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压力容器装置多类柔性损伤情态的解析探讨

作者:admin来源:中国压力容器网 日期:2012-2-28 9:23:09 人气: 标签:

  金属韧性断裂细观力学认为材料的韧性断裂破坏有两种模式,剪切型断裂剪切型断裂机理目前仍不是十分清楚,有研究表明,剪切型断裂的起因可能与材料内部的细观剪切带和宏观剪切带的集中有关,故又称集中剪切型断裂。从剪切型断口上也可看出剪切型断裂的断口与韧窝型断裂断口的细观特征明显不同,在它的断面上有许多小剪切平台,韧窝也较小,说明这种破坏是由剪切集中造成的,而不是空穴汇合的结果。

  钢的四点弯曲试验的金相显微组织照片显示,剪切破坏时,在裂纹尖端有强烈的剪切流,微观剪切带高度集中,剪切变形极为剧烈。此时剪切破坏并未立即发生,即使在剪切变形范围远远超出裂纹尖端的局部变形场的情况下,剪切破坏仍未发生,故而估计剪切破坏的控制条件不仅受应力状态的影响,还与材料结构特性有关。

  压力容器韧性断裂的宏观形态压力容器用钢要求有优良的韧性和塑性,容器筒体韧性破裂时宏观上表现为大量塑性变形,一般是筒体在充分鼓胀之后迅速撕裂开一条较长的裂缝,或在接近封头处,因裂纹的快速撕裂受到一定的变形约束而出现分叉,但不产生碎片。用不同材料制成的压力容器筒体在爆破时,主要呈现出平(正断口和斜断口两种断裂形态。由于压力容器韧性断裂时,危害极大,因此对它的研究显得尤为重要,研究的目的之一就是为了预测容器的韧性断裂,并采取措施预防断裂的发生,或对在役压力容器进行安全评定。

  试验在位移控制试验机进行,在电子扫描电镜下观察断裂行为。对断面的纵向剖面进行显微分析表明:在型断裂时,裂纹沿其延长线方向启裂、扩展,裂纹的启裂及扩展均服从空洞形核、扩张及最后的连接汇合的韧窝型断裂机制;断裂是沿原裂纹方向的,即断裂角为零,断裂方向不改变。

  在型断裂时,裂纹启裂较缓慢,一旦启裂,裂纹扩展很迅速,但其扩展方向并非沿着原裂纹方向,而是与原裂纹方向有一个夹角,裂纹的启裂和扩展符合剪切断裂机制。在对钢作原位拉伸电镜观测发现,裂纹扩展方向为滑移线的集中区,形成集中剪切带,这种情况属于典型的剪切机制的启裂和扩展。复合型断裂裂纹的启裂和扩展随载荷复合比的不同而变化,在此暂不作讨论。

  将型两种断口在扫描电镜下进行比较分析,主要考察其断面特征及细观特征,观察表明,型断口上韧窝分布均匀,断面的绝大部分面积为韧窝所占,围绕韧窝的剪切带较窄,韧窝的大小、形状较规则,得到充分发展的韧窝较多,其内部的夹杂一般处于中心,属典型的韧窝型韧断断口,如图:;,宏观上表现为正断口。

  在型断口上只有少数形状较小的韧窝被大片的蜂窝状剪切带包围,这些少量的韧窝形状大多呈椭圆形,内部夹杂有的已破碎以及有被拉动过的痕迹。因此

  型断口是由于剪切带集中造成的,属剪切型断口,宏观上表现为斜断口钢剪切破坏时的断口经电镜扫描发现:断面上有许多小剪切平台,只有少量的小韧窝,说明这种破坏并非空穴汇合的结果,而是由剪切集中造成的。

  由试验可知:韧窝型断裂时,裂纹的扩展方向沿原裂纹方向,断裂方向不改变,这说明韧窝型断裂是正断裂。发生在压力容器筒体上宏观表现为正(平断口,断面平齐、色质灰暗、无金属光泽。而压力容器筒体在发生破坏时,若发生的是正断口,基本上可以判定是由韧窝型断裂造成的。在发生剪切破坏时,四点弯曲试件的裂纹扩展方向与原裂纹方向有一个夹角,故在宏观上表现为斜断口的破坏型式。

  在对-钢的四点弯曲试验中,当裂纹面上弯矩和剪力之比,裂尖区中应力三度峰脊线上及其附近的夹杂物。2大粒子在加载早期形核空洞并决定着断裂路径和断裂角。随着剪切分量的增加,裂尖区三轴张力状态降低,沿夹杂物的形核空洞的条件发生变化,引起断裂机理的转变,沿主剪应力发生剪切型破坏,这说明在韧性断裂的过程中,随应力状态的变化,断裂机理确实会发生变化。

  表征应力状态的参量应力三轴度是控制断裂模式的关键因素,文献表明,在较大的应力三轴度下,材料倾向于发生韧窝型破坏;而在较小的应力三轴度或零应力三轴度下,易于发生剪切型断裂。两种断裂模式的转化有一个临界点存在,即临界应力三轴度,记作,临界应力三轴度是一个材料常数。当材料的最大应力三轴度1567时,破坏是剪切型的,此时材料中的剪切机制占优,虽然空穴也有形成和扩张,但在空穴汇合之前,细小的剪切平台就已大量生成并聚集,最终导致剪切破坏的发生。

  结束语压力容器材料发生韧性断裂时出现正断口和斜断口两种形式,实质上是材料韧窝型断裂和剪切型断裂两种细观机制的宏观表现。由于压力容器受力状况的复杂性,两种机制在材料韧断初始时是并存的,但最终的断裂形式取决于断裂部位的最大应力三轴度156和表征材料自身特性的临界应力三轴度;容器材料韧断的破坏形态与其应力状态有着密切的关系:当最大应力三轴度1567临界应力三轴度时,破坏是倾向于剪切型的;当1560时,破坏是韧窝型的。此结论有一定的工程实用性。

  

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