摘 要:依據(jù) GB/T２１１４３－２０１４,對(duì)０Cr１８Ni９不銹鋼板緊湊拉伸試樣進(jìn)行了斷裂試驗(yàn),結(jié)合掃 描電鏡(SEM)觀察其鈍化線,采用數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)和有限元仿真相結(jié)合的方法得到了裂紋區(qū)域 的應(yīng)變和應(yīng)力場(chǎng).結(jié)果表明:０Cr１８Ni９不銹鋼鈍化線斜率約為 GB/T２１１４３－２０１４推薦經(jīng)驗(yàn)鈍化 線斜率的２倍;該材料呈現(xiàn)出高韌性斷裂特征,試樣在發(fā)生較大范圍屈服時(shí),裂紋才明顯張開(kāi),試樣 啟裂時(shí),韌帶區(qū)域已全面屈服;斷裂力學(xué)有限元仿真驗(yàn)證了數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)的適用性,數(shù)字散斑 相關(guān)技術(shù)能夠比較準(zhǔn)確地表征裂尖“奇異區(qū)”外的結(jié)構(gòu)應(yīng)變場(chǎng). 

關(guān)鍵詞:０Cr１８Ni９不銹鋼;斷裂試驗(yàn);鈍化線;數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù);有限元仿真 

中圖分類號(hào):O３４６．１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１８)０５Ｇ０３０９Ｇ０８

０Cr１８Ni９不銹鋼具有良好的耐蝕和低溫性能, 廣泛應(yīng)用在運(yùn)載火箭管路結(jié)構(gòu)部件中.管路結(jié)構(gòu)在 火箭飛行過(guò)程中要承受高溫、內(nèi)壓以及振動(dòng)載荷作 用,其典型的失效模式是疲勞斷裂,結(jié)構(gòu)斷裂將直接 影響飛行成敗.０Cr１８Ni９不銹鋼是一種高韌性?shī)W 氏體不銹鋼材料,美國(guó)電力研究協(xié)會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)中 常用的０Cr１８Ni９不銹鋼管路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了斷裂特性 研究,分別在靜載和動(dòng)載下評(píng)估了其斷裂行為,近年來(lái)國(guó)內(nèi)工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Γ癈r１８Ni９不銹鋼的斷裂行 為也開(kāi)展了相關(guān)研究[１Ｇ５].

為了測(cè)量裂紋前緣變形場(chǎng),數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù) 等光測(cè)方法被廣泛應(yīng)用到材料斷裂行為研究中.數(shù) 字 散 斑 相 關(guān) 方 法 是 ２０ 世 紀(jì) ８０ 年 代 由 日 本 的 YAMAGUCHI [６]和美國(guó)的 PETERS等[７]獨(dú)立提出 的.該方法通過(guò)對(duì)變形前后物體表面的兩幅散斑圖 進(jìn)行相關(guān)處理來(lái)實(shí)現(xiàn)物體位移和變形的測(cè)量,是一 種計(jì)算機(jī)輔助的光學(xué)測(cè)量方法.數(shù)字散斑相關(guān)方法 通過(guò)相機(jī)和計(jì)算機(jī)攝取物體表面的圖像并處理數(shù) 據(jù),與以往的干涉計(jì)量法相比具有光路簡(jiǎn)單、對(duì)測(cè)量 環(huán)境要求低以及自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理等優(yōu)點(diǎn),可以進(jìn) 行全場(chǎng)非接觸測(cè)量. 

