（化工过程机械专业论文）奥氏体材料低应力脆断微观组织应力分析研究.pdf

a n a l y si sa n dr e s e a r c ho fl o ws t r e s sb r i t t l ef a il u r eo n h u s t e n j 乙i cm i c r o s t r u c t u r e t h e s i s f o r m a s t e r sd e g r e e b y l ul u y i s u p e r v i s o r ：a s s o ci a t ep r o f e s s o rh ej i a s h e n g s c h o o lo t m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ， w u h a ni n s t it u t eo fc h e m i c a l t e c h n o l o g y m a y ，2 0 0 5 ， 5 3肼8 90m 8iiiiy j i j ：j 嘤 摘要 本文提出了符合奥氏休材料低应力脆断特征的微观组织力学 分析模型，并利用a n s y s 有限元分析程序，进行了奥氏体材料微 观组织应力场的有限元分析。 本文讨论了晶界、晶粒细化和微观缺陷对裂尖应力场的影响， 并对微裂纹的形成进行了分析。主要完成了如下几个方面的研究： ( 1 ) 在微观组织晶粒尺度上，对裂尖应力集中系数随裂纹长 度的变化情况进行了分析。结果表明裂纹穿越晶界后，应力集中 系数随裂纹长度的变化规律将发生变化： ( 2 ) 在几何条件与边界条件相同的情况下，对裂尖应力集中 系数随晶粒尺寸的变化情况进行了分析，结果表明裂尖应力集中 系数随晶粒变大而变大。 ( 3 ) 对裂尖附近的三品交7 f ：孔洞、两晶粒间孔洞和晶界开裂 等缺陷单独作用时对裂尖应力集中的影响情况进行了分析，得了 出缺陷对应力集中影响的等势图。并分析缺陷单独作用和联合作 用之问的关系，分析表明缺陷联合作刚h 寸对应力集中的影响可视 为缺陷单独作用时影响的叠加。 ( 4 ) 初步探讨了微裂纹萌生和发展的情况，包括晶界上孔洞 的汇合和孔洞对裂纹扩展路径的影响。 武汉化工学院硕士学位论文 本文的研究内容涉及宏微观断裂力学的前沿领域。本文的研 究结果可应用于奥氏体材料的应力腐蚀、高温蠕变等低应力破坏 的工程研究之中，还可用于微机电、微加工等领域的工程研究中。 关键词：低应力脆断；晶界；微观晶体有限元；微缺陷； 应力集中 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , am e c h a n i c sm o d e lo nt h em i c r o s t r u c t u r eo f a u s t e n i t i cm a t e r i a l sb r i t t l ef r a c t u r e du n d e rl o ws t r e s sc o n d i t i o n sh a s b e e np r o p o s e d t h em i c r os t r e s sf i e l d so fa u s t e n i t i cm a t e r i a l sh a v e b e e na n a l y z e db yu s i n gt h ef e a ( f i n i t ee l e m e n t sa n a l y s i s ) p r o g r a m ， a n s y s t h ev a r i a t i o n so fs t r e s sf i e l di nc r a c kt i pc a u s e db yb o u n d a r i e s o fc r y s t a lg r a i n ，r e f i n e m e n t so fc r y s t a lg r a i na n dm i c r o d e f e c t sh a v e b e e nc a l c u l a t e d t h ea n a l y s i so ft h ef o r m a t i o n so fm i c r o c r a c kh a s b e e nd o n e t h em a i nr e s e a r c ha s p e