下载文档原格式
核电设备用SA508—3钢的研究根据ASME Code的要求，绘制了SA508-3钢的断裂韧性和疲劳特性曲线，表明国产钢的安全裕度较大，生产蒸发器时对母材、焊缝及热影响区都可按此方法测定。
0 引言核电设备的蒸发器的主体材料SA508—3钢和其它锅炉及压力容器材料一样，完全没有裂纹和缺陷是不可能的。
在制造和运行检验中，没发现裂纹和缺陷，仅表示现代无损检验技术尚不能发现此种缺陷。
研究材料的失效方式，尤其是最危险的一种方式—断裂(包括用KIC 表示的有裂纹的脆性断裂、用RTNDT和FATT表示的无裂纹的脆性断裂和疲劳断裂)，就具有重要的意义。
断裂韧性分析曲线是核电压力容器选材和设计的基础，这在ASME B and PV Sec.Ⅲ APP.G和Sec.Ⅺ.APP.A断裂韧性分析曲线及Sec.Ⅲ APP 图1-9.1的设计疲劳曲线中都有规定。
做出SA508—3的断裂韧性分析曲线与疲劳曲线，用于材料生产前的质量控制，材料生产中的过程控制，材料生产后的检验以及运行中材料的在役监测，作为评价蒸发器安全性的重要数据，确保蒸发器安全运行40年，具有十分重要意义。
设计疲劳曲线表示应力(或应变)——循环疲劳次数的数据，这一曲线绘出了交变应力分量的许用幅度Sa(交变应力范围的一半)对循环次数的关系，按GB6399的方法，采用轴向加载的均匀截面试样(b)，用一组试样，选取若干个应力值，分别测定出到达失效的循环数，然后画出Δσ/2-2Ns曲线，试验设备为MTS NEW81025吨液压伺服疲劳试验机，采用计算机进行试验控制和数据采集。
断裂韧性分析曲线，按ASME的规定是非规定性的附录，可以用其它的方法计算绘制。
Sec.Ⅲ用于设计，仅考虑正常操作状态；Sec.Ⅺ则用于服役状态，不仅考虑正常状态还要考虑紧急状态和错误状态。
根据ASME E339的规定，测定断裂韧性KIC 的试件厚度必须大于2.5(KIC/σy)2，直接测定KIC值实际是不可能的。
钢材韧性及断裂原因用于各行业的钢材品种达数千种之多。
每种钢材都因不同的性能、化学成分或合金种类和含量而具有不同的商品名称。
虽然断裂韧性值大大方便了每种钢的选择，然而这些参数很难适用于所有钢材。
主要原因有：第一，因为在钢的冶炼时需加入一定数量的某种或多种合金元素，成材后再经简单热处理便可获得不同的显微组织，从而改变了钢的原有性能；第二，因为炼钢和浇注过程中产生的缺陷，特别是集中缺陷（如气孔、夹杂等）在轧制时极其敏感，并且在同一化学成分钢的不同炉次之间，甚至在同一钢坯的不同部位发生不同的改变，从而影响钢材的质量。
由于钢材韧性主要取决于显微结构和缺陷的分散（严防集中缺陷）度，而不是化学成分。
所以，经热处理后韧性会发生很大变化。
要深入探究钢材性能及其断裂原因，还需掌握物理冶金学和显微组织与钢材韧性的关系。
1.铁素体-珠光体钢断裂铁素体-珠光体钢占钢总产量的绝大多数。
它们通常是含碳量在0.05%～0.20%之间的铁-碳和为提高屈服强度及韧性而加入的其它少量合金元素的合金。
铁素体-珠光体的显微组织由BBC铁（铁素体）、0.01%C、可溶合金和Fe3C组成。
在碳含量很低的碳钢中，渗碳体颗粒（碳化物）停留在铁素体晶粒边界和晶粒之中。
但当碳含量高于0.02%时，绝大多数的Fe3C形成具有某些铁素体的片状结构，而称为珠光体，同时趋向于作为“晶粒”和球结（晶界析出物）分散在铁素体基体中。
含碳量在0.10%～0.20%的低碳钢显微组织中，珠光体含量占10%～25%。
尽管珠光体颗粒很坚硬，但却能非常广泛地分散在铁素体基体上，并且围绕铁素体轻松地变形。