近年來(lái),數(shù)字散斑相關(guān)方法在材料斷裂性能測(cè) 試領(lǐng)域得到了充分發(fā)展.鄒廣平等[８]采用數(shù)字散斑 相關(guān)方法計(jì)算了試驗(yàn)過(guò)程中試樣的應(yīng)變場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng) 以及位移場(chǎng),并將計(jì)算結(jié)果用來(lái)求解J 積分.謝弋 琴等[９]利用數(shù)字散斑相關(guān)方法測(cè)得了試樣位移場(chǎng), 并根據(jù)彈塑性裂紋尖端場(chǎng)的JＧA２ 三項(xiàng)解,在裂紋 前緣位移匹配得到約束參數(shù) A２.王懷文等[１０]將數(shù) 字散斑相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于薄膜材料斷裂問(wèn)題研究,求 得了裂紋尖端位移場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)和應(yīng)力強(qiáng)度因子.許 蔚等[１１]利用數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)與有限元方法求解 了應(yīng)力強(qiáng)度因子并進(jìn)行對(duì)比,研究了功能梯度材料 的I型裂紋靜態(tài)特性.AYATOLLAHI等[１２]分別 使用數(shù)字散斑相關(guān)方法測(cè)量的裂尖位移場(chǎng)和彈性平 面應(yīng)變有限元模型得到的位移場(chǎng)計(jì)算了 Williams 展開(kāi)式的高階系數(shù),發(fā)現(xiàn)兩種方法得到的系數(shù)吻合 較好. 

仿真研究手段可以獲得裂紋尖端精細(xì)化的應(yīng)力 應(yīng)變特征.根據(jù)斷裂力學(xué)理論,當(dāng)裂紋尖端無(wú)限尖 時(shí),裂紋尖端應(yīng)力趨向于無(wú)窮大.為了實(shí)現(xiàn)裂紋尖 端應(yīng)力奇異性的仿真計(jì)算,有限元法中發(fā)展了奇異 裂紋單元.MIAO 等[１３]采用奇異裂紋單元模擬靜 態(tài)裂紋問(wèn)題,通過(guò)有限元的計(jì)算得到了裂紋擴(kuò)展前 的極限載荷.于桂杰等[１４]通過(guò)奇異單元建立了含 斜裂紋的直管路有限元模型,考察了應(yīng)力強(qiáng)度因子 隨裂紋傾角、載荷及管路幾何尺寸等的變化關(guān)系. 陳景杰等[１５]采用１２節(jié)點(diǎn)奇異元和２０節(jié)點(diǎn)奇異元 兩種單元模擬裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的奇異性,分別 考察了這兩種有限元模型中裂紋尖端網(wǎng)格參數(shù)變化 對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響,對(duì)奇異有限元網(wǎng)格的劃分 具有參考意義.

盡管０Cr１８Ni９不銹鋼的斷裂問(wèn)題已有較多研 究,但裂紋的斷裂起始過(guò)程和裂尖塑性變形特征仍 需要深入研究.因此,為了揭示 ０Cr１８Ni９ 不銹鋼 這種高韌性材料的斷裂特征,準(zhǔn)確描述其斷裂行為, 筆者依據(jù) GB/T２１１４３－２０１４«金屬材料 準(zhǔn)靜態(tài)斷 裂韌度的統(tǒng)一試驗(yàn)方法»對(duì) ０Cr１８Ni９ 不銹鋼材料 進(jìn)行了斷裂試驗(yàn),采用數(shù)字散斑技術(shù)和有限元仿真 相結(jié)合的方法對(duì)０Cr１８Ni９不銹鋼材料的斷裂行為 進(jìn)行了分析. 

１ 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法 

１．１ 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為１５mm 厚的０Cr１８Ni９不銹鋼板, 按照 GB/T ２１１４３－２０１４ 制 備 了 ７ 件 緊 湊 拉 伸 (CT)試樣,材料取向?yàn)檐堉品较騆Ｇ寬度方向T,試 樣的形狀和尺寸如圖１所示,裂紋通過(guò)線切割方法 預(yù)制而成,采用 Zwick HFP５１００高頻疲勞試驗(yàn)機(jī) 進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展預(yù)制得到尖銳裂紋.其中６件試 樣(記為試樣１~６)按 GB/T２１１４３－２０１４測(cè)試缺口 張開(kāi)位移,獲得了試樣斷裂時(shí)的鈍化線,另外１件試 樣(記為試樣７)表面制備散斑,用數(shù)字散斑相關(guān)技 術(shù)觀察試 樣 的 斷 裂 行 為,制 備 散 斑 后 的 試 樣 ７ 如 圖２所示.

