韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)夏比沖擊試驗的數(shù)值模擬研究.pdf

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1、第4l卷第2期化工機(jī)械215韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)夏比沖擊試驗的數(shù)值模擬研究曹昱澎州’2惠虎1賀寅彪2李輝2(1．華東理工大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院承壓系統(tǒng)安全科學(xué)教育部重點實驗室；2．上海核工程研究設(shè)計院工程設(shè)備所)摘要對16MnR鋼在韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)進(jìn)行了夏比沖擊試驗，利用有限元分析軟件ABAQUS考慮了沖擊過程中高應(yīng)變率對基體材料的強(qiáng)化效應(yīng)，并耦合延性損傷GTN模型對轉(zhuǎn)變區(qū)的夏比沖擊試驗進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。對比試樣斷面上的延性裂紋擴(kuò)展長度發(fā)現(xiàn)，GTN模型的預(yù)測結(jié)果是可接受的。通過有限元模擬獲得了試樣在沖擊過程中各時刻的力學(xué)場，研究了在延性裂

2、紋擴(kuò)展過程中裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場的變化規(guī)律和應(yīng)變率分布規(guī)律。模擬分離得到夏比沖擊功A。。包含的各部分能量，發(fā)現(xiàn)在沖擊過程中塑性功消耗占絕大部分。關(guān)鍵詞16MnR鋼夏比沖擊GTN模型延性斷裂中圖分類號TQ050．4+1文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0254-6094(2014)02-0215-05大量的壓力容器及管道等承壓設(shè)備都是用鐵素體鋼制成的。鐵素體鋼具有韌脆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，若因事故及過載等原因使設(shè)備運(yùn)行在韌脆轉(zhuǎn)變溫度區(qū)時，便有可能誘發(fā)嚴(yán)重的脆斷事故。鐵素體鋼在韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)的斷裂過程非常復(fù)雜，失效機(jī)理與所處的溫度區(qū)域有關(guān)。在轉(zhuǎn)變區(qū)的中一上區(qū)域

3、，一般延性撕裂與解理斷裂相互競爭；在轉(zhuǎn)變區(qū)的中一下區(qū)域至下平臺溫度區(qū)，一般發(fā)生純解理斷裂，在解理失穩(wěn)斷裂發(fā)生前沒有明顯的延性撕裂，宏觀表現(xiàn)為純脆斷的失效形式，在斷裂失效之前觀察不到結(jié)構(gòu)的明顯變形，這是非常危險的。夏比V型缺口沖擊試驗由于試驗簡便、費(fèi)用低廉而被廣泛用于鐵素體的韌脆轉(zhuǎn)變研究，至今已有上百年的歷史。但是，夏比沖擊功A。，不能直接關(guān)聯(lián)斷裂韌性Kk，所以無法建立缺陷尺寸與斷裂外載荷之間的關(guān)系。當(dāng)用于結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計或完整性評定時，基于A。。對材料韌性的要求往往是根據(jù)經(jīng)驗來確定的，不夠科學(xué)。因此，建立夏比沖擊功A。。與斷裂

4、韌性的關(guān)系一直是學(xué)術(shù)界關(guān)注的研究熱點¨。。在韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)，夏比沖擊試樣在受沖擊的過}曹昱澎。男，1983年3月生，工程師。上海市，200237。程中，由于缺口尖端的應(yīng)力集中程度不及裂紋，通常容易在缺口尖端先發(fā)生一定程度的延性撕裂，延性裂紋的起裂和擴(kuò)展將改變原有缺口尖端的應(yīng)力應(yīng)變分布，進(jìn)而會對裂尖附近薄弱組織的解理起裂產(chǎn)生影響。作為研究夏比沖擊功與斷裂韌性參量的關(guān)聯(lián)的第一步，需要基于有限元數(shù)值模擬試樣在解理起裂前的延性損傷斷裂過程。筆者以石化設(shè)備常用的16MnR鋼(新國標(biāo)GB713-2008稱為Q345R鋼舊1)為例，借助大型有

5、限元分析軟件ABAQUS，考慮沖擊過程中高應(yīng)變率對基體材料的強(qiáng)化效應(yīng)，并耦合延性損傷GTN模型，對韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)在下轉(zhuǎn)變溫度區(qū)(T=一86℃)和中一上轉(zhuǎn)變區(qū)(T=一50。C)的夏比沖擊試驗進(jìn)行三維彈塑性數(shù)值模擬，重點分析延性裂紋的起裂擴(kuò)展。1有限元分析1．1夏比V型缺口試樣有限元模型由于試樣具有對稱性，模型取原試樣的1／4建立，模型尺寸符合文獻(xiàn)[3]中的規(guī)定(圖1)。缺口尖端最小單元尺寸為0．029mm×0．015mm×0．091mm。因為靠近試樣表面拘束度小，應(yīng)力梯度大，所以表面網(wǎng)格密；試樣中部拘束度大，應(yīng)力216化工機(jī)械2

6、014年梯度小，因此試樣厚度中心處網(wǎng)格稀疏。沿試樣厚度方向從表面至試樣中部共劃分30層網(wǎng)格。模型共有36690個C3D8R和C3D6R單元，40961個節(jié)點，沖錘和支座設(shè)為剛體，沖錘的初始速度按照試驗設(shè)定為5．24m／s：圖1夏比V型缺口試樣的有限元模型1．2材料參數(shù)16MnR鋼在一86、一50℃時的真應(yīng)力一真塑性應(yīng)變曲線如圖2所示。彈性模量E=200GPa，泊松比矽=0．3。圖216MnR的真應(yīng)力一真塑性應(yīng)變曲線試樣在受沖擊過程中快速變形，各點的應(yīng)變率不同，缺口尖端的應(yīng)變率甚至高達(dá)1000／s數(shù)量級H1。16MnR屬于應(yīng)變

7、率敏感材料，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨應(yīng)變率的升高而明顯升高。本研究測試了16MnR在340、1860／s應(yīng)變率下的沖擊拉伸性能。在數(shù)值模擬時采用Cowper-Symonds過應(yīng)力模型來考慮材料的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)，以便插值取得各應(yīng)變率下的材料本構(gòu)關(guān)系哺。：?。?轤】式中P——需要擬合的材料參數(shù)；；苧——等效塑性應(yīng)變率；dr?！獪?zhǔn)靜態(tài)下的真應(yīng)力。通過對多個應(yīng)變率下的拉伸試驗擬合得到；。=1．6×105，P=5．1?；谖⒖锥葱魏?，長大和聚合機(jī)理的GTN模型(由Tvergaard和Needleman修正的Gurson模型)是目前國際上

8、發(fā)展比較成熟的研究金屬材料延性損傷與斷裂的局部法模型，它已被引入ABAQUS有限元軟件‘6q1。GTN模型本構(gòu)方程如下：圣=魯+2f"qlcosh(丁3口：≥，jr)一[1+“，．)2]-0盯．，‘，(2)f‘．7-f’f