通常，铁素体的晶粒尺寸会随着珠光体含量的增加而减小。
因为珠光体球结的形成和转化会妨碍铁素体晶粒长大。
因此，珠光体会通过升高d-1/2（d为晶粒平均直径）而间接升高拉伸屈服应力δy。
从断裂分析的观点看，在低碳钢中有两种含碳量范围的钢，其性能令人关注。
一是含碳量在0.03%以下，碳以珠光体球结的形式存在，对钢的韧性影响较小；二是含碳量较高时，以球光体形式直接影响韧性和夏比曲线。
高强钢断裂韧性与裂纹扩展机制研究凭借优异的综合力学性能,高强钢成为目前应用最广泛的金属结构材料,在当今及未来工业发展中占据重要的地位。
高强钢在服役过程中长期经受循环载荷作用,其疲劳与断裂问题成为高强钢的重点研究方向。
随着断裂力学发展,损伤容限设计成为航空、航天等国防重要工业领域的关键构件疲劳断裂控制方法。
材料的疲劳裂纹扩展性能与断裂韧性是构件损伤容限设计基础,然而目前对高强钢疲劳裂纹扩展及断裂韧性的研究仍不完善。
因此,本研究选取一种典型AISI 4340高强钢为研究对象,基于能量原理深入探讨断裂韧性的评价方法及裂纹扩展微观机制;以Paris公式为基础,建立了改进的疲劳裂纹扩展速率公式,并提出一种快速预估疲劳性能的判据;通过深入探究疲劳裂纹扩展微观机制,由此形成疲劳裂纹扩展三阶段的宏观力学模型。
本文试图通过对高强钢中疲劳裂纹扩展及断裂韧性等相关问题的理解,尝试将所研究理论直观地应用到工程领域,为工程优化选材及关键构件可靠性设计提供具有一定价值的参考依据。
提出了三种评价金属材料平面应变断裂韧性KIC的方法。
1)基于裂纹扩展初始阶段到临界失稳状态消耗能量的分配,建立了试样厚度B与断裂韧性KIC的定量关系,借助此公式可以实现小尺寸试样估算断裂韧性KIC,此项工作可应用于高韧性金属材料的断裂韧性评价。
2)以试样整体断裂过程中的能量消耗,推导出断裂能密度WF与剪切唇宽度s 的定量关系。
其中WF在最大剪切唇宽度处达到最低,此时处于正断与切断的竞争平衡,揭示了裂纹扩展过程中遵循最低能量密度原理,并以此建立了剪切唇宽度与断裂韧性的定量关系。
3)从冲击韧性与断裂韧性的能量消耗方式及共同遵循的能量原理出发,提出两种韧性剪切唇宽度之间的线性关系,由此获得高强钢中冲击韧性与断裂韧性的定量关系式。
探讨了不同强韧性钢中裂纹扩展微观机制的转变过程。
发现随着韧性提高,AISI 4340钢微观断裂特征从解理-韧窝混合型断口向韧窝连续转变,三维XRT图像显示裂纹扩展方式由跳跃性向连续性逐步演化。
断裂力学的研究进展和现状周刚发布时间：2021-08-09T06:37:53.384Z 来源：《中国电业》（发电）》2021年第8期作者：周刚[导读] 本文还介绍了宏、微观断裂力学的发展动态，对两者的研究方法进行比较分析，得出异同及结合点。
身份证号：61012519810308xxxx摘要：本文在梳理有关断裂力学的主要著作、国内外主要会议的基础上，介绍了断裂力学理论的研究进展与发展现状，主要涵盖以下方面，即断裂力学的起源与发展动态，断裂力学主要试验标准分析和总结，断裂力学的主要工业应用领域及评估标准分析，数值模拟技术在断裂力学中的应用。
本文还介绍了宏、微观断裂力学的发展动态，对两者的研究方法进行比较分析，得出异同及结合点。
关键词：断裂力学，研究进展，现状1、断裂力学的概述断裂力学是为解决机械结构断裂问题而发展起来的力学分支，是近几十年才发展起来的一支新兴学科。
它将力学、物理学、材料学及数学、工程科学紧密结合，从宏观的连续介质力学角度出发，研究含缺陷或裂纹的物体在外界条件(荷载、温度、介质腐蚀、中子辐射等)作用下宏观裂纹的扩展、失稳开裂、传播和止裂规律[1]。
