韧脆转变区夏比冲击试验的数值模拟研究.pdf

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1、第4l卷第2期化工机械215韧脆转变区夏比冲击试验的数值模拟研究曹昱澎州’2惠虎1贺寅彪2李辉2(1．华东理工大学机械与动力工程学院承压系统安全科学教育部重点实验室；2．上海核工程研究设计院工程设备所)摘要对16MnR钢在韧脆转变区进行了夏比冲击试验，利用有限元分析软件ABAQUS考虑了冲击过程中高应变率对基体材料的强化效应，并耦合延性损伤GTN模型对转变区的夏比冲击试验进行了数值模拟研究。对比试样断面上的延性裂纹扩展长度发现，GTN模型的预测结果是可接受的。通过有限元模拟获得了试样在冲击过程中各时刻的力学场，研究了在延性裂

2、纹扩展过程中裂纹尖端应力应变场的变化规律和应变率分布规律。模拟分离得到夏比冲击功A。。包含的各部分能量，发现在冲击过程中塑性功消耗占绝大部分。关键词16MnR钢夏比冲击GTN模型延性断裂中图分类号TQ050．4+1文献标识码A文章编号0254-6094(2014)02-0215-05大量的压力容器及管道等承压设备都是用铁素体钢制成的。铁素体钢具有韧脆转变现象，若因事故及过载等原因使设备运行在韧脆转变温度区时，便有可能诱发严重的脆断事故。铁素体钢在韧脆转变区的断裂过程非常复杂，失效机理与所处的温度区域有关。在转变区的中一上区域

3、，一般延性撕裂与解理断裂相互竞争；在转变区的中一下区域至下平台温度区，一般发生纯解理断裂，在解理失稳断裂发生前没有明显的延性撕裂，宏观表现为纯脆断的失效形式，在断裂失效之前观察不到结构的明显变形，这是非常危险的。夏比V型缺口冲击试验由于试验简便、费用低廉而被广泛用于铁素体的韧脆转变研究，至今已有上百年的历史。但是，夏比冲击功A。，不能直接关联断裂韧性Kk，所以无法建立缺陷尺寸与断裂外载荷之间的关系。当用于结构的强度设计或完整性评定时，基于A。。对材料韧性的要求往往是根据经验来确定的，不够科学。因此，建立夏比冲击功A。。与断裂

4、韧性的关系一直是学术界关注的研究热点¨。。在韧脆转变区，夏比冲击试样在受冲击的过}曹昱澎。男，1983年3月生，工程师。上海市，200237。程中，由于缺口尖端的应力集中程度不及裂纹，通常容易在缺口尖端先发生一定程度的延性撕裂，延性裂纹的起裂和扩展将改变原有缺口尖端的应力应变分布，进而会对裂尖附近薄弱组织的解理起裂产生影响。作为研究夏比冲击功与断裂韧性参量的关联的第一步，需要基于有限元数值模拟试样在解理起裂前的延性损伤断裂过程。笔者以石化设备常用的16MnR钢(新国标GB713-2008称为Q345R钢旧1)为例，借助大型有

5、限元分析软件ABAQUS，考虑冲击过程中高应变率对基体材料的强化效应，并耦合延性损伤GTN模型，对韧脆转变区内在下转变温度区(T=一86℃)和中一上转变区(T=一50。C)的夏比冲击试验进行三维弹塑性数值模拟，重点分析延性裂纹的起裂扩展。1有限元分析1．1夏比V型缺口试样有限元模型由于试样具有对称性，模型取原试样的1／4建立，模型尺寸符合文献[3]中的规定(图1)。缺口尖端最小单元尺寸为0．029mm×0．015mm×0．091mm。因为靠近试样表面拘束度小，应力梯度大，所以表面网格密；试样中部拘束度大，应力216化工机械2

6、014年梯度小，因此试样厚度中心处网格稀疏。沿试样厚度方向从表面至试样中部共划分30层网格。模型共有36690个C3D8R和C3D6R单元，40961个节点，冲锤和支座设为刚体，冲锤的初始速度按照试验设定为5．24m／s：图1夏比V型缺口试样的有限元模型1．2材料参数16MnR钢在一86、一50℃时的真应力一真塑性应变曲线如图2所示。弹性模量E=200GPa，泊松比矽=0．3。图216MnR的真应力一真塑性应变曲线试样在受冲击过程中快速变形，各点的应变率不同，缺口尖端的应变率甚至高达1000／s数量级H1。16MnR属于应变

7、率敏感材料，屈服强度和抗拉强度随应变率的升高而明显升高。本研究测试了16MnR在340、1860／s应变率下的冲击拉伸性能。在数值模拟时采用Cowper-Symonds过应力模型来考虑材料的应变率强化效应，以便插值取得各应变率下的材料本构关系哺。：⋯。⋯轳】式中P——需要拟合的材料参数；；苎——等效塑性应变率；dr。——准静态下的真应力。通过对多个应变率下的拉伸试验拟合得到；。=1．6×105，P=5．1。基于微孔洞形核，长大和聚合机理的GTN模型(由Tvergaard和Needleman修正的Gurson模型)是目前国际上

8、发展比较成熟的研究金属材料延性损伤与断裂的局部法模型，它已被引入ABAQUS有限元软件‘6q1。GTN模型本构方程如下：圣=鲁+2f"qlcosh(丁3口：≥，jr)一[1+“，．)2]-0盯．，‘，(2)f‘．7-f’f