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多级热处理对TB8高强钛合金微观组织与力学性能的影响研究

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多级热处理对TB8高强钛合金微观组织与力学性能的影响研究

作者：姜涵宇内蒙古工业大学

学位级别：硕士

亚稳β钛合金不仅具有高强度和优异的抗疲劳性能,而且能够兼具较好的韧性,因此被广泛应用于航空发动机、飞机零部件等航天领域。具备优良综合性能匹配的钛合金逐渐成为关注的重点,探究其微观组织与力学性能之间的联系显得尤为重要。本文... 详细信息

亚稳β钛合金不仅具有高强度和优异的抗疲劳性能,而且能够兼具较好的韧性,因此被广泛应用于航空发动机、飞机零部件等航天领域。具备优良综合性能匹配的钛合金逐渐成为关注的重点,探究其微观组织与力学性能之间的联系显得尤为重要。本文以TB8钛合金为研究对象,运用SEM、XRD、EBSD以及TEM等手段表征其微观组织的演变规律,利用拉伸试验和断裂韧性试验表征微观组织对力学性能的影响,分别研究了固溶处理、单级时效处理和降序双级时效处理后的组织状态和性能的变化,探究热处理工艺、微观组织与力学性能之间的关系。合金经过固溶处理后,α/β两相区固溶后的组织由初生α相和β晶粒构成,β单相区固溶后的组织由单一β晶粒构成。初生α相的数量和β晶粒的尺寸都受到固溶温度的影响。随着固溶温度的升高,组织中初生α相的数量逐渐减少,β晶粒逐渐长大。当温度到达830℃(β区)时,初生α相完全消失,β晶粒的尺寸达到最大。随着初生α相数量的逐渐减少,合金的强度逐渐降低,塑性逐渐增加。拉伸断裂模式属于微孔聚合型韧性断裂,断口形貌均以韧窝为主体,随着塑性的增大,韧窝的数量逐渐变少且密度变得稀疏。合金经过单级时效处理后,合金显微组织析出了大量的次生α相,次生α相的尺寸受到时效温度的影响。随着时效温度的升高,次生α相逐渐聚集长大粗化、分布浓度逐渐降低。随着次生α相的长大,合金的强度呈降低趋势,塑性和断裂韧性呈增加趋势,拉伸断口呈穿晶断裂以及沿晶断裂混合的断裂模式,且以韧窝为特征的穿晶断裂逐渐成为主导。而断裂韧性断口形貌为典型的韧性断裂特征。合金经过降序双级时效处理后,分别研究了双级时效温度对固溶态合金以及固溶温度对双级时效态合金组织和力学性能的影响。一方面,当固溶过程相同时,在520℃一级时效中析出次生α相的基础上,合金在200℃-400℃二级时效中析出了更为细小的次生α相。随着二级时效温度的升高,次生α相的分布浓度逐渐增加,合金的强度持续增大,合金的塑性和断裂韧性持续降低。拉伸断口呈现沿晶断裂与穿晶断裂混合的断口形貌,随着次生α相分布密度的增加,脆性断裂表现逐渐突出。断裂韧性断口形貌都是以韧窝为主的韧性断裂。另一方面,当一级时效和二级时效过程相同时,随着固溶温度的升高,次生α相的含量和宽度呈现增加的趋势,对应的强度呈先增大后减小的趋势,塑性和断裂韧性呈现先减小后增大的趋势。并且双级时效合金的裂纹扩展路径的曲折度先降低后增大,这与断裂韧性的变化相对应。断口形貌越粗糙,裂纹扩展路径越曲折,则断裂韧性就越高。经750°C两相区固溶和双级时效后,合金的强度、塑性和断裂韧性能达到最佳匹配,断裂韧性最高可达103 MPa·m,相应的抗拉强度为1334 MPa,延伸率为8.25%。经790°C两相区固溶和双级时效后,合金能获得较高的强度,抗拉强度最高可达1456 MPa,相应的延伸率为4.25%,断裂韧性为78.4 MPa·m。经830°C单相区固溶和双级时效后,合金的强度和塑性能达到最佳组合,拉伸强度为1409MPa,延伸率为6.25%,断裂韧性为80.2 MPa·m。