断裂力学的关注点在于如何建立评定带缺陷或裂纹运行的机械结构的安全性标准以及怎样预防断裂事故的产生。
虽然它起步较晚，但随着当今社会的快速发展，已经在航空航天、桥梁、铁路、船舶等工程领域得到了广泛地应用。
2、断裂力学的起源与发展动态早在1920年，英国的物理学家Griffith在对玻璃的断裂研究中就提出了断裂力学概念[2]。
随后，他提出了能量释放率理论，这奠定了断裂力学的基础。
此后，有许多学者都开始致力于对格氏理论研究的发展。
1960年，Irwin在经过实验计算后建立了临界应力强度因子准则，进而奠定了线弹性断裂力学的理论基础[3]。
我国对于断裂力学的研究可追溯到二十世纪。
20世纪40年代，李四光出版的专著《地质力学之基础与方法》中应用Griffith的断裂理论以解释地质学中断层运动与地震现象[4]。
低温钢及其低温韧性研究现状张丽红1,2,陈芙蓉1（1.内蒙古工业大学材料科学与工程学院，内蒙古呼和浩特010010；2.内蒙古机电职业技术学院冶金与材料工程系，内蒙古呼和浩特010070）摘要：介绍了低温钢国内外发展状况及应用中易出现的安全问题，阐述了韧性断裂与脆性断裂的区别、韧脆转变及低温脆性断裂机理，重点从工艺角度、显微组织、力学方法、电子背散射衍射分析技术和小冲杆试验等不同角度综述评定低温钢低温韧性的关键技术，并阐述了低温钢焊接需注意的问题。
关键词：低温钢；低温韧性；低温钢焊接中图分类号：TG404文献标志码：A 文章编号：1001-2303（2020）12-0088-04DOI ：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.12.18本文参考文献引用格式：张丽红，陈芙蓉.低温钢及其低温韧性研究现状[J].电焊机，2020，50（12）：88-91.收稿日期:2020-07-01基金项目:内蒙古自治区高等学校科学研究项目（NJZY18277）；内蒙古机电职业技术学院科研项目（NJDZJZR1707）作者简介:张丽红（1983—），女，博士，副教授，主要从事低温钢低温韧性的研究。
E-mail ：******************。
通讯作者:陈芙蓉（1971—），女，教授。
E-mail ：cfr7075@imut. 。
0前言近几十年来，随着压力容器的大型化、厚截面压力容器的增多，以及化工、石油工业中低温压力容器的使用，低温钢用量大大增加，使低温脆断事故时有发生，引起世界各国低温学者的关注。
研究低温下的断裂行为及脆断机理，对于指导低温压力容器的安全设计及实际生产具有重要的指导意义。
通过大量事故调查分析得出低应力脆断的特点有：（1）低温脆断多属于解理断裂或准解理断裂，断口光亮而平滑；（2）断裂通常出现在低温下，此时材料韧性较差；（3）断裂时构件处于低载荷工作状态，断裂应力并未超出材料的屈服强度，断裂很少发生塑性变形；（4）低应力脆断常发生在有缺口或裂纹的部位；（5）断裂时裂纹呈现出较快的扩展速率。
材料力学中的断裂与韧性材料力学作为一门关于物质内部结构和力学行为的科学，对于材料的性能与可靠性有着重要的影响。
其中，断裂与韧性是材料力学中一个十分关键的概念。
断裂指的是材料在外界施加力的作用下出现破裂的现象，而韧性则是指材料的抵抗断裂破坏的能力。
本文将从材料的断裂机制、断裂韧性的影响因素以及提高材料韧性的方法等方面加以论述。
一、材料的断裂机制材料断裂机制是指材料在承受外力作用下，因内部结构破坏而发生断裂的过程。
