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文檔簡介
1、斷裂是工程材料的主要失效形式,一些嚴(yán)重的斷裂問題在化工設(shè)備中經(jīng)常發(fā)生,為了防止或減少斷裂現(xiàn)象的發(fā)生,必須對裂紋擴(kuò)展的機(jī)理進(jìn)行研究,人們按照裂紋的變形將裂紋分為三種基本形式,但是在工程實(shí)際中,大多數(shù)裂紋是由基本裂紋形式組成的復(fù)合型裂紋,因此,還必須研究裂紋轉(zhuǎn)型問題。本文從微觀和宏觀兩個方面對裂紋起裂和擴(kuò)展的機(jī)理進(jìn)行研究,并結(jié)合工程實(shí)踐對換熱器中的管板開裂進(jìn)行模擬分析。
首先從微觀上對Ⅰ型和Ⅱ型裂紋尖端的塑性區(qū)和無位錯區(qū)形狀和
2、大小進(jìn)行了模擬并分析了塑性區(qū)和無位錯區(qū)對裂紋擴(kuò)展的影響。結(jié)果表明,與宏觀斷裂力學(xué)算出的塑性區(qū)形狀相比,本文給出的Ⅰ型塑性區(qū)向裂紋前方傾斜,無位錯區(qū)的形狀與塑性區(qū)相似,但是隨著位錯的發(fā)射,塑性區(qū)越來越大,無位錯區(qū)越來越??;并以應(yīng)變能密度因子理論為判據(jù),得出當(dāng)存在明顯的無位錯區(qū)時,塑性區(qū)使裂紋擴(kuò)展的潛力下降,但擴(kuò)展方向不變;而當(dāng)塑性區(qū)充分發(fā)展、無位錯區(qū)的作用減小或消失后,裂紋擴(kuò)展的方向可能發(fā)生變化。Ⅱ型裂紋塑性區(qū)形狀與應(yīng)用線彈性裂紋前端應(yīng)力
3、場按von Mises屈服準(zhǔn)則求得的Ⅱ型裂紋塑性區(qū)形狀有所不同,本研究得出的Ⅱ型裂紋塑性區(qū)由三部分組成,且最大部分位于裂紋前方,裂尖周圍無位錯區(qū)形狀與塑性區(qū)形狀相似;從Ⅱ型裂紋裂尖發(fā)射的位錯能夠有效地屏蔽施加在裂紋上的外載荷,但發(fā)射出的位錯偶對裂紋沒有明顯的屏蔽作用。隨著Ⅱ型裂紋裂尖位錯的發(fā)射或塑性區(qū)的發(fā)展,裂紋擴(kuò)展變得越來越困難,而裂紋潛在的擴(kuò)展方向不會改變。
其次從宏觀上對帶側(cè)斜裂紋的緊湊拉伸試件進(jìn)行了疲勞裂紋擴(kuò)展的實(shí)
4、驗(yàn)研究和裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的數(shù)值計算,研究了復(fù)合型裂紋的轉(zhuǎn)型擴(kuò)展問題。結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著裂紋擴(kuò)展,側(cè)斜裂紋表面逐漸轉(zhuǎn)向與外載荷垂直的方向,意味著裂紋從Ⅰ+Ⅲ復(fù)合型逐漸向Ⅰ型裂紋轉(zhuǎn)化,且側(cè)斜角越大,裂紋轉(zhuǎn)型越快;對于不同側(cè)斜角試件,Ⅲ型應(yīng)力強(qiáng)度因子是不同的,但是Ⅰ型應(yīng)力強(qiáng)度因子變化不大。裂紋轉(zhuǎn)型主要由Ⅲ型成分控制,其轉(zhuǎn)型速率可以表示成Ⅲ型應(yīng)力強(qiáng)度因子相對幅值的函數(shù);而疲勞裂紋擴(kuò)展速率主要由Ⅰ型成分控制。
然后,對疲勞試件進(jìn)行斷
5、面分析,研究復(fù)合型裂紋轉(zhuǎn)型擴(kuò)展過程中斷口形貌的變化以及和裂紋組分之間的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn),三種試件疲勞斷口的疲勞源呈多源性,裂紋均萌生于緊湊拉伸試件線切割缺口處的微裂紋。與裂紋面不側(cè)斜的標(biāo)準(zhǔn)試件相比,帶側(cè)斜角裂紋試件斷面在疲勞源區(qū)形成了更為粗大的撕裂棱,不同撕裂棱之間的臺階形成了側(cè)斜角試件的線切割斜面;轉(zhuǎn)型過程中試件的斷裂面較為粗糙,斷口上存在較為粗大的撕裂棱和二次裂紋,而且在二次裂紋周圍出現(xiàn)了分支裂紋,說明Ⅲ型成分的存在促進(jìn)了二次裂紋和撕
6、裂棱的形成。轉(zhuǎn)型后試件的斷裂面相對平坦,試件表面的撕裂棱和二次裂紋尺寸變細(xì)。
最后對一管殼式換熱器管板開裂原因進(jìn)行了研究。建立了液壓脹接接頭的三維有限元模型,模擬了液壓脹接過程并得到了管板中的脹接殘余應(yīng)力;建立了含裂紋管板有限元模型,研究了在液壓脹接殘余應(yīng)力或橫向壓力作用下裂紋沿厚度或管橋方向發(fā)生穿透性擴(kuò)展的可能性。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在脹接殘余應(yīng)力作用下,不管沿管板厚度還是管橋方向裂紋始終保持張開狀態(tài),而橫向載荷作用下,在彎曲壓應(yīng)
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