【摘要】：在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中,大多數(shù)壓力容器等設(shè)備的損傷失效是由長(zhǎng)期服役于高壓、重載環(huán)境而引起的材料內(nèi)部組織早期細(xì)觀損傷演化所致。細(xì)觀損傷的出現(xiàn)會(huì)使材料內(nèi)部的組織和力學(xué)性能發(fā)生劣化,致使材料的承載能力降低,嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響工業(yè)生產(chǎn)效率甚至誘發(fā)災(zāi)難性事故。因此,開展有效的檢測(cè)方法來探究容器用鋼在承載作用下的細(xì)觀損傷演化機(jī)理,實(shí)現(xiàn)材料損傷的早期檢出對(duì)于設(shè)備的長(zhǎng)周期安全運(yùn)行和事故的預(yù)防具有重要的意義。本文以壓力容器常用鋼Q245R鋼為研究對(duì)象,采用聲發(fā)射技術(shù)和非線性超聲技術(shù),對(duì)Q245R鋼雙邊“V”型缺口試件的拉伸損傷過程進(jìn)行在線檢測(cè)。分析試件拉伸損傷過程的聲發(fā)射特性和非線性超聲特性,探究金屬材料的細(xì)觀損傷演化規(guī)律,為材料損傷的早期發(fā)現(xiàn)提供一種有效的方法。主要內(nèi)容概括如下:(1)結(jié)合金屬材料的細(xì)觀損傷演化機(jī)理和瞬態(tài)應(yīng)力波釋放理論,分析得知位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)是材料細(xì)觀損傷過程的典型聲發(fā)射源產(chǎn)生機(jī)制。依據(jù)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)建立損傷與聲發(fā)射特征參數(shù)N間的聯(lián)系,結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著材料受載的增大,位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)加劇,損傷愈加嚴(yán)重,N值不斷增加;(2)依據(jù)金屬材料的細(xì)觀損傷演化機(jī)理和非線性超聲的理論基礎(chǔ),分析得知位錯(cuò)結(jié)構(gòu)演化是材料細(xì)觀損傷過程產(chǎn)生超聲非線性響應(yīng)的主要機(jī)制,超聲非線性系數(shù)β能夠表征超聲非線性響應(yīng)的強(qiáng)弱�；谖诲e(cuò)弦理論建立損傷與β值間的聯(lián)系,結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著載荷的增大,位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)加劇,材料損傷加重,β值不斷增加;(3)采用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)試件的拉伸損傷過程進(jìn)行在線監(jiān)測(cè),綜合運(yùn)用聲發(fā)射參數(shù)分析法和時(shí)頻分析法對(duì)試件拉伸損傷不同階段的聲發(fā)射特性進(jìn)行分析。結(jié)果表明,不同的拉伸損傷階段聲發(fā)射信號(hào)特征不同。在彈性變形階段,試件內(nèi)部損傷較弱,損傷模式單一,聲發(fā)射特征表現(xiàn)為信號(hào)活性和強(qiáng)度較小;屈服和強(qiáng)化階段,試件損傷嚴(yán)重,損傷機(jī)制復(fù)雜多樣,聲發(fā)射信號(hào)活性和強(qiáng)度顯著增大。(4)采用非線性超聲技術(shù)對(duì)試件的拉伸損傷過程進(jìn)行在線測(cè)試,計(jì)算試件在不同載荷下不同位置的β值。分析β值的變化規(guī)律得知:隨著載荷的增加,各測(cè)試點(diǎn)β值均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì),彈性變形階段,試件損傷較弱,β值緩慢增加;塑性損傷階段,試件損傷嚴(yán)重,β值快速增加。不同位置β值變化規(guī)律表明,缺口位置損傷最為嚴(yán)重,β值增長(zhǎng)幅度最大,隨著與缺口距離的增加,所受應(yīng)力減小,損傷程度減弱,β值增長(zhǎng)幅度減小;(5)選取聲發(fā)射累積撞擊計(jì)數(shù)N_h為聲發(fā)射表征參量,以不同載荷下的N_h值與極限載荷下的N_h值的比值定義損傷因子D。