论文摘要
延性材料的单轴应力应变关系和断裂韧性（如J阻力曲线）是结构安全评定的基础内容,一直是结构完整性研究的重点和难点。随着小尺寸结构件的广泛应用和对服役构件进行微损或无损试验日益迫切的需要,采用小尺寸试样来获取延性材料力学性能及实现结构安全评价有重要学术价值和工程意义。本文在3个方面开展了深入细致的创新研究:基于不同几何构型的Ⅰ型裂纹试样测试材料断裂韧性的方法;基于传统小冲杆试验和圆片小试样侧压试验获取延性材料单轴等效应力应变关系曲线的方法;基于小试样破坏试验获取延性材料临界破断准则和延性断裂韧性的方法。主要完成了以下工作:（1）基于能量等效方法,提出了描述不同几何构型Ⅰ型裂纹试样的半解析载荷P与位移h关系（Semianalytical load vs.displacement,S-LD）模型和半解析J积分与载荷关系（Semianalytical J-integral vs.load,S-JL）模型,并借助简单有限元分析（Finite element analysis,FEA）标定了模型常数;对紧凑拉伸（Compact tension,CT）、内缺口C形拉伸（C-shaped inside edge-notched tension,CIET）、外缺口C形压缩（C-shaped outside edge-notched compression,COEC）等多种裂纹试样进行了FEA,当试样厚度B与宽度W之比为常数时,对于不同裂纹长度、不同构型和不同材料的裂纹试样,FEA获得的Ph与JP关系和由S-LD与S-JL模型预测的结果密切吻合;引入几何因子f,提出了考虑约束效应修正的半解析载荷与位移关系（Constraint-concerned semianalytical load vs.displacement,CS-LD）模型和考虑约束效应修正的半解析J积分与载荷关系（Constraint-concerned semianalytical J-integral vs.load,CS-JL）模型,由CS-LD和CS-JL模型可以实现不同几何约束下裂纹试样的Ph和JP关系的精确理论描述。（2）借助CS-LD与CS-JL半解析模型和Ph试验关系,提出了求解裂纹准静态扩展长度和J阻力曲线的新方法,该方法简称为基于能量等效的断裂韧性试验（Fracture toughness test based on energy equivalent,FT-TEE）方法。针对5种核电、热电材料:26NiCrMoV11-5、Cr2Ni2MoV、1Cr12Mo、P92和A508-III及5种不同构型的裂纹试样完成了试验,获得了Ph试验关系,并应用FT-TEE方法得到了材料的延性J阻力曲线;针对Cr2Ni2MoV和26NiCrMoV11-5钢,由FT-TEE方法得到的延性J阻力曲线与基于载荷分离方法获得的传统试验结果吻合良好。（3）基于FT-TEE方法完成了COEC小试样的高温压缩试验,获得了P92和A508-III钢的高温J阻力曲线;基于CS-LD模型可以获取不同厚度裂纹试样的实时裂纹长度,同时借助三维FEA获取的不同厚度试样的裂纹面刚性转动半径R,提出了基于能量等效的裂尖张开位移试验（Crack tip opening displacement test based on energy equivalent,CTOD-TEE）方法和基于能量等效的裂尖张开角试验（Crack tip opening angle test based on energy equivalent,CTOA-TEE）方法。（4）基于能量等效方法,针对小冲杆试验圆片试样的第III阶段和圆片小试样侧压试验（小侧压试验）的弹塑性段载荷与位移关系提出了理论描述模型;进而分别提出了获取延性材料单轴等效应力应变关系的两种试验新方法:基于能量等效的小冲杆试验（Small punch testing based on energy equivalent,SPT-EE）方法和基于能量等效的圆片小试样侧压试验（Small lateral-compression testing based on energy equivalent,SLT-EE）方法;对于给定的材料应力应变关系,由FEA获得Ph关系曲线,以此应用SPT-EE和SLT-EE方法再分别反演获得材料应力应变关系,结果表明:基于两种新方法对应力应变关系的反演预测结果与FEA给定的材料应力应变关系密切重合。应用SPT-EE和SLT-EE方法对4种材料:P92、DP600、A508-III和Q345B完成了室温试验研究,以及应用SPT-EE方法对两种材料:A508-III和Q345B完成了300℃试验研究,通过圆片小试样实现了材料应力应变关系和抗拉强度的试验获取,并与传统拉伸试验获得的结果相较吻合良好。（5）基于SPT-EE方法获得的材料单轴等效应力应变关系,提出借助小冲杆试验（Small punch testing,SPT）试样和缺口小冲杆试验（Notched small punch testing,NSPT）试样获取延性材料主应力型临界破断准则的方法;针对有限尺寸试样大变形FEA数值仿真,提出了可描述试样裂尖前沿第一主应力分布的修正公式;结合圆片小试样获得的应力型临界破断准则和第一主应力场修正公式,提出了一种基于小冲杆试验的断裂韧性预测（Fracture toughness evaluation based on small punch testing,FTE-SPT）方法。针对P92管道钢和DP600双相钢,实现了圆片小试样获取延性材料临界破断准则和J阻力曲线的应用。
论文目录
文章来源
类型: 博士论文
作者: 彭云强
导师: 蔡力勋
关键词: 延性材料,型裂纹,应力应变关系,断裂韧性,半解析模型,小试样,试验方法,临界破断准则
来源: 西南交通大学
年度: 2019
分类: 基础科学
专业: 力学
单位: 西南交通大学
基金: 国家自然科学基金项目(编号:11472228和11872320)
分类号: O346.1
DOI: 10.27414/d.cnki.gxnju.2019.001844
总页数: 123
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