c t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) o nt h eg r a i ns c a l eo fm i c r o s t r u c t u r es c a l e ，t h er e l a t i o n s b e t w e e nt h es t r e s sc o n c e n t r a t i o nf a c t o r sa n dt h el e n g t ho ff r a c t u r e h a v eb e e nd i s c u s s e d t h e s er e s u l t ss h o wt h a ts o m ec h a n g e sw i l lt a k e p l a c et ot h er e l a t i o n sw h e n t h ec r a c k sg ot h r o u g hb o u n d a r i e s ( 2 ) t h es t r e s sc o n c e n t r a t i o n f a c t o r si nc r a c kt i p si n c r e a s e t o g e t h e rw i t hi n c r e a s i n go ft h ed i a m e t e ro fg r a i n su n d e rt h es a m e g e o m e t r i c a lc o n d i t i o n sa n db o u n d a r yc o n d i t i o n s ( 3 ) t h ei n f l u e n c e so fv o i d so nt r i c r y s t a l s ，v o i d sb e t w e e n g r a i n sa n dc r a c k i n go fg r a i nb o u n d a r i e sn e a rt h ec r a c kt i p st o s t r e s s c o n c e n t r a t i o nh a v eb e e nc a l c u l a t e dr e s p e c t i v e l y t h ee q u i p o t e n t i a l p l o t sa b o u tt h ei n f l u e n c e sh a v eb e f na c h i e v e da n d t h e s ep l o t sc a nb e li n e a r i t ys u p e r p o s e d ( 4 ) s o m em i c r o f r a c t u r ei n i t i a t i n gp r o c e s s e s h a v eb e e n s i m u l a t e dq u a l i t a t i v e l y , i n c l u d i n gt h ev o i dc o a l e s c e n c eo nt h eg r a i n b o u n d a r i e sa n dt h ei n f l u e n c e so fv o i d st ot h eo p i n i o n so fc r a c k p r o p a g a t i n gp a t h t h i sp r o j e c td e a l sw i t ht h ef r o n t i e ro fm a c r oa n dm i c r of r a c t u r e m e c h a n i c s t h er e s e a r c hf i n d i n g si nt h i sp a p e rc o u l db ea p p l i e dn o t i i i 武汉化c 学院硕士学位论文 o n l yt ol o w s t r e s sb r i t t l ef a il u r e ，s u c ha ss t r e s sc o r r o s i o na n dh i g h t e m p e r a t u r ec r e e p ，b u tt om i c r oe l e c t r o m e c h