模式的细观机理做了一定的探讨,并且提出了含裂纹构件剪切型断裂的宏观判据:认为裂纹前方的集中剪切带中与裂纹尖端等半径处最大有效塑性应变出现的方向可以作为裂纹剪切断裂的方向(可简称为ε_(pmax)准则),集中剪切滑移带贯穿裂纹前方承载韧带时的载荷可以作为极限载荷; ③本文运用金属韧性断裂细观力学在Ⅰ一Ⅱ复合型韧性断裂方面的研究成果,采用失效评定图的形式,提出了倾斜裂纹的安全性评定方法的基本框架。按倾斜裂纹的断裂模式的不同将其安全评定分为两大类:韧窝型断裂采用失效评定曲线评定,剪切型断裂采用极限载荷评定; 江上护 浙江大学博士学位论文 ④对一个高压容器半球形封头与筒体连接结构(设计压力引.4MPa,半球形 封头壁厚为筒体厚度一半)进行小变形增量理论的弹塑性有限元分析,计算了金 属材料韧性断裂有关的细观力学参量。在金属韧性断裂细观力学和复合型断裂的 研究成果基础上,讨论其在工作状态下的安全性和可能出现的断裂破坏模式,并 对其结构设计的合理性进行了分析。得出了以下结论: *在8792MPa的载荷下筒体一封头连接结构处的集中剪切带贯穿韧带, 可能发生沿与原裂纹线成155“角方向剪切型断裂;筒体一封头连接结构不可能 发生韧窝型断裂; (2)在工作压力下进行次数不多的反复加、卸载,结构不会破坏,也不会丧 失安定性:结构在工作状态下是安全的; m在本文的弹塑性有限元模拟计算中,对于裂纹尖端进行力学分析时,不 考虑压力容器制造过程中水压试验的影响,将导致计算结果出现较大的偏差; (4)筒体完全屈服时的载荷为92石3MPa,封头完全屈服时载荷为86.35MPa, 筒体一封头连接结构处的集中剪切带贯穿韧带时的载荷为8792MPa。当定义筒 体、封头全屈服时的载荷和裂尖塑性区贯穿韧带时的载荷为极限载荷时,筒体、 封头和连接结构的极限载荷相近,因此就抵抗宏观剪切型断裂而言,该结构可以 认为近似是“等强度”的。


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