现行弹塑性断裂韧度测试方法(GB2038-91)测定船用907A钢10CrNiCu及其焊缝金属的JIC值,难以得到符合标准规定的测试结果。本文在充分考虑形变强化特性对裂纹钝化过程影响的基础上,提出了一新的钝化线方程:
J=2K(0.5εF)n△a 该方程与实测钝化线吻合很好,能较准确地描述裂纹受力后的钝化行为。结合907A钢及其焊缝金属的JIC测试,对J积分测试中有效数据的选取和JIC的确定方法作了较为仔细的探讨。
本文还分析了延性金属裂纹受力后由钝化、开裂到亚临界扩展的过程,认为此过程是一个由量变到质变的连续过程。所谓开裂点实际上是裂纹前沿由塑性变形主导的钝化过程向微孔形成、长大和连结为主导的延性断裂过程过渡,并造成宏观效果的时刻。提出了一种应用曲线分析技术确定延性金属开裂点的方法。
第二部分,对断裂力学试验结果在船体结构安全评定中的应用进行了讨论。结果表明,应用线弹性断裂力学的K判据来分析907A钢及其焊缝金属的含中心穿透裂纹平板结构的剩余强度时,出现了剩余强度曲线在应力趋于平缓时仍远高于此钢的屈服应力的不合理现象,此结果表明,对于907A钢及其焊缝金属这类韧性较高材料的剩余强度分析,基于线弹性断裂力学的K判据是不适宜的。因此,进一步用弹塑性条件下的断裂判据πβ2σ2a/E+Hσn+1a/F=JR分析了相同结构的剩余强度。分别以907A钢及其焊缝金属的含中心穿透裂纹平板结构在K=100MPa√m/s(静态)、K=105MPa√m/s和K=106-77MPa√m/s三种加载速率下的剩余强度图为例,分析了加载速率对此材料结构剩余强度的影响,并讨论了板宽对此结构剩余强度的影响。
采用标准光滑圆柱试样,研究907A钢在单调拉伸,单调扭转,扭转—拉伸,拉伸—扭转,拉伸—扭转—拉伸等应变路径下的力学行为。
研究表明,907A钢在单调扭转时,依据GB10128-88之规定计算的剪切屈服强度,既不符合Mises屈服条件,也不符合Tresca屈服条件,误差分别达到了30%和50%。本文仔细分析了延性金属弹—塑性变形阶段的行为,提出了确定屈服扭矩的新方法,由此计算出的剪切屈服强度与两个屈服条件均符合得很好,误差分别为2.6%和12.4%。
在等效应力等效应变坐标系中,907A钢单调拉伸比单调扭转时的应力水平高;在双对数坐标下,拉伸时的S-e曲线和扭转时的τ-γ曲线均呈现多n行为,只是τ-γ曲线中硬化第二阶段来得迟一些。
在扭转—拉伸和拉伸—扭转—拉伸两应变路径下,907A钢在后继拉伸时,均匀塑变阶段的S-e曲线不再符合Hollomon关系式,这是由预扭转时,试样横截面内应变强化程度不均匀造成的;本文建立模型,首次提出用实心圆柱试样,计算均匀预剪应变后拉伸时的应力应变曲线的方法。
在扭转—拉伸和拉伸—扭转—拉伸两应变路径下,907A钢在后继拉伸时,屈服强度和抗拉强度均有大幅提高,且在后种路径下,材料强度的增幅更大;后继拉伸时的塑性均随预应变量的增加而下降,在扭转—拉伸应变路径下,存在临界预应变量,达到此值后,后继拉伸时的塑性迅速下降,发生韧脆转变现象。
因而,选择适当的预变形量,可使材料用少量的塑性损失换取强度的大幅提高。 提出总塑性的概念,用来表征各种应变路径下材料变形所消耗的塑性的总和。
在拉伸—扭转和拉伸—扭转—拉伸两应变路径下,907A钢的总塑性随预应变量变化时均存在极大值,这两个极大值均比单级应变路径时的总塑性大。
在拉伸—扭转应变路径下,当过渡应变量为0.08时,后继扭转时初始的应力水平有明显提高。当扭转应变量达到0.22时,其应力开始趋近于单调扭转时的水平,此后的τ-γ曲线基本不受预拉伸的影响。
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