試驗(yàn) ０Cr１８Ni９ 不 銹 鋼 板 其 化 學(xué) 成 分 采 用 Spectrovac１０００光 譜 儀 測(cè) 試 ,結(jié) 果 見(jiàn) 表１,可 見(jiàn) 其滿足 GB/T４２３７－２０１５«不 銹 鋼 熱 軋 鋼 板 和 鋼 帶»的技術(shù)要求.按照 GB/T２２８．１－２０１０«金 屬 材料 拉伸試驗(yàn) 第１部分:室溫試驗(yàn)方法»對(duì)該鋼 板取樣進(jìn)行拉伸試 驗(yàn),得 到 材 料 的 基 礎(chǔ) 力 學(xué) 性 能 見(jiàn)表２.

１．２ 試驗(yàn)方法

斷裂試驗(yàn)按照 GB/T２１１４３－２０１４進(jìn)行,試驗(yàn) 中采用 CMT５１０５電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(量程１００kN, 精度為０．５％)對(duì) 試 樣 進(jìn) 行 拉 伸,試 驗(yàn) 加 載 速 率 為 ２mm??min－１.其中試樣１~６拉伸前在缺口處安 裝引伸計(jì)(標(biāo)距５ mm,量程－１~２．５ mm,精度為 ０．５％),同時(shí)采集記 錄 軸 向 拉 伸 載 荷 F 與 裂 紋 張 開(kāi)位移V 的數(shù)據(jù).對(duì)于試樣７,試驗(yàn)時(shí)通過(guò)數(shù)字散 斑相關(guān)技術(shù)獲取數(shù)據(jù),計(jì)算試樣的變形場(chǎng),采用非 接觸光學(xué) 測(cè) 量 系 統(tǒng) ３DＧDIC 測(cè) 量.將 制 備 散 斑 后 的緊湊拉伸 試 樣 安 裝 好 后,調(diào) 整 光 源 亮 度 以 使 視 場(chǎng)中試樣受 光 充 分 且 不 過(guò) 曝 光,將 試 驗(yàn) 機(jī) 載 荷 通 道信號(hào)接入光學(xué)測(cè)量系統(tǒng),試驗(yàn)前使用３mm 標(biāo)準(zhǔn) 點(diǎn)陣校正板對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定.所有試驗(yàn)完成 后穩(wěn) 定 裂 紋 擴(kuò) 展 量 通 過(guò) 對(duì) 試 樣 進(jìn) 行 二 次 疲 勞 標(biāo)記.

在緊湊拉伸試樣斷裂測(cè)試中,一般需要獲得拉 伸載荷F 和裂紋張開(kāi)位移V 的對(duì)應(yīng)關(guān)系,其中裂紋 張開(kāi)位移V 是指裂紋缺口張開(kāi)的位移,如圖 ３ 所 示,即為AB 兩點(diǎn)間的相對(duì)位移.試樣１~６加載到 不同位移水平,最終的拉伸載荷F 和裂紋張開(kāi)位移 V 見(jiàn)表３,可見(jiàn)試樣６加載載荷最大,其載荷Ｇ裂紋張 開(kāi)位移曲線如圖４所示,６個(gè)試樣的載荷Ｇ裂紋張開(kāi) 位移曲線均未出現(xiàn)下降點(diǎn).

對(duì)帶散斑的試樣７進(jìn)行拉伸試驗(yàn),使用數(shù)字散 斑相關(guān)方法記錄試樣的整個(gè)加載過(guò)程,加載的載荷Ｇ 施力點(diǎn)位移如圖５所示,最大拉伸載荷為３３．１kN,之后載 荷 隨 之 下 降.卸 載 后 對(duì) 試 樣 進(jìn) 行 檢 查,如 圖６所示,可以發(fā)現(xiàn)裂紋已經(jīng)明顯擴(kuò)展,裂紋擴(kuò)展量 Δa＝０．９９１mm.