关键词： TB8钛合金次生α相强度-断裂韧性裂纹扩展路径降序双级时效

L415/N08825双金属复合管焊接接头的微观组织及其断裂行为研究

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L415/N08825双金属复合管焊接接头的微观组织及其断裂行为研究

作者：吴登西南石油大学

学位级别：硕士

双金属复合管兼具耐蚀合金耐蚀性和碳钢的力学性能,能有效的降低成本,在石油,化工,水利,环保以及海水淡化等领域广泛使用。由于基层和复层金属线膨胀系数和热导率等物理化学性能的差异,在焊接热循环作用下,焊接接头易产生应力集中促进... 详细信息

双金属复合管兼具耐蚀合金耐蚀性和碳钢的力学性能,能有效的降低成本,在石油,化工,水利,环保以及海水淡化等领域广泛使用。由于基层和复层金属线膨胀系数和热导率等物理化学性能的差异,在焊接热循环作用下,焊接接头易产生应力集中促进裂纹的萌生和扩展,对管线的安全运行带来巨大的威胁。了解双金属复合管焊接接头的断裂行为以及对其有效的安全评估对保障管线的安全运行具有重要的意义。针对L415/N08825双金属复合管焊接接头断裂行为,开展了对焊接接头微观组织、成分分布和裂纹扩展阻力以及路径等内容的研究。主要结论如下:(1)利用光学显微镜和扫描电镜对双金属复合管焊接接头的组织、成分分布和夹杂物成分及分布等分析结果表明,双金属复合管焊接接头微观组织存在较大的不均匀性。复层N08825的组织是单相奥氏体;基层L415是针状铁素体、准多边形铁素体、珠光体和贝氏体构成的复相组织;焊缝组织为树枝状奥氏体。焊缝/复层N08825界面、焊缝/基层L415界面和焊缝、基层L415和复层N08825结合界面(以下均称为三相区)均存在由材料熔点差异而产生的未混合区。Cr、Ni、Mo和Fe等主要元素在界面过渡仍然存在突变,呈现较大的浓度梯度。焊接接头焊缝、L415HAZ和N08825HAZ夹杂物大小分布不均。(2)利用万能试验机、冲击试验机和显微硬度仪对焊接接头力学性能(强度、应力-应变和硬度)的表征研究表明,焊接接头力学性能具有较大的不均匀性。其平均屈服强度和平均抗拉强度分别为432MPa和582MPa。断裂发生在母材,复层与基层界面最先起裂,接着复层断裂,基层最后断裂。焊接接头具有良好的冲击性能,热影响区的平均冲击功为123J,焊缝平均冲击功为89J,断口特征均为韧性断裂。焊缝平均硬度高于母材和热影响区平均硬度,热影响区出现软化现象,熔合线硬度较母材有所增加。焊接接头具有良好的抗弯曲性能。(3)采用EBSD表征了双金属复合管焊接接头三相区的晶粒特征。结果显示,焊接接头三相区由BCC和FCC两种晶体结构构成。N08825与L415之间的未混合区分为两部分,均有较大的取向差分布,晶粒分布呈现明显的方向性。三相区FCC和BCC结构的小角度晶界比例分别为79.97%和74.81%,主要源于未混合区的亚结构。BCC结构晶体CSL晶界主要为Σ3,Σ11,Σ17b;FCC结构晶体CSL晶界主要为Σ3,Σ5,Σ17b,增加断裂阻力,提高韧性。三相区各界面均存在不同厚度的细晶区,其中尺寸约为0.5μm的晶粒数量最多。未混合区及其与L415界面附近应力集中水平较高。(4)采用原位观察拉伸试验表征焊接接头单刃缺口微拉伸试样的裂纹起裂和扩展过程。结果发现,双金属复合管焊接接头微小缺口试样的载荷-位移曲线未出现明显的屈服平台,呈现圆屋顶形状。起裂点位于在L415与N08825界面的未混合区,而后N08825侧出现多个起裂点,裂纹合并快速扩展N08825侧优先断裂,然后扩展至L415侧,最终断裂。裂纹扩展路径近似直线,界面等对扩展路径影响不大。主导的断裂机制为微孔聚集型延性断裂。(5)参照ASTM E1820-15断裂韧性测量的方法,通过对双金属复合管焊接接头三点弯曲的断裂试验以及微观组织观察,分析了焊缝和热影响区的裂纹扩展行为,确定两个区域的裂纹扩展阻力曲线和裂纹扩展路径。双金属复合管焊接接头的热影响区较焊缝具有更高的断裂阻力。焊缝和热影响区裂纹扩展路径呈近似直线,扩展过程未出现跨区域扩展。焊缝的断裂模式为典型的微孔聚集型韧性断裂;热影响区断裂模式为韧性断裂。

