面内/面外拘束交互作用下异种金属焊接接头薄弱位置裂纹的断裂机理研究

Investigation on the fracture mechanism of crack in the weakest location of dissimilar metal welded joint under the interaction of in-plane and out-of-plane constraint is a scientific problem which involving multiple disciplines, such as mechanical, material and mechanics. The crack presents complex fracture behaviors under the combined effects of the interaction of in-plane and out-of-plane constraint, complex microstructures and the sharp fluctuations of mechanical property. Based on the demand of the safe operation of advanced nuclear power plant, the following issues will be focused in the present project by using the combined approaches of the macro-fracture mechanic experiment, micro-observation, finite numerical simulation based on GTN model and theoretical analyses: (1) Investigation on the fracture mechanism of crack in the weakest location of dissimilar metal welded joint and its change; (2) Micromechanical analysis about the fracture mechanism and its change; (3) Discussion on the method to avoid the change of fracture mechanism from ductile fracture to brittle fracture. The aim of this project is to reveal the local fracture mechanism and its change law, ascertain its mechanical essence and obtain the method to avoid the change. The results are with great significance of developing structural integrity assessment which incorporates constraint effect for the dissimilar metal welded joint, increasing the reliability of key component, ensuring the safe operation of nuclear power plant, optimizing joint design and fabrication process, and so on.

面内/面外拘束交互作用下异种金属焊接接头薄弱位置裂纹的断裂机理研究是一个涉及机械、材料、力学等多个学科的科学问题。在面内/面外拘束的交互作用、复杂的微观组织、力学性能的急剧波动三者共同影响下，异种金属焊接接头薄弱位置裂纹将呈现复杂的断裂行为。本项目以先进核电站安全运行需求为牵引，综合运用宏观断裂力学实验、微观观察、基于GTN细观损伤模型的有限元数值计算和理论分析等方法，重点开展如下研究：（1）接头薄弱位置裂纹的局部损伤断裂机理及其转变规律；（2）局部损伤断裂机理及其转变的细观力学分析；（3）避免延性断裂向脆性断裂转变的方法探讨。目标在于揭示接头的局部损伤断裂机理及其转变规律、探明断裂机理及其转变产生的力学本质并获得避免延脆转变的方法。研究成果对于构建纳入拘束的适于异种金属焊接接头的结构完整性评定方法、提高核电关键部件的可靠性、保障核电站安全运行乃至优化接头设计和制造工艺等方面具有重要意义。

面内/面外拘束交互作用下异种金属焊接接头薄弱位置裂纹的断裂机理研究是一个涉及机械、材料、力学等多个学科的科学问题。在面内/面外拘束的交互作用、异种金属焊接接头复杂的微观组织、焊接区力学性能的急剧波动三者共同影响下，异种金属焊接接头薄弱位置裂纹将呈现复杂的断裂行为。本项目以先进核电站安全运行需求为牵引，综合运用宏观断裂力学实验、微观观察、基于GTN细观损伤模型的有限元数值计算和理论分析等方法，重点针对如下内容展开研究：（1）异种金属焊接接头薄弱位置裂纹的局部损伤断裂机理及其转变规律；（2）局部损伤断裂机理及其转变产生的细观力学本质；（3）异种金属焊接接头的优化设计；（4）异种金属焊接接头中材料拘束的影响范围；（5）实验室试样与实际结构间拘束度的匹配。目标在于揭示异种金属焊接接头的局部损伤断裂机理及其转变规律、探明断裂机理及其转变产生的细观力学本质、对异种金属焊接接头进行优化设计，并进一步探索异种金属焊接接头中材料拘束的影响范围、建立实验室试样与实际结构间拘束度的匹配。研究结果表明：在面内/面外拘束交互作用下，异种金属焊接接头呈现出复杂的断裂机理与转变规律，断裂机理及其转变主要受裂纹尖端应力/应变场与损伤场的影响；材料拘束存在影响范围，裂纹的扩展行为仅受该影响范围内材料的影响，而不受该影响范围外材料的影响；实验室试样与实际结构间的拘束度很难达到完全匹配，在对实际结构进行完整性评定时，可选择与实际结构拘束度相近的实验室试样进行断裂力学试验，以其测定的断裂力学性能对该实际结构进行评定，以增加评定的准确性。研究成果对于构建纳入拘束的适于异种金属焊接接头的结构完整性评定方法、提高核电关键部件的可靠性、保障核电站安全运行乃至优化接头设计和制造工艺等方面具有重要意义。