２ 試驗(yàn)結(jié)果與討論 

２．１ 斷裂過(guò)程分析 

根據(jù)金屬 材 料 典 型 的 阻 力 曲 線(圖 ７ )可 知, 大多數(shù) 金 屬 材 料 的 韌 性 斷 裂 過(guò) 程 是 在 外 力 作 用 下,裂紋尖 端 由 于 塑 性 變 形 而 鈍 化,當(dāng) 鈍 化 區(qū)(也 稱為伸張 區(qū))達(dá) 到 飽 和 時(shí),裂 紋 啟 裂,之 后 裂 紋 開(kāi) 始穩(wěn)定擴(kuò)展、失穩(wěn)擴(kuò)展直至斷裂[１６].因此,通過(guò)觀 察鈍化區(qū)的 大 小,可 以 了 解 裂 紋 的 鈍 化 過(guò) 程 并 確 定啟裂點(diǎn). 

試樣斷口的疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)、鈍化區(qū)、延性斷裂 區(qū)及二次疲勞區(qū)呈現(xiàn)出不同微觀形貌特征[１６],疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和二次疲勞區(qū)微觀形貌為縱紋,延性斷 裂區(qū)布滿韌窩,鈍化區(qū)為橫紋.采用掃描電鏡對(duì)斷 口進(jìn)行觀察,對(duì)各區(qū)形貌特征進(jìn)行辨識(shí),可以測(cè)量得 到鈍化區(qū)寬度. 

圖８為試樣１,２,４~７的斷口微觀形貌,可見(jiàn)試 樣１,２,４,５,６在初始疲勞預(yù)制裂紋擴(kuò)展區(qū)后都是鈍 化區(qū)所對(duì)應(yīng)的橫紋,鈍化區(qū)后是二次疲勞對(duì)應(yīng)的縱 紋,未發(fā)現(xiàn)韌窩.從微觀形貌觀察結(jié)果得出,試樣 １,２,４,５,６斷裂試驗(yàn)對(duì)應(yīng)裂紋鈍化過(guò)程,并未進(jìn)入 延性裂紋擴(kuò)展階段.試樣７為散斑試樣,觀察其斷 口發(fā)現(xiàn),經(jīng)過(guò)裂紋鈍化區(qū)的橫紋后,出現(xiàn)大量韌窩, 因此通過(guò)形貌觀察也可以證實(shí)試樣７進(jìn)入了延性斷 裂階段. 

試樣１~６反映了裂紋起裂前的鈍化行為,結(jié)合 GB/T２１１４３－２０１４關(guān)于鈍化線的定義,可以得到 試樣實(shí)測(cè)的鈍化線.對(duì)于已經(jīng)進(jìn)入撕裂階段的試 樣７,結(jié)合數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)觀察試樣表面,可以確 定表面開(kāi)裂時(shí)的載荷,然后采用有限元仿真計(jì)算得 到試樣的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng).

２．２ 鈍化線確定 

鈍化線一般通過(guò)裂紋擴(kuò)展量 ΔaＧ裂紋尖端張開(kāi) 位移δ 曲線來(lái)表征,反映裂紋塑性變形抵抗斷裂的 能力. 

針對(duì)韌性材料的斷裂,GB/T２１１４３－２０１４ 推 薦的經(jīng)驗(yàn)鈍化線有兩個(gè),一個(gè)是針對(duì)J 積分,另一 個(gè)針對(duì)的是裂紋尖端張開(kāi)位移δ,推薦鈍化線公式 如下

式中:J 為J 積分;Rm 為抗拉強(qiáng)度;Δa為裂紋擴(kuò)展量.

式中:δ 為裂紋尖端張開(kāi)位移;Rm 為抗拉強(qiáng)度;Rp０．２ 為屈服強(qiáng)度;Δa 為裂紋擴(kuò)展量.

需要說(shuō)明的是,式(１)和式(２)并未指定具體的 材料,凡是滿足并按照 GB/T２１１４３－２０１４進(jìn)行的 斷裂試驗(yàn),都可以使用式(１)或式(２)作為相應(yīng)鈍化 線,這種無(wú)差異的鈍化線公式在表征某些具體材料 鈍化行為時(shí)會(huì)有較大出入.