关键词：双金属复合管焊接接头微观组织力学性能裂纹扩展阻力裂纹扩展路径

初始裂纹对CFRP单向板裂纹扩展影响的近场动力学分析

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初始裂纹对CFRP单向板裂纹扩展影响的近场动力学分析

作者：丁亚阁大连理工大学

学位级别：硕士

碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic,简称CFRP)作为一种新型轻量化材料,被广泛应用于汽车、航空航天等重要领域。CFRP在生产制造时经常在局部区域产生微裂纹等缺陷,这些缺陷会成为CFRP构件在服役过程中损伤发生的起点... 详细信息

碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic,简称CFRP)作为一种新型轻量化材料,被广泛应用于汽车、航空航天等重要领域。CFRP在生产制造时经常在局部区域产生微裂纹等缺陷,这些缺陷会成为CFRP构件在服役过程中损伤发生的起点,随着损伤的积累会导致裂纹扩展甚至断裂,会严重威胁到CFRP结构的使用安全性。因此,准确分析初始缺陷对CFRP的裂纹扩展路径和破坏模式的影响,是CFRP在应用时必须考虑的工程问题。近场动力学(Peridynamic,简称PD)理论使用积分形式的运动方程描述材料的力学行为,避免了传统力学模型在求解不连续问题时的奇异性和复杂性。PD模型可自发地模拟裂纹的萌生、扩展等现象,在解决裂纹、损伤等不连续问题方面具有显著优势。本文基于键基PD理论,构建了CFRP单向板PD模型,通过仿真的手段,深入研究了初始裂纹的长度、位置和角度因素对CFRP单向板的裂纹扩展路径和最终破坏模式的影响规律。首先,建立了CFRP单向板PD模型,并编写了相应的C++程序,分别模拟了两组含中心裂纹的CFRP单向板模型在轴向拉伸载荷作用下的裂纹扩展过程。然后,对0°、45°和90°纤维取向的、含不同长度、位置和角度初始裂纹的CFRP单向板模型进行了拉伸模拟,分析了初始裂纹对CFRP单向板裂纹扩展路径和破坏模式的影响规律。最后,分别对60°和-45°纤维取向的、含任意初始裂纹的CFRP单向板的裂纹扩展路径及破坏模式进行了仿真分析。对CFRP单向板模型裂纹扩展的模拟可得到以下研究结果:(1)初始裂纹的长度、位置和角度均对CFRP单向板的裂纹扩展路径有一定影响。总的来说,单向板首先在裂纹两端出现基体损伤,裂纹扩展主要与基体损伤相关且扩展路径沿纤维方向。(2)CFRP单向板的最终破坏模式因纤维取向不同而有所区别:除0°单向板因两端纤维断裂而破坏之外,45°、90°及其它纤维方向单向板最终均因基体断裂而破坏。(3)对于45°和90°纤维方向的CFRP单向板来说,在速度载荷大小一定时,裂纹长度、位置和角度的设置都可能会改变裂纹的扩展路径,使其产生分叉或不再严格沿着纤维方向。