分別在彈性變形和塑性損傷階段對(duì)N_h值與載荷間的關(guān)系進(jìn)行數(shù)值擬合,聯(lián)立擬合公式計(jì)算試件的屈服載荷,得到試件在彈性變形階段和塑性損傷階段D的取值范圍,利用D值實(shí)現(xiàn)材料損傷的聲發(fā)射量化表征;(6)選取超聲非線性系數(shù)β為非線性超聲表征參量,以不同載荷下的β值與極限載荷下的β值的比值定義損傷因子D’。分別在彈性變形和塑性損傷階段對(duì)β值與載荷間的關(guān)系進(jìn)行數(shù)值擬合,聯(lián)立擬合公式計(jì)算試件的屈服載荷,得到試件在彈性變形階段和塑性損傷階段D’的取值范圍,利用D’值實(shí)現(xiàn)材料損傷的非線性超聲量化表征;(7)對(duì)聲發(fā)射測(cè)試得到的屈服載荷值,非線性超聲測(cè)試得到的屈服載荷值與試件的名義屈服強(qiáng)度值進(jìn)行比較,結(jié)合聲發(fā)射和非線性超聲技術(shù)的測(cè)試機(jī)理,進(jìn)一步認(rèn)識(shí)材料的細(xì)觀損傷演化規(guī)律,為金屬材料早期損傷的發(fā)現(xiàn)提供一種新的測(cè)試方法。
【學(xué)位授予單位】：東北石油大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG142.15
【圖文】：

化過程中必然伴隨著_>性應(yīng)力波的釋放和高次諧波的產(chǎn)生，因此，可以采用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測(cè)金屬材料損傷全過程產(chǎn)生的聲源信號(hào)，采用非線性超聲檢測(cè)技術(shù)測(cè)試金屬材料損傷過程中因應(yīng)力變化而引起的損傷狀態(tài)的變化，從損傷的過程和狀態(tài)角度對(duì)金屬材料的損傷情況進(jìn)行分析，揭示金屬材料細(xì)觀損傷演化機(jī)理。2.2 金屬材料的細(xì)觀損傷演化機(jī)理金屬材料在應(yīng)力作用下的塑性變形和裂紋擴(kuò)展，是結(jié)構(gòu)損傷失效的重要機(jī)制[39]。金屬材料在靜載荷的作用下會(huì)產(chǎn)生彈性變形、塑性變形和斷裂三種不同的損傷失效形式，在多數(shù)情況下，塑性變形是導(dǎo)致金屬材料損傷失效的主要因素，當(dāng)塑性變形進(jìn)行到一定程度時(shí)，材料內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，并在持續(xù)載荷的作用下裂紋不斷擴(kuò)展直至斷裂[40-41]。本文著重從塑性變形和裂紋擴(kuò)展斷裂兩種損傷階段來描述金屬材料細(xì)觀損傷演化機(jī)理。2.2.1 塑性變形過程當(dāng)試件所受載荷增加到一定數(shù)值后再卸載時(shí)，試件發(fā)生的變形不能完全消失，這時(shí)材料進(jìn)入塑性變形階段。塑性變形的主要方式是滑移和孿生，晶體的滑移是通過位錯(cuò)逐步地移動(dòng)來完成的[42]。晶體通過刃型位錯(cuò)的滑移運(yùn)動(dòng)過程示意圖如圖 2.1 所示。

滑移面垂直位置進(jìn)行攀移，是能量急劇釋放的主要誘因。2.2.2 裂紋擴(kuò)展斷裂過程金屬試件在斷裂前按是否發(fā)生明顯的塑性變形及斷裂過程消耗能量的多少可分韌性斷裂與脆性斷裂。韌性斷裂是一種緩慢的撕裂過程，過程中消耗能量，斷裂部位現(xiàn)明顯的頸縮狀的局部塑性變形；脆性斷裂是突然發(fā)生的斷裂，斷裂前不發(fā)生塑性變相比于塑性變形更加危險(xiǎn)�，F(xiàn)階段，隨著研究手段的不斷進(jìn)步，人們對(duì)于細(xì)觀損傷過的研究主要基于細(xì)觀理論。細(xì)觀理論從材料內(nèi)部微觀組織上的位錯(cuò)出發(fā)，研究位錯(cuò)的化及裂紋的形成過程，已成為細(xì)觀損傷研究的熱點(diǎn)。韌性金屬材料裂紋擴(kuò)展斷裂過程如圖 2.2 所示。縮頸開始時(shí)縮頸部位形成一個(gè)不尖銳的小型環(huán)狀缺口，試件原先受到的均勻軸向拉應(yīng)力狀態(tài)被破壞，形成三項(xiàng)拉應(yīng)力態(tài)；當(dāng)頸內(nèi)部三向應(yīng)力達(dá)到一定程度時(shí)，試件中間部位夾雜等二相粒子破碎或質(zhì)點(diǎn)與體分離，產(chǎn)生很多細(xì)小的孔洞；隨著損傷的不斷演化，微孔長(zhǎng)大，聚合成微裂紋；微紋在應(yīng)力作用下還沿著與力軸垂直的方向撕裂擴(kuò)展，橫向裂紋在剪切變形帶內(nèi)形成大，與裂紋連接成鋸齒狀，構(gòu)成杯錐狀底部的斷口，裂紋擴(kuò)展是一個(gè)相對(duì)緩慢的過程由于裂紋的不斷產(chǎn)生擴(kuò)展，最后試件邊緣沿著最大切應(yīng)力方向快速斷裂。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2718322