為了更精細(xì)表征０Cr１８Ni９不銹鋼的啟裂前鈍 化行為,對(duì) 其 真 實(shí) 鈍 化 線 進(jìn) 行 分 析.試 驗(yàn) 中 試 樣 １~６加載 到 不 同 的 裂 紋 張 開(kāi) 位 移 V,根 據(jù) GB/T ２１１４３－２０１４的處理方法,從拉伸載荷Ｇ裂紋張開(kāi)位 移曲線中得到裂紋張開(kāi)位移的塑性分量Vp(圖９), 然后代下式(３)求出δ

式中:F 為加載時(shí)的最大載荷;B 為試樣厚度;BN 為凈厚度,此處 BN ＝B;W 為試樣寬度;a０ 為初始 裂紋長(zhǎng)度;g２ a０ W ? è ? ? ? ÷ 為應(yīng)力強(qiáng)度因子系數(shù),具體表達(dá) 式參見(jiàn) GB/T２１１４３－２０１４;ν 為泊松比,z 為引伸 計(jì)裝夾位置與試樣表面的距離. 

對(duì)試樣１~６分別進(jìn)行處理,得到不同裂紋擴(kuò)展 量對(duì)應(yīng)的裂紋尖端張開(kāi)位移,對(duì)裂紋尖端張開(kāi)位移 數(shù)據(jù) 進(jìn) 行 擬 合,得 到 線 性 函 數(shù) 關(guān) 系 式 δ ＝ ９．８４６９Δa,即得到材料在鈍化過(guò)程中真 實(shí) 的 鈍 化 線,如圖１０所示.

本 試 驗(yàn) 中 求 出 鈍 化 線 斜 率 近 似 為 GB/T ２１１４３－２０１４推薦的經(jīng)驗(yàn)鈍化線的２倍,更陡峭的鈍 化曲線說(shuō)明該材料抵抗斷裂的能力更強(qiáng).

２．３ 試樣表面起裂點(diǎn)確定

采用數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)可以得到試樣準(zhǔn)靜態(tài)加 載過(guò)程中的位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng),進(jìn)而更準(zhǔn)確地觀察鈍 化過(guò)程和試樣表面啟裂情況,將圖像序列導(dǎo)入 VICＧ ３D軟件,計(jì)算位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng).圖１１a)和圖１１b)為散斑試樣７的位移場(chǎng),圖１１c)為試樣拉斷后的截 面圖,在圖中可測(cè)出裂紋長(zhǎng)度.可以發(fā)現(xiàn)試樣在加 載到載荷為 ２５kN 時(shí),試樣表面張開(kāi)的裂紋長(zhǎng) 度 Δa＝２．９５mm,這和試驗(yàn)后測(cè)量的從疲勞預(yù)制起始 點(diǎn)到韌窩起始點(diǎn)的距離長(zhǎng)度相等,可認(rèn)為這是試樣 裂紋表面處的啟裂點(diǎn),試樣表面啟裂時(shí)載荷可應(yīng)用 到有限元分析.此處需要說(shuō)明的是,由于試樣的差 異性,試樣６在２５kN 時(shí)處于鈍化階段,而試樣７已 經(jīng)啟裂. 

２．４ 試樣起裂點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)分析

２．４．１ 有限元模型 

為了更精細(xì)化研究裂紋尖端的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng),使 用有限 元 方 法 對(duì) 散 斑 試 樣 ７ 進(jìn) 行 仿 真 計(jì) 算. 如 圖１２所示,試驗(yàn)后用九點(diǎn)法測(cè)量初始的疲勞預(yù)制裂 紋前緣,用橢圓方程擬合裂紋曲線,根據(jù)擬合方程描 述試樣裂紋.使用 ABAQUS軟件,考慮試樣的對(duì) 稱性,取試樣的１/２建模,劃分裂紋時(shí),裂紋尖端為 半橢圓線[１７],建立如圖１３所示的有限元模型,有限 元模型采用２０節(jié)點(diǎn)等參實(shí)體單元,在裂尖區(qū)域采用 具有奇異應(yīng)力分布的１/４單元[１５].

