基于局部法的预应变下高强钢断裂预测研究

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钢材因其具有良好的力学性能、经济性能和使用性能等优点,在船舶、桥梁、压力容器、电力铁塔、高层建筑、油气管道等民用和工业设施领域得到广泛地应用,是国民经济建设和国防建设中的重要材料。但无论是在安装还是在实际服役过程中都会受到温度和塑性变形的影响。针对这两种影响因素,本文选取Q420高强结构钢和X80管线钢为研究对象,系统研究了温度和塑性预应变对钢材力学性能及其断裂韧度的影响,并基于局部法对其断裂行为进行了预测。首先根据冲击试验结果得出Q420高强结构钢和X80管线钢的韧-脆转变温度区间。然后对这两类钢材的原材料和预应变材料分别进行了不同温度下的拉伸试验。试验结果表明,钢材的屈服强度和抗拉强度随着温度的降低而增大,塑性随着温度的降低而减小;拉预应变因工作硬化提高了钢材的屈服强度与抗拉强度,而压预应变因包申格效应降低了钢材的屈服强度与抗拉强度,但两者都降低了钢材的塑性。此外,无论是拉预应变还是压预应变对屈服强度的影响程度更大。利用标准三点弯曲试样分别测试了Q420高强结构钢和X80管线钢原材料和预应变材料在不同温度下的断裂韧度。试验结果表明,温度对钢材的断裂韧度具有显著影响,其随着温度的降低显著减小,断裂形式也由延性断裂向脆性断裂转变;无论是拉预应变还是压预应变都降低了钢材的断裂韧度,进一步引起钢材断裂形式的转变。此外,本文并对不同断裂方式下的试样断口形貌进行了分析。通过有限元数值模拟分析发现,温度和预应变对试样断裂时裂纹尖端区域应力应变场的增大作用促进了材料的脆性断裂,即弹塑性材料的断裂主要取决于裂纹尖端的应力应变场及其微观断裂过程。本文将局部法应用于结构钢和管线钢预应变材料的断裂行为研究。研究发现,不同温度下的原材料试样和预应变材料试样发生断裂时,在相同断裂概率下的威布尔应力基本相同,并基于局部法理论由原材料试样的试验结果成功预测了不同温度下预应变试样的断裂韧度概率分布。此外,本研究提出了一个简单的参考温度ΔT_P评定方法:在服役温度T下的预应变材料试样的临界CTOD值可以由较低温度TΔT_ P下的原材料试样的临界CTOD值所代替,参考温度ΔT_ P是作为预应变引起的流变应力的变化值Δσ~P_f的函数提出的。由该评定方法得出的ΔσP~_ f-ΔT_ P评定曲线与试验直接得到的结果基本一致。
中文摘要第3-4页
ABSTRACT第4-5页
目录第6-9页
第一章 绪论第9-35页
    1.1 研究背景第9-15页
        1.1.1 结构钢的发展与应用现状第9-10页
        1.1.2 管线钢的发展与应用现状第10-12页
        1.1.3 钢材服役环境及其断裂事故第12-15页
    1.2 钢材脆性断裂分析第15-18页
        1.2.1 脆性断裂第15页
        1.2.2 脆性断裂特征第15-16页
        1.2.3 脆性断裂的影响因素第16-18页
    1.3 断裂力学理论第18-28页
        1.3.1 线弹性断裂力学第19-22页
        1.3.2 弹塑性断裂力学第22-26页
        1.3.3 概率断裂力学第26-28页
    1.4 预应变研究现状第28-34页
        1.4.1 预应变对拉伸特性的影响第28-29页
        1.4.2 预应变对初始断裂韧性的影响第29-30页
        1.4.3 预应变作用的断裂模型第30-34页
    1.5 本文研究内容第34-35页
第二章 钢材的化学成分及力学性能第35-53页
    2.1 前言第35页
    2.2 化学成分第35-36页
    2.3 冲击试验第36-39页
    2.4 拉伸试验第39-51页
        2.4.1 试样形式及制备第39-41页
        2.4.2 试验原理与过程第41-45页
        2.4.3 试验结果及数据处理第45-51页
    2.5 温度对钢材力学性能的影响第51页
    2.6 预应变对钢材力学性能的影响第51-52页
    2.7 本章小结第52-53页
第三章 钢材断裂韧度测试及温度与预应变 对断裂行为影响的研究第53-78页
    3.1 前言第53页
    3.2 断裂韧度测试原理第53-54页
    3.3 试样制备与试验过程第54-62页
        3.3.1 试样形状、尺寸和制备第54-58页
        3.3.2 试验过程第58-62页
    3.4 Q420 高强结构钢断裂韧度测试研究第62-67页
        3.4.1 试验结果第62-65页
        3.4.2 试验结果分析第65-67页
    3.5 X80 管线钢断裂韧度测试研究第67-71页
        3.5.1 试验结果第67-70页
        3.5.2 试验结果分析第70-71页
    3.6 试样断口形貌分析第71-77页
        3.6.1 δ_ m 断裂方式下试样断口形貌第72-74页
        3.6.2 δ_ u 断裂方式下试样断口形貌第74-75页
        3.6.3 δ_c 断裂方式下试样断口形貌第75-77页
    3.7 本章小结第77-78页
第四章 局部法理论第78-93页
    4.1 前言第78-79页
    4.2 脆性断裂的局部准则第79-80页
    4.3 局部法理论模型第80-87页
        4.3.1 最薄弱环节模型(WLM)第81-84页
        4.3.2 束-链模型(CBM)第84-87页
    4.4 威布尔参数的估计第87-91页
        4.4.1 威布尔参数的求解方法第87-90页
        4.4.2 威布尔参数估计中的几个关键问题第90-91页
    4.5 基于局部法的断裂韧度分布的预测方法第91-93页
第五章 预应变试样断裂行为预测研究第93-110页
    5.1 前言第93页
    5.2 有限元数值分析第93-98页
        5.2.1 材料力学性能第93页
        5.2.2 有限元模型第93-95页
        5.2.3 计算结果第95-98页
    5.3 两种原材料试样威布尔应力的统计分布第98-100页
    5.4 基于局部法对预应变试样断裂韧度预测第100-105页
        5.4.1 对Q420 预应变试样断裂韧度预测第100-103页
        5.4.2 对X80 预应变试样断裂韧度预测第103-105页
    5.5 预应变引起的断裂韧度温度差评定方法第105-109页
    5.6 本章小结第109-110页
第六章 结论第110-112页
参考文献第112-123页
发表论文和参加科研情况第123-125页
致谢第125页
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