关键词：近场动力学碳纤维增强复合材料初始裂纹破坏模式裂纹扩展路径

核用厚壁钢焊接接头微区性能不均匀性对断裂行为的影响研究

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核用厚壁钢焊接接头微区性能不均匀性对断裂行为的影响研究

作者：赵良音青岛科技大学

学位级别：硕士

“十四五”计划明确了核电在我国清洁低碳、安全高效的能源体系中的地位和作用,为我国核电产业实现高质量发展产生重要的推动作用。核电大厚度焊接结构制造时通常采用多层多道窄间隙焊接技术,焊接接头中不可避免的会存在焊接缺陷及大梯... 详细信息

“十四五”计划明确了核电在我国清洁低碳、安全高效的能源体系中的地位和作用,为我国核电产业实现高质量发展产生重要的推动作用。核电大厚度焊接结构制造时通常采用多层多道窄间隙焊接技术,焊接接头中不可避免的会存在焊接缺陷及大梯度力学性能不均匀性,因而焊接接头往往成为整个结构最薄弱的部分。因此,系统研究焊接接头微区力学不均匀性对断裂行为的影响,对准确评价转子工况运行安全性及延长其服役寿命具有十分重要的意义。利用微压剪方法测试窄间隙焊接接头微区力学性能,通过微区剪切强度、应力应变曲线及失效应变,体现焊接接头微区力学不均匀性。在此基础上,进一步研究了焊接接头三点弯曲试验中微区力学性能对裂纹准静态扩展的影响。研究发现,模拟的CTOD值与试验结果吻合,且在室温模拟下的P-V曲线都未出现突进点,未出现失稳扩展现象;取盖面焊层、中间焊层、TIG打底焊层几个特征层进行断裂韧性模拟可知,CTOD值不断减小,断裂韧性依次降低;就盖面焊层来说,热影响区的断裂韧性优于焊缝的断裂韧性。对紧凑拉伸试样进行拉伸试验模拟,同时考虑材料非线性、屈服强度、应变效应研究力学性能不均匀性对裂纹扩展的影响。研究发现,最大等效塑性应变出现在裂纹尖端,高的屈服强度和失效应变会阻碍裂纹的穿越。裂纹初始扩展主要取决于屈服强度的大小,裂纹瞬时扩展主要取决于失效应变的大小。当位于缺口的微区材料屈服强度小于两侧材料时,裂纹沿中间路径向前扩展;当位于缺口的微区材料屈服强度处于中间值时,裂纹向屈服强度低的材料一侧扩展;当位于缺口的微区材料屈服强度高于两侧材料时,裂纹向屈服强度梯度大的方向扩展。数值模拟核电焊接转子钢的焊接接头微区力学性能不均匀性对高周疲劳、低周疲劳寿命的影响,研究发现,等效应力分布趋势与疲劳寿命分布趋势呈镜像分布,对于高周疲劳,微区等效应力影响疲劳寿命;对于低周疲劳,屈服强度大或屈服强度梯度大的微区,尤其是在焊缝微区交界处,疲劳寿命最低。

关键词：微区断裂行为裂纹扩展路径疲劳寿命有限元分析

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加筋板结构断裂和裂纹扩展研究

加筋板结构断裂和裂纹扩展研究

作者：李恒大连理工大学

学位级别：硕士

船舶与海洋工程结构物乃复杂空间焊接结构,裂纹容易在其内部焊缝、连接节点以及其它薄弱地方上生成。高强钢结构对其内部裂纹缺陷较为敏感,在低温环境中遭受外部冲击载荷作用或者远大于临界力的静载荷作用时极易发生低应力脆断而不是弹... 详细信息