仿真時(shí),在 CT 試樣的兩個(gè)加載孔施加集中力 載荷,力的大小為試驗(yàn)時(shí)裂紋未擴(kuò)展時(shí)的最大載荷 ２５kN,因?yàn)槿×嗽嚇拥模?２建立模型,此處施加載 荷為１２．５kN.

如圖１４所示,考慮到試樣的１/２對(duì)稱模型,所 以沿對(duì)稱面施加xoy 面對(duì)稱約束.為了約束模型 的剛體位移,限制沿裂紋方向的對(duì)稱面上兩條平行 線沿y 向的移動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)約束模型y 方向的平動(dòng)和z 方向轉(zhuǎn)動(dòng);模型x 方向平動(dòng)通過(guò)試樣處在yoz 背面的一個(gè)點(diǎn)來(lái)限制.

材料的本構(gòu)關(guān)系由拉伸試驗(yàn)得到的真應(yīng)力Ｇ真 應(yīng)變曲線獲得,真應(yīng)力Ｇ真應(yīng)變曲線如圖１５所示,計(jì) 算時(shí)彈性段的彈性模量和泊松比分別取 ２０７GPa 和０．３,屈服應(yīng)力為２８３MPa,屈服后的應(yīng)力Ｇ應(yīng)變數(shù) 據(jù)按照?qǐng)D１５獲得.

２．４．２ 裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)分析 

為了更精準(zhǔn)地描述裂紋區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)特 征,對(duì)比分析數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)和有限元仿真得到 的應(yīng)變場(chǎng).圖１６和圖１７是仿真和數(shù)字散斑測(cè)試得 到的試樣表面應(yīng)變?cè)茍D.圖１６a)為有限元仿真得 到的垂直于裂紋方向的正應(yīng)變,發(fā)現(xiàn)僅靠近裂尖的 小范圍區(qū)域處于高應(yīng)變狀態(tài),試樣絕大部分區(qū)域處 于低應(yīng)變狀態(tài),因此在該圖中觀察不出應(yīng)變場(chǎng)具體 變化的細(xì)節(jié).同時(shí),將圖１６a)與圖１６b)中數(shù)字散斑 相關(guān)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn),有限元仿真得到應(yīng)變 場(chǎng)應(yīng)變區(qū)間與數(shù)字散斑相關(guān)計(jì)算得到的應(yīng)變場(chǎng)應(yīng)變 區(qū)間相差很大.為了使有限元仿真應(yīng)變場(chǎng)更合理地 顯示和更好地對(duì)比仿真與數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)在相同 應(yīng)變場(chǎng)應(yīng)變區(qū)間里的應(yīng)變場(chǎng),根據(jù)數(shù)字散斑相關(guān)技 術(shù)的結(jié)果,將有限元仿真得到的應(yīng)變場(chǎng)劃分成高應(yīng) 變的“奇異區(qū)”[圖１６c)]和低應(yīng)變的“非奇異區(qū)”[圖 １６d)].高應(yīng)變的“奇異區(qū)”面積較小,其范圍大約為 ０．５~１mm,低應(yīng)變的“非奇異區(qū)”占據(jù)了試樣表面 絕大多數(shù)面積,可以發(fā)現(xiàn)在“非奇異區(qū)”仿真結(jié)果與數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)結(jié)果吻合較好.圖１７所示為沿 裂紋方向的正應(yīng)變,其分析方法及結(jié)論與垂直于裂 紋方向的正應(yīng)變類似,此處不再贅述.

出現(xiàn)上述現(xiàn)象是由于裂紋尖端具有數(shù)學(xué)上的應(yīng) 力應(yīng)變奇異性,有限元繼承了該奇異性,在裂尖附近 呈現(xiàn)出局部的應(yīng)變峰值和局部高應(yīng)變梯度[１８].而 數(shù)字散斑測(cè)試得到的應(yīng)變實(shí)際上是以散斑點(diǎn)為中心 的子區(qū)的平均應(yīng)變,同時(shí)裂尖張開(kāi)導(dǎo)致某些散斑子 區(qū)相關(guān)計(jì)算不能進(jìn)行,應(yīng)變場(chǎng)在裂尖處產(chǎn)生局部缺 失,因此數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)計(jì)算的裂紋尖端處應(yīng)變 結(jié)果會(huì)遠(yuǎn)低于仿真的. 

