固体材料与构件断裂性能的获取方法

断裂力学经过近几十年不断发展，固体材料与构件断裂性能的获取方法有了很大进步。然而，当人们将注意力转移到微、纳观断裂力学时，核反应堆构件、化工压力容器、高速铁路轮轨构件、航空发动机零部件等工程结构件的结构完整性对材料断裂性能的工程需求却在新世纪迅速扩大，而固体材料断裂性能的获取仍然存在一系列方法障碍，各类新版商用有限元软件还难以正确完成不算复杂的裂纹扩展分析。本申请项目拟对固体材料断裂性能的获取方法开展系统研究，包括发展断裂柔度测试方法，发展基于载荷分离理论的J积分、CTOD和CTOA单试样测定法，发展基于材料塑性应变疲劳的临界损伤律能够有效模拟材料疲劳裂纹扩展行为并用于结构完整性分析的数值方法；为发展新方法，对若干典型材料开展相关创新实验和比对实验。预计成果对国家断裂测试规范的创新修订，对提高先进材料与结构的断裂性能获取能力具有重要意义，有利于拓展断裂力学在工程结构完整性分析中的应用。

本项目受资助以来共发表论文37篇（已发表论文32篇，录用论文5篇），其中SCI收录和SCI源刊物录用论文为6篇，EI收录和EI源刊物录用论文为27篇，获授权国家发明专利3项，完成“GB/T 21143 金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法”的修订。主要工作包括：.（1）完成了CT、SEB和SET三类试样的转动修正方法研究；完成了FFCT试样和SEB试样的VLL-V0转换公式研究；提出了V形切口短棒试样、WCT试样、SET试样和周向裂纹圆棒试样的柔度法预测裂纹长度的计算式，并进行了有效性验证；提出了用于高温断裂测试的点触式高温柔度测试方法。.（2）完善了适合于FFCT试样断裂韧性测试的迭代求解方法，提出了CT试样对应于加载线位移和裂纹嘴张开位移的统一塑性因子表达式。.（3）提出了无量纲载荷分离理论，改进了Spb法，实现了无量纲载荷分离法用于CT和SEB试样的断裂性能测试；基于载荷分离法研究成果，开发了针对规则化法和Spb法的数据分析软件。.（4）基于本项目关于柔度方法和载荷分离方法的系列进展，主导完成了对国标“GB/T 21143 金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法”的修订(项目号：20110504-T-605)，并于2013年7月获审定通过。.（5）通过在I型裂纹裂尖的循环塑性区引入低周疲劳损伤提出了LCF-FCGM理论模型，实现了考虑不同加载比下的疲劳裂纹扩展行为的预测。针对十余种工程材料均取得了理想预测精度，模型具有很强的材料适用性。.（6）结合Newman-Raju思想和LCF-FCGM理论模型，建立了平板表面半椭圆裂纹的疲劳裂纹扩展行为预测的理论方程，应用该方程对7075-T6铝合金表面裂纹扩展形貌的预测结果与相关文献结果符合良好。通过对Cr2Ni2MoV钢单边I型裂纹寿命预测和专业疲劳软件MSC.Fatigue的对比分析表明：理论公式和有限元方法对裂纹疲劳扩展的预测结果符合良好，但应用LCF-FCGM理论模型可简捷实现不同加载比下含I型裂纹的构件的疲劳寿命评估，预测范围更广。.（7）基于有限元模拟迭代和光测分析手段，提出了获取延性材料全程单轴本构关系的TF方法，实现了材料的破断行为分析，结果有助于材料的失效机理分析以及含裂纹结构的准静态断裂行为预测。.（8）基于TF方法，分别采用圆环压缩试验和双硬度试验获取了延性材料的本构关系。