a n i ca n dm i c r o p r o c e s s a n ds oo n k e y w o r d s ：l o ws t r e s sb r i t t l ef a i l u r e ；c r y s t a lg r a i nb o u n d a r y ； f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ； m i c r o d e f e c t ； s t r e s s c o n c e n t r a t i o n 目录 目录 摘要i a b s t r a c t ii i 第1 章绪论1 第2 章 2 1 2 2 2 3 2 4 第3 章 3 2 3 3 3 5 3 6 3 7 奥氏体材料低应力脆断微观组织特征分析6 某石化厂三起断裂事故分析引发的思考二6 韧性断裂与脆性断裂的宏微观特征1 4 晶界的结构和力学性能15 细观断裂力学与宏观断裂力学的差异17 奥氏体材料微观组织的有限元分析1 9 晶粒一晶界结合模型2 2 力学模型2 2 a n s y s 简介2 5 晶体断裂模型的有限元计算2 8 3 6 1 几何模型2 8 3 6 2 边界条件2 8 3 6 3 网格划分2 9 3 6 4有限元计算结果3 0 模型的修正31 第4 章奥氏体材料晶界损伤有限元分析3 4 4 1 裂纹位于金相组织中不同位置的应力场的情况3 4 4 ：2 晶粒细化对断裂性能的影响数字模拟3 6 武汉化工学院硕士学位论文 4 3 4 4 4 5 笫5 章 o 1 5 2 5 3 晶界损伤的有限元模拟4 1 4 3 1 单一损伤分析与模拟4 4 4 3 2混合损伤分析与模拟5 0 晶界孔洞汇合模拟5 2 孔洞对微裂纹扩展的影响5 4 参考文献6 2 致谢6 8 附录i 附录i i 附录i i i 附录 0 l 一 三一 ：二 5 5 5 6 j 一 一展 一 l 缴甜 仑e基总躺触脾 n 了n u 1 o 厶 6 7 7 7 响 【 影响 一 的影响 一 中的影 一 集中的 一 力集中 应力集文对应力论洞对应表孔洞对发汇孔裂问 交问开期 晶日明界士三两晶硕 第1 章绪论 第1 章绪论 材料的损伤和破坏对人们来说并不陌生，它是常见的物理现 象。可是，材料破坏的微观机理还有待人类去探讨。实际上，它 是一个多尺度跨学科的研究课题，与湍流并列，是力学中的两大 ： 难题之一【l 】。 一 目前，从宏观上人们已经掌握了一些控制材料失效的方法， 并在工程上得到了广泛的运用，解决了许多实际工程问题，同时 也暴露出了它们的一些不足，如压力容器的常规设计方法与分析 设计方法在化工及其相关行业中起到了巨大的作用，但压力容器 上的大小事故却经常发生。随着社会的发展，关于工程材料安全 使用的新问题不断涌现，。人们迫切需要搞清楚材料损伤破坏的机 理。幸运的是，随着科学技术的进步和生产技术的发展，对材料 损伤和破坏的认识在不断前进和深入，有关材料失效的理论也在 不断完善和进步。 从1 7 世纪中叶开始，材料力学不断地发展、完善起来，提出 了各种关于材料破坏的强度理论，并在此基础上建立了有关结构 强度的设计、计算方法，对迄今为止的生产实践起了巨大的指导 作用。但是这些传统强度理论中应力的计算建立在连续性、均匀 性和各向同性等假设【2 】的基础上，忽略了材料中缺陷对应力计算 的影响，忽略了材料的工作环境和其他因素对材料强度的影响， 而将它们的影响都粗略地归结到安全系数中予以考虑。然而随着 现代化工业的发展和新工艺、新材料( 特别是高强度材料) 的广 泛采用，出现了高速、高压、高温与低温等严苛工作环境，按照 传统强度理论设计的各种结构发生了很多灾难性的事故，而且大 部分事故都属于低应力脆断【3 】，也就是说破坏发生时，结构中的 最大应力比传统理论的材料强度极限小，甚至小很多。传统强度 理论不能对这类材料破断问题给予合理的解释。 武汉化工学院硕士学位论文 在这种背景下，宏观断裂力学产生了。宏观断裂力学认为材 料是有微裂纹或缺陷的，这些微裂纹或缺陷可以是在材料冶炼过 程中产生的，也可以是在制造、使用过程中产生的，它们是导致 低应力脆断的内在原因。从宏观断裂力学可知，传统强度理论之 所以被广泛应用，是因为在十九世纪以前绝大部分构件都是小型 的，所用的材料都是低强度的，在一般工况下它们具有较好的抗 裂纹扩展能力( 4 1 ，所微裂纹或缺陷的存在不会导致事故发生。 