綜上,“非奇異區(qū)”數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)計(jì)算得到 的結(jié)果是可靠的;在靠近裂紋尖端的“奇異區(qū)”,需要 根據(jù)奇異性應(yīng)變場(chǎng)分布特征和數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)測(cè) 量精度,開(kāi)展進(jìn)一步地研究,以準(zhǔn)確獲取“奇異區(qū)”真 實(shí)的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng). 

進(jìn)一步分析有限元模型,試樣啟裂時(shí)的變形如 圖１８所示,可見(jiàn)試樣裂紋明顯張開(kāi),裂尖附近有明 顯的凹陷,這與實(shí)際試樣觀察結(jié)果(圖６)一致.

當(dāng) Mises應(yīng) 力 超 過(guò) ２８３ MPa時(shí),材 料 進(jìn) 入 屈 服.有限元計(jì)算的試樣表面在不同載荷水平下裂紋 尖端塑性區(qū)如圖１９所示,在加載過(guò)程中,藍(lán)色部分 為塑性屈服區(qū).試樣初始受力時(shí),試樣表面的塑性 區(qū)不斷擴(kuò)展,擴(kuò)展方向基本為與裂紋面成４５°的傾 斜面上擴(kuò)展.在試樣屈服尺寸較小時(shí),裂尖張開(kāi)很 小,當(dāng)逐步進(jìn)入全面屈服后,裂尖開(kāi)始快速?gòu)堥_(kāi),裂 紋尖端嚴(yán)重鈍化.

有限元計(jì)算的試樣啟裂時(shí) Mises應(yīng)力云圖(深 紅色部分為塑性區(qū))如圖２０所示,發(fā)現(xiàn)啟裂時(shí)試樣 裂紋平面已經(jīng)進(jìn)入全面屈服,并且試樣表面屈服區(qū) 的面積明顯大于試樣中面屈服區(qū)的.試樣表面更接 近平面應(yīng)力狀態(tài),材料更易于屈服.

３ 結(jié)論

研究了 ０Cr１８Ni９ 不銹鋼材料的斷裂行為,通 過(guò)裂紋鈍化區(qū)分析和觀測(cè),得到了該材料的裂紋擴(kuò) 展鈍 化 線,試 驗(yàn) 求 出 鈍 化 線 斜 率 近 似 為 GB/T２１１４３－２０１４推薦的經(jīng)驗(yàn)鈍化線的２倍;０Cr１８Ni９ 不銹鋼材料呈現(xiàn)出高韌性斷裂特征,試樣在發(fā)生較 大范圍屈服時(shí),裂紋才明顯張開(kāi),試樣起裂時(shí),韌帶 區(qū)域已全面屈服;通過(guò)斷裂力學(xué)有限元仿真驗(yàn)證了 數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)的適用性,數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)能 夠比較準(zhǔn)確地表征裂尖“奇異區(qū)”外的結(jié)構(gòu)應(yīng)變場(chǎng). 

參考文獻(xiàn): 

[１] 張本所,夏明六．臨氫管道焊接接頭斷裂失效分析 [J]．中國(guó)特種設(shè)備安全,２０１５,３１(６):７２Ｇ７５． 

[２] 魏志剛,于明明,宋艷會(huì),等．奧氏體不銹鋼０Cr１８Ni９ 管板裂紋失效機(jī)理分析[J]．化工設(shè)計(jì)通訊,２０１６,４２ (５):１１５Ｇ１１６． 

[３] 廖振華,張學(xué)彬,鐘奇鳴．不銹鋼波紋管膨脹節(jié)早期 斷裂原因分析[J]．熱加工工藝,２０１４,４３(１８):２１８Ｇ ２２０． 

[４] 史寶良,李巖,張騰飛,等．液氨儲(chǔ)存罐３０４不銹鋼法 蘭連接螺栓斷裂失效分析[J]．理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)), ２０１７,５３(１０):７４０Ｇ７４５． 