一般来说，材料的断裂机制可以分为韧性断裂和脆性断裂两种情况。
韧性断裂多见于金属等延展性材料，其断裂过程具有典型的韧性特征。
在外力的作用下，材料会先发生塑性变形，从而使得应力集中区域得到缓和。
随着外力的不断增加，应力集中区域逐渐扩大，并伴随着微裂纹的形成和扩展。
当微裂纹沿着材料内部继续扩展，最终导致材料的完全破裂。
需要注意的是，韧性断裂一般伴随着较大的能量吸收过程，因此对于抗震等要求韧性的工程结构，选择具有良好韧性的材料是十分重要的。
脆性断裂则多见于陶瓷、混凝土等脆性材料。
该类材料的断裂过程没有明显的塑性变形区域，而是在外力作用下直接发生破裂。
通常来说，脆性断裂的特点是断裂韧性较低，能量吸收较小。
二、影响材料韧性的因素材料的韧性不仅与材料本身的性质有关，同时也受到外界条件和应力状态的影响。
以下是一些影响材料韧性的常见因素：1.结构层次：材料的内部结构和组织对其韧性有着很大的影响。
晶粒的尺寸、形状以及晶界的性质等都会对材料的韧性产生影响。
一般来说，晶粒尺寸越小、晶界越多越强，材料的韧性也会相对提高。
2.材料纯度：杂质和夹杂物是影响材料韧性的重要因素。
杂质和夹杂物会引起应力集中，从而导致微裂纹的形成和扩展。
因此，材料的纯度对韧性有着直接的影响。
3.应力状态：不同的应力状态对材料的韧性有着直接影响。
例如，拉伸和压缩状态下的材料韧性表现可能不同。
此外，不同应力速率下材料的断裂行为也可能有所不同。
三、提高材料韧性的方法提高材料的韧性是工程实践中的一项重要任务。
低温预裂纹下Q345R钢动态断裂韧性的分析摘要：Q345R钢是典型压力容器用钢。
本文通过对预裂纹下Q345钢在低温下的动态断裂韧性进行了分析，得出了低温条件下，无预裂纹的标准夏比试件要比预裂纹的夏比试件的动态断裂韧性关系：无预裂纹的标准夏比冲击试件要比预裂纹的夏比冲击试件的动态断裂韧性偏高且约为无预裂纹标准夏比试件的2.4倍。
本文结论可推广到其他脆性材料的情况。
关键词：动态断裂韧性；预裂纹；示波冲击试验；低温；Q235钢引言低温压力容器往往需要在高压下实现油气的运输和储存，其内的介质大都为易燃易爆有毒的液态气体。
压力容器在低温条件下表现出低温冷脆的特性，在实际工程中，经常遇到地震、爆炸、碰撞或运行过程中动载荷的冲击，其主要失效往往是由于疲劳裂纹的存在，引起低温脆性断裂。
材料的动态断裂韧性KID为裂纹体在动载作用下的起裂韧性，是材料的韧性参数。
动态断裂韧性可以弥补材料基本参数静态断裂韧性KIC没有考虑动载荷的影响的不足。
1 动态断裂韧性计算公式2 低温Q345R动态断裂韧性实验2.1 实验材料低合金钢Q345R钢是GB150.2-2011标准中的典型压力容器用钢，具有较好的韧性和强度，是我国石油化工设备制造中使用量最大的一种钢用于制造各类中低压压力容器。
表1 Q345R钢板的化学成分（%）2.2 试验方法将试件加工成夏比冲击试样，具体尺寸为厚度B=10mm，宽度W=10mm；长度L=55mm；跨距S=40mm；切口角度为45°，切口长度为2mm，线切割一定深度，在此基础上预制一定长度的疲劳裂纹。
根据标准ASTM E23-02a《金属材料缺口试样标准试验方法》提供的夏比V型缺口试样疲劳裂纹预制方法制备疲劳裂纹。
为了研究预裂纹下夏比冲击试样测得的动态断裂韧性与标准夏比冲击试样测得的动态断裂韧性的关系，取预制裂纹和不预制裂纹2类夏比冲击试样进行低温条件下的动态冲击试验，同时，为了研究不同裂纹深度对动态断裂韧性的影响，裂纹比分别选择为=0.2，0.3，0.4，0.5四种。