船舶与海洋工程结构物乃复杂空间焊接结构,裂纹容易在其内部焊缝、连接节点以及其它薄弱地方上生成。高强钢结构对其内部裂纹缺陷较为敏感,在低温环境中遭受外部冲击载荷作用或者远大于临界力的静载荷作用时极易发生低应力脆断而不是弹塑性大变形。目前,在船舶与海洋工程结构物高强度化、轻量化发展的趋势下,研究结构的静、动态断裂规律对防止结构发生低应力断裂是十分必要的。研究断裂问题主要依赖于数值分析方法,鉴于以往的方法使用起来较为繁琐和通用性较差的特点,本文首次尝试引进一种新的数值方法并结合相关的断裂力学模型对静、动态断裂问题进行了研究。主要研究内容如下:综述了国内外板和加筋板结构静、动态断裂问题的研究现状;对各种经典的断裂分析方法进行概述和对比;对断裂理论和扩展有限单元法的原理进行了详细的阐述。使用扩展有限元数值方法和J积分技术计算了一定载荷下含单边、中心贯穿裂纹和表面裂纹的有限板的应力强度因子;对比经验公式验证了方法的有效性;对相关参数展开讨论了应力强度因子的变化规律。预测了含中心裂纹的加筋板在不同初始裂纹长度下的抗拉剩余强度;探讨了加强筋刚度和加筋间距对应力强度因子和剩余强度的影响;分析了面板厚度方向上应力强度因子的变化,指出板厚方向各点统一处理的不合理性。针对骨材上含初始裂纹的加筋板,采用扩展有限元和局部应力与损伤模型相结合的方法,研究了面外横向冲击载荷作用下的裂纹发展路径和断裂规律。构造了骨材裂纹I型和I-II复合型动态断裂的条件,成功地实现了裂纹的自动扩展。此外,也得到了不同断裂能、不同裂纹位置和不同初始裂纹长度下的纵骨裂纹发展规律。本文的研究方法可以为结构防断裂设计以及实施裂纹修补提供一定的指导;也可以为研究复杂结构的冲击断裂,预测结构裂纹的发展提供一种不同于传统方法的经济、有效手段。

关键词：初始裂纹加筋板应力强度因子 J积分低温冲击动态断裂能裂纹扩展路径局部分析方法

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复合加载下加劲板疲劳裂纹扩展研究

航空学报 1986年第1期 26-35页

作者：李见春汪懋骅何庆芝北京航空学院

本文以含倾斜裂纹平板和加劲板为实验模型,进行了平板和加劲板Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹疲劳扩展实验。本文提出了复合型加劲板应力强度因子的工程算法,并利用S法和应变准则进行寿命估算,对扩展路径以及线切割预制和疲劳预制裂纹的异同进行了讨论... 详细信息

本文以含倾斜裂纹平板和加劲板为实验模型,进行了平板和加劲板Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹疲劳扩展实验。本文提出了复合型加劲板应力强度因子的工程算法,并利用S法和应变准则进行寿命估算,对扩展路径以及线切割预制和疲劳预制裂纹的异同进行了讨论。实验与计算的结果表明,本文提出的复合型加劲板应力强度因子算法是一种较好的工程算法,应变准则应用于疲劳问题以估算寿命,其结果相当令人满意。

关键词：应力强度因子工程算法斜裂纹力学因子预制裂纹疲劳扩展加劲板裂纹扩展路径疲劳裂纹扩展复合加载

TC4ELI钛合金在3.5%NaCl溶液中的应力腐蚀行为研究

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材料保护 2023年第3期56卷 49-56页

作者：李兆峰蒋鹏张新杰晏阳阳许亚利孙志杰中国船舶集团有限公司第七二五研究所河南洛阳471023

应力腐蚀是海洋装备用钛合金面临的主要威胁之一。为了给海洋装备的安全服役提供技术支撑,以海洋环境用TC4ELI钛合金为研究对象,根据恒位移WOL(楔形张开加载)试样测定KISCC的原理,系统开展了不同组织状态下TC4ELI钛合金在3.5%NaCl溶液... 详细信息