[５] 謝華,翟博,王瑞．F３０４不銹鋼閥門(mén)卸壓桿斷裂原因 分析[J]．理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)),２０１５,５１(１):７３Ｇ７５． 

[６] YAMAGUCHII．AlaserＧspecklestraingauge[J]． JournalofPhysicsE:ScientificInstruments,１９８１,１４ (１１):１２７０Ｇ１２７３． 

[７] PETERS W H,RANSON W F．Digitalimaging techniqueinexperimentalstressanalysis[J]．Optical Engineering,１９８２,２１(３):４２７Ｇ４３１． 

[８] 鄒廣平,汪艷偉,唱忠良,等．基于數(shù)字散斑相關(guān)法的 緊湊拉 伸 試 樣 斷 裂 韌 度 實(shí) 驗(yàn) 研 究 [J]．實(shí) 驗(yàn) 力 學(xué), ２０１５,３０(３):２７５Ｇ２８１． 

[９] 謝弋琴．測(cè)量裂紋構(gòu)件斷裂參量的數(shù)字散斑相關(guān)方 法[D]．南京:江蘇大學(xué),２０１５． 

[１０] 王懷文,亢一瀾,富東慧．應(yīng)用數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)進(jìn) 行薄膜材料斷裂問(wèn)題研究[J]．煙臺(tái)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科 學(xué)與工程版),２００１,１４(２):１００Ｇ１０４． 

[１１] 許蔚,孟慶杰,李?。δ芴荻炔牧系臄?shù)字散斑相關(guān) 方法實(shí)驗(yàn) 研 究 [J]．哈 爾 濱 工 業(yè) 大 學(xué) 學(xué) 報(bào),２００８,４０ (９):１４０８Ｇ１４１１． 

[１２] AYATOLLAHI M R, MOAZZAMI M．Digital imagecorrelation methodforcalculatingcoefficients of Williamsexpansionincompacttensionspecimen [J]．OpticsandLasersinEngineering,２０１５,３０(３): ２７５Ｇ２８１． 

[１３] MIAOX,ZHOU C,HE X．Analysisoflimitloads forCT specimens with cracks based on extended finite element method[J]．Procedia Engineering, ２０１５,１３０:７６３Ｇ７７４． 

[１４] 于桂杰,董校峰,李建文．直管道外表面斜裂紋應(yīng)力 強(qiáng)度因子 有 限 元 分 析 [J]．石 油 礦 場(chǎng) 機(jī) 械,２０１６,４５ (２):２６Ｇ３１． 

[１５] 陳景杰,黃一,劉剛．基于奇異元計(jì)算分析裂紋尖端 應(yīng)力強(qiáng)度因子[J]．中國(guó)造船,２０１０,５１(３):５６Ｇ６４． 

[１６] 馮蘇寧,汪承璞,季思凱．實(shí)驗(yàn)確定JIC 試驗(yàn)啟裂韌度 的SZW 細(xì)觀測(cè)量法[J]．理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)),１９９５, ３１(２):４１Ｇ４２． 

[１７] KRISHNANSA,SASIKALA G,MOITRA A,et al．Alocaldamageapproachtopredictcrackinitiation intypeAISI３１６L(N)stainlesssteel[J]．Journalof MaterialsEngineeringandPerformance,２０１４,２３(５): １７４０Ｇ１７４９． 

[１８] PETETSEN D,LINK R,NIKISHKOV G,etal． Comparisonoffiniteelementresultsandexperimental measurementsof CTOD δ５ in CT specimens[J]． JournalofTestingandEvaluation,１９９９,２７(５):３０７Ｇ ３１１． 

[１９] 趙勇,李澤震,王印培,等．高應(yīng)變梯度異形板J 參量 和δt 的 實(shí) 驗(yàn) 測(cè) 定 [J]．力 學(xué) 學(xué) 報(bào),１９８８,２０(５):４１１Ｇ ４２０．

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