金屬材料韌性斷裂模式的分析及其在壓力容器中的運(yùn)用

薛海龍　徐桂全

摘 要：針對金屬材料韌性斷裂模式的特點(diǎn)，進(jìn)行合理性分析，并簡要介紹研究金屬材料韌性斷裂模式在壓力容器中運(yùn)用的現(xiàn)實(shí)意義，例如提高壓力容器的安全等級、避免壓力容器設(shè)備在運(yùn)行期間出現(xiàn)較大故障等，提出壓力容器當(dāng)中金屬材料韌性斷裂模式的實(shí)際運(yùn)用，希望可以給相關(guān)工作人員提供良好借鑒。

關(guān)鍵詞：金屬材料韌性斷裂模式;壓力容器

由于壓力容器設(shè)備長時間處于高壓、高溫狀態(tài)下，對設(shè)備材料的要求特別高。為了進(jìn)一步提升壓力容器設(shè)備的安全性與穩(wěn)定性，相關(guān)人員要加強(qiáng)技術(shù)控制力度，并全面分析金屬材料韌性斷裂模式對壓力容器產(chǎn)生的影響，避免壓力容器在高壓、高溫狀態(tài)出現(xiàn)發(fā)生爆炸?；诖耍疚纳钊胩接憠毫θ萜鳟?dāng)中金屬韌性斷裂模式的具體運(yùn)用。

1 研究金屬材料韌性斷裂模式在壓力容器中運(yùn)用的現(xiàn)實(shí)意義

壓力容器設(shè)備是一種較為常見的工業(yè)設(shè)備，在化工企業(yè)中，占據(jù)重要地位。伴隨科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展與進(jìn)步，工業(yè)水平逐年逐漸，對壓力容器設(shè)備提出了更為嚴(yán)格的要求。通過研究金屬材料韌性斷裂模式在壓力容器設(shè)備中的運(yùn)用，能夠幫助相關(guān)人員準(zhǔn)確評估壓力容器設(shè)備的安全性，確保壓力容器設(shè)備的穩(wěn)定、安全運(yùn)行[1]。

另外，分析壓力容器中金屬材料韌性斷裂模式的具體運(yùn)用，可以保證壓力容器設(shè)備的各項(xiàng)性能得到更好發(fā)揮。例如，在高壓容器設(shè)備中，通過分析封頭和筒體連接結(jié)構(gòu)的安全性，能夠準(zhǔn)確評估出壓力容器封頭的安全等級，進(jìn)而采取良好的處理措施。

2 金屬材料韌性斷裂模式的特點(diǎn)

2.1 實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)

在分析金屬材料韌性斷裂模式前，試驗(yàn)人員需要開展扭--拉試驗(yàn)，包括反對稱四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，并根據(jù)最終的試驗(yàn)結(jié)果，運(yùn)用細(xì)觀力學(xué)分析理念，觀察金屬材料斷口模式。

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 結(jié)合拉--扭試驗(yàn)結(jié)果得知

試驗(yàn)人員采用45#調(diào)直鋼為試驗(yàn)材料，若其切口半徑是0.5mm，由于扭轉(zhuǎn)角度的不斷增大，扭矩增加，待切口半徑達(dá)到1.5mm后，扭轉(zhuǎn)角度增大，扭矩同時增加。當(dāng)外界拉力相等時，試件切口半徑較小，即使出現(xiàn)比較小的扭轉(zhuǎn)，也會引發(fā)斷裂現(xiàn)象。結(jié)合此實(shí)驗(yàn)得知，在復(fù)雜荷載作用下，金屬材料試件出現(xiàn)出現(xiàn)斷裂，并不是由單一因素引起的。運(yùn)用有限元計算原理得知，在復(fù)雜荷載作用下，應(yīng)力的三軸度和空穴比，對金屬材料韌性斷裂影響較大。

2.2.2 四點(diǎn)彎試件裂尖試驗(yàn)

在此實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，相關(guān)人員采用16MnR鋼試件，若試件彎剪比是1mm，鐵素體和珠光體間的界限特別明顯，容易出現(xiàn)塑性變形，裂尖鈍化顯著，但是，并沒有出現(xiàn)啟裂現(xiàn)象。當(dāng)試件的彎剪比達(dá)到1.5mm，會發(fā)生啟裂現(xiàn)象，同時不斷擴(kuò)展，最終引發(fā)嚴(yán)重的剪切變形。當(dāng)該比值達(dá)到3mm時，試件會出現(xiàn)韌性斷裂現(xiàn)象，裂紋大面積啟裂。從宏觀角度來分析，這種類型的韌性斷裂屬于剪切類型，但是，其核心機(jī)制為空穴，鈍化區(qū)域中間部位是否出現(xiàn)啟裂現(xiàn)象，仍然未知[2]。

2.3 金屬材料韌性斷裂模式

2.3.1 剪切型斷裂模式

受純扭荷載的影響，相關(guān)人員認(rèn)真觀察45#調(diào)直鋼斷口特點(diǎn)，由于荷載不同，其斷口形式不同，從微觀角度來分析，材料斷口和韌窩型間會產(chǎn)生較大差異，在剪切型斷裂模式中，其斷口當(dāng)中含有較多的剪切面，這些剪切面尺寸特別小，不會出現(xiàn)空穴與擴(kuò)展的現(xiàn)象。

剪切滑移帶內(nèi)部，容易出現(xiàn)整體斷裂現(xiàn)象，順著韌帶滑移線場滑移線會出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，此時主剪應(yīng)力作用面也會出現(xiàn)滑移線，所以，順著主剪應(yīng)力作用面，出現(xiàn)剪切型斷裂破壞模式。斷裂路徑的判斷，在平面構(gòu)件中，容易出現(xiàn)集中剪切帶，在不同類型構(gòu)件中，集中剪切帶也時常出現(xiàn)，因此，相關(guān)人員要準(zhǔn)確預(yù)測剪切型斷裂路徑，重點(diǎn)考慮塑性應(yīng)變方向。