应力腐蚀是海洋装备用钛合金面临的主要威胁之一。为了给海洋装备的安全服役提供技术支撑,以海洋环境用TC4ELI钛合金为研究对象,根据恒位移WOL(楔形张开加载)试样测定KISCC的原理,系统开展了不同组织状态下TC4ELI钛合金在3.5%NaCl溶液中的应力腐蚀行为研究。用光学显微镜和扫描电镜观察了应力腐蚀试样断口形貌和裂纹扩展路径,用二次离子质谱仪分析了裂纹部位元素分布情况。结果表明:TC4ELI双态组织(α相与β相)板材的应力腐蚀门槛值KISCC为56.01 MPa·m^(1/2),魏氏组织板材的应力腐蚀门槛值KISCC大于67.48 MPa·m^(1/2),应力腐蚀试样断口主要由基体、疲劳预制区和撕裂区组成,双态组织试样疲劳预制区与撕裂区界面存在应力腐蚀区,裂纹尖端除主裂纹外还有部分次生裂纹出现;魏氏组织试样未发现明显应力腐蚀开裂特征,魏氏组织的抗应力腐蚀能力优于双态组织的。TC4ELI合金双态组织试样的应力腐蚀开裂以穿晶断裂为主,氢元素易于在裂纹尖端富集。

关键词： TC4ELI钛合金双态组织魏氏组织应力腐蚀门槛值裂纹扩展路径

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18Cr2Ni4WA钢的组织与疲劳裂纹扩展特性

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机械工程材料 1984年第2期 65-70页

作者：李恩勤姜锡山马茂元齐齐哈尔钢厂研究所哈尔滨船舶工程学院

本文测试了18Cr2Ni4WA钢三种典型组织——粒状贝氏体,粒贝的高温回火组织和马氏体的高温回火组织的疲劳裂纹扩展速率（da/dN毫米/周次）及门槛值(△Kth公斤·力毫米3/2),分析了断口形貌及裂纹扩展路径,研究了三种组织的疲劳裂纹扩展特性... 详细信息

本文测试了18Cr2Ni4WA钢三种典型组织——粒状贝氏体,粒贝的高温回火组织和马氏体的高温回火组织的疲劳裂纹扩展速率（da/dN毫米/周次）及门槛值(△Kth公斤·力毫米3/2),分析了断口形貌及裂纹扩展路径,研究了三种组织的疲劳裂纹扩展特性,着重讨论了不同结构、大小、数量和分布的弟二相对疲劳断裂行为的影响。结果表明:组织类型对da/dN有一定的影响,尤其是对疲劳裂纹扩展门槛值△Kth影响较大。粒贝具有较好的裂纹扩展抗力;粒贝的高温回火组织次之:马氏体的高温回火组织最差。粒贝中的（M-A）组织强烈阻碍裂纹扩展;马氏体高温回火组织中分布于晶内的细小碳化物阻碍裂纹扩展不明显,分布于晶界的片状碳化物促进沿晶断裂-——这是导致三种组织的疲劳裂纹扩展特性不同的重要原因。

关键词：裂纹扩展马氏体门槛值金相相组成阈值裂纹扩展路径高温回火 WA Cr Ni

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沥青路面裂纹扩展数值模拟及影响因素分析

重庆交通学院学报 2006年第3期25卷 36-39,43页

作者：毛成邱延峻李云鹏西南交通大学土木工程学院石油大学(北京)机电工程学院北京102249

应用线弹性断裂力学理论结合同时考虑交通与温度载荷的有限元方法来研究沥青路面裂纹扩展路径.采用1/4等参奇异性单元模拟裂纹尖端的应力奇异性,运用窗口移动技术模拟裂纹扩展路径,并发展了沥青路面裂纹扩展模拟程序.应用该程序模拟了... 详细信息

应用线弹性断裂力学理论结合同时考虑交通与温度载荷的有限元方法来研究沥青路面裂纹扩展路径.采用1/4等参奇异性单元模拟裂纹尖端的应力奇异性,运用窗口移动技术模拟裂纹扩展路径,并发展了沥青路面裂纹扩展模拟程序.应用该程序模拟了不同荷载作用位置下路面结构中表面和基层底面裂纹的扩展情况,同时研究了路面结构层模量组合对沥青路面裂纹扩展的影响.模拟表明,该方法能较好地模拟裂纹扩展行为,有助于更好地了解沥青路面的开裂行为.

关键词：沥青路面裂纹扩展路径应力强度因子温度应力数值模拟弹性模量

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