【摘 要】
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管线钢在管道运输领域的广泛应用对管线钢的性能和断裂评估的准确性提出了更高的要求。断裂韧性是断裂评估中的一项重要参数,与试样的几何尺寸有关。为准确预测管线钢的断裂韧性,本文利用试验、数值模拟和解析解等方法,研究不同尺寸的单边缺口拉伸试样的断裂韧性和拘束效应。由于管道裂纹尖端应力场与单边拉伸缺口试样的相似性,本研究采用单试样柔度卸载法测量单边缺口拉伸试样（SE（T））的断裂韧性,结果表明:无论是母材试
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管线钢在管道运输领域的广泛应用对管线钢的性能和断裂评估的准确性提出了更高的要求。断裂韧性是断裂评估中的一项重要参数,与试样的几何尺寸有关。为准确预测管线钢的断裂韧性,本文利用试验、数值模拟和解析解等方法,研究不同尺寸的单边缺口拉伸试样的断裂韧性和拘束效应。由于管道裂纹尖端应力场与单边拉伸缺口试样的相似性,本研究采用单试样柔度卸载法测量单边缺口拉伸试样（SE（T））的断裂韧性,结果表明:无论是母材试样还是焊缝试样,随着试样裂纹长度的增加,面内拘束水平均增加,裂纹扩展阻力曲线（J-R曲线）随之降低;随着试样厚度的增加,面外拘束水平增加,J-R曲线呈现下降趋势;直至B/W≥2时,J-R曲线基本保持不变,此时试样裂纹前端的应力分布趋于稳定,断裂行为由平面应力主导状态转变为平面应变主导状态。在小范围屈服条件下,通过三维有限元方法和试验数据验证,研究了基于裂纹尖端塑性区的面内面外统一拘束参数rp01/2、rpmax1/2、Apz 1/4、χp在单边缺口拉伸试样中的有效性。再者,基于弯曲修正的J-Qm理论和J-TZ双参数理论,将全局弯曲应力和试样厚度对试样裂纹尖端应力场的影响纳入考虑,本文提出改进的面外拘束参数QZ。裂纹尖端的数值模拟结果表明,在大范围屈服条件下,对于0.2≤a/W≤0.5的单边缺口拉伸试样试样,QZ具有很好的载荷无关性和路径无关性,并对单边缺口拉伸试样的厚度变化很敏感,能够很好地表征面外拘束对J-R曲线的影响。综合考虑面内拘束和面外拘束对J-R曲线的影响,利用J-Qm-QZ三参数理论对不同尺寸试样的J-R曲线进行预测,结果表明大范围屈服条件下的预测结果与试验数据相吻合。研究发现面内拘束参数Qm和面外拘束参数QZ可以有效地表征面内和面外拘束效应,且相比于参数rp01/2和χp,rpmax1/2、Apz 1/4可以更有效地表征面内面外统一拘束。此外,对于给定的试验样本,拘束参数rp01/2、rpmax1/2、Apz 1/4、χp与断裂韧性KIC之间存在线性关系,并建立了相应的拘束参数与断裂韧性KIC预测模型。
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