2.3.2 韌窩型斷裂模式

金屬材料會出現(xiàn)韌窩型斷裂，其核心原因是材料的承載力不足，在擴(kuò)張與匯合的雙重作用之下，材料部分能力逐漸喪失，進(jìn)而出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果能夠得知，在裂尖斷裂期間，距離空穴最遠(yuǎn)粒子部位首先出現(xiàn)斷裂，由于空穴的逐漸擴(kuò)張，空穴和裂尖穩(wěn)定連接后，容易出現(xiàn)啟裂現(xiàn)象[3]。

此外，相關(guān)人員還要明確斷裂路徑，45#調(diào)直鋼在試驗(yàn)過程中，沒有出現(xiàn)預(yù)制裂縫，試件出現(xiàn)裂縫后，所形成的斷口比較平直，出現(xiàn)此種現(xiàn)象的主要原因是材料發(fā)生強(qiáng)制性限制。16MnR鋼試件屬于四點(diǎn)彎預(yù)制裂紋試件，在復(fù)合荷載作用下，裂紋啟裂容易發(fā)生轉(zhuǎn)折，脆性材料的裂紋增大。為了更好的提升韌窩型斷裂測定結(jié)果的準(zhǔn)確性，可以采用M準(zhǔn)則。

3 壓力容器當(dāng)中金屬材料韌性斷裂模式的實(shí)際運(yùn)用

3.1 載荷加載期間的有限元分析

①分析金屬材料的有效塑性應(yīng)變。由于荷載的逐漸增大，金屬材料有效塑性應(yīng)變區(qū)域會發(fā)生明顯變化，采用有限元分析方法，載荷逐漸增加，裂尖四周有效塑性應(yīng)變會發(fā)生顯著變化，主要以裂尖為核心，應(yīng)變逐漸擴(kuò)展，然后慢慢減小。另外，在載荷加載期間，上部裂尖會緩慢擴(kuò)展到左上方，在此過程當(dāng)中，半球形位于封頭的內(nèi)部，塑性區(qū)也會出現(xiàn)擴(kuò)展現(xiàn)象，擴(kuò)展方向由內(nèi)向外。最后，封頭內(nèi)部韌帶會徹底屈服;②材料應(yīng)力的分析。結(jié)合應(yīng)力曲線得知，由于載荷的逐漸增多，材料自身的軸向應(yīng)力絕對值越來越大，當(dāng)應(yīng)力絕對值達(dá)到最大時，徑向正應(yīng)力減小，但是，負(fù)應(yīng)力最小值絕對值會明顯下降[4];③材料位移分析。在高壓容器設(shè)備封頭和筒體連接結(jié)構(gòu)當(dāng)中，由于加強(qiáng)圈和容器之間存在縫隙，此縫隙又常被人們稱作裂紋，裂紋寬度是2mm，通過進(jìn)行有限元計算得知，如果單純的將裂紋設(shè)為零，受力狀態(tài)屬于劣化結(jié)構(gòu)類型。在分析裂尖的過程當(dāng)中，載荷會受到較大影響，所以，相關(guān)人員要全面考慮各項(xiàng)因素;④加強(qiáng)應(yīng)力三軸度分析，上裂尖和下裂尖部位，均會產(chǎn)生應(yīng)力三軸度，載荷加載期間，也會受此影響，因此，在實(shí)際分析的過程當(dāng)中，要綜合考慮各項(xiàng)因素。

3.2 結(jié)構(gòu)破壞

經(jīng)過有限元分析后，需要提前預(yù)估可能會產(chǎn)生的破壞形式。根據(jù)上述的分析結(jié)果能夠得知，此高壓容器結(jié)構(gòu)容易發(fā)生以下三種破壞形式，分別是整體屈服破壞模式、韌窩破壞模式與剪切破壞模式。整體屈服破壞模式，主要指的是在載荷正常的情況下，材料的應(yīng)力較高，變形較小，同時材料的屈服區(qū)面積小，若某個部位出現(xiàn)屈服，容易引發(fā)結(jié)構(gòu)破壞。

3.3 安全等級評估

綜合對比測量結(jié)果得知，通過進(jìn)行多次的加載與卸載，在此過程當(dāng)中，若結(jié)構(gòu)內(nèi)部壓力保持不變，裂紋尖端最大值會明顯提高，同時不會發(fā)生其他變化。為了確保各項(xiàng)結(jié)果的精確性，在具體加載期間，采用模擬容器進(jìn)行有效的模擬，然后對比空穴擴(kuò)張比值，在卸載過程中，空穴擴(kuò)展也會出現(xiàn)明顯變化，但是，該變化比值仍然處于有限區(qū)域之內(nèi)。

根據(jù)上述分析得知，在結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，包括上裂尖四周位置，以及下裂尖位置，會出現(xiàn)擴(kuò)張現(xiàn)象，金屬材料承載力逐漸下降，但由于反復(fù)加卸載，材料破壞趨勢并不是特別嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)也不會產(chǎn)生大面積破壞，故高壓容器結(jié)構(gòu)的安全等級較高[5]。

4 結(jié)束語

綜上，通過對壓力容器當(dāng)中金屬材料韌性斷裂模式的實(shí)際運(yùn)用進(jìn)行多角度分析，例如載荷加載期間的有限元分析、結(jié)構(gòu)破壞、安全等級評估等等，可以幫助相關(guān)人員更好的了解金屬材料韌性斷裂模式在壓力容器中的應(yīng)用情況，并采取積極的控制措施，提升壓力容器的安全性。

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