一般说来，随着材料强度的提高，材料的韧性会下降，也就是说 材料抵抗裂纹扩展能力变差，在疲劳载荷、应力腐蚀、高温蠕变 等工况下，这些微裂纹或缺陷会发生不断的扩展，当达到i 晦界尺 寸时就会引发宏观断裂。虽然宏观断裂力学对这类低应力脆断作 出了较合理的解释，并研究了裂纹的扩展、止裂等规律，对实际 工程中一些带裂纹构件成功地进行了安全评定与失效分析1 5 , 6 1 ，但 是它并不能预先估计裂纹的萌生位置，也不是对所有的裂纹都能 进行分析和研究，还只能从一些简单的裂纹中抽象出理论模型进 行分析，如g r i f f i t h 裂纹等。此外，宏观断裂力学认为材料性能 在裂纹尖端区域与远离裂纹尖端区域一样，但实际上在裂纹尖端 区域材料的性能具有一些奇特的特点，如无位错区 i l 等，为了弄 清这些问题需要建立更为精确的破坏分析模型。 宏观断裂力学的局限性促成了损伤力学的兴起。损伤力学系 统地讨论了微观缺陷对材料的机械性能、结构的应力分布的影响 以及缺陷的演化规律。但是损伤力学还是采用宏观平均的方法， 将微裂纹、微孔洞等缺陷对材料的影响归结为材料有效承载面积 的减小，采用损伤变量d 【7 】来研究材料的破坏，并没有更深层次 地研究断裂机理。 与此同时，细观损伤力学飞速发展，成为细观力学( 细观力 学源于钱学森先生所倡导，旨在用连续介质力学的方法去研究具 有细观结构固体的变形及破坏行为1 8 , 9 1 ，它的应用尺度般在微米 级) 领域中跃动最迅速的前沿1 1 0 ，l 。细观损伤力学引入了多层次 的缺陷和损伤，如微孔洞损伤与汇合、微裂纹损伤与临界串接、 o r _ 一 第1 章绪论 界面损伤( 含滑错、空穴化与断裂) 、变形局部化带与沿带损伤等 典型的损伤基元，并利用它们研究材料从变形、损伤直至破坏的 全过程，定量阐述了它们与材料物理的联系，采用均匀化的方法 下建立了与宏观力学的联系，并与断裂力学结合产生了细观断裂 力学，它认为宏观裂纹的断裂过程区中包含着一个细观损伤区。 细观断裂力学阐明了微裂纹的细观损伤理论，并对断裂过程区进 行了详细的分析【l2 1 。当然，要想进一步的深入分析断裂机理，还 必须运用固体物理力学进行纳观断裂力学分析【1 2 】。遗憾的是，目 前细观断裂力学与纳观断裂力学理论很难被工程界所应用，主要 原因是没有找到一个好的结合点来将它们运用到工程实践中去。 近2 0 年来，由于计算机技术的发展，使自2 0 世纪3 0 年代以 来人们一直期盼的由单晶体的实验结果预测多晶体的变形和断裂 行为己日渐成为现实，形成了新的交叉学科晶体微观力学， 并成为定量材料设计学科的重要组成部分。在此理论基础之上， 许多学者运用有限元方法计算出了单向拉伸载荷作用下单晶、双 晶体、三晶体和复晶体的晶界附近应力场和应变场，在一定程度 上他们的结果与实验观察是一致的1 1 3 j 引。 如将晶体微观力学引入到断裂力学中，在材料微观组织晶粒 的尺度上，运用计算机对断裂过程进行数值模拟【1 9 】，并利用现代 物理学提供的新的实验手段，如电子显微镜、表面分析、高速摄 影之类的现代观测、测量技术，能使人们能够更深入地研究材料 的细观以至微观的断裂过程。这将使微观断裂力学理论运用到工 程实践中成为可能。因为工程上，金相组织对材料性能影响的研 究已经有相当丰富的经验，如材料的强度、耐腐蚀性等性能都和 显微组织密切相关；如淬火后，钢的硬度就会明显的上升；晶粒 尺寸小的材料抗晶间腐蚀能力就比晶粒大的材料好；球墨铸铁、 灰口铸铁由于金相结构形式不一样，它们的性能就大不一样等等。 目前，许多学者从晶粒的尺度对断裂进行研究： d a o 和l i 【2 0 】采用基于晶体塑性的计算微观力学模型用于研究 铝合金板材弯曲变形下变形局部化和断裂萌生的模式。 武汉化工学院硕士学位论文 李剑荣 2 1 】采用二维随机有限元方法研究了多晶材料的变形 局部化、损伤和破坏的过程。 万建松和岳珠峰1 2 2 】等人利用晶体滑移有限元数值分析揭示 了晶界对晶粒疲劳裂纹扩展的屏蔽效应的机理：晶界附近不协调 的塑性变形，导致了裂纹尖端应力场的重新分布。 周细应【2 3 】运用实验的方法对a 1 - c u - f e - b 准晶断裂韧性进行 了估计。贾维平【2 4 】做了铜三晶交汇对疲劳变形和开裂行为的研 究。 他们所取得的研究成果证明了从金相组织和晶粒的尺度来分 析断裂问题的可行性。但美中不足的是，在他们的分析与研究中 没有给予晶界足够的重视，他们认为晶界所带来的影响仅仅是由 于相邻晶粒性能差异所引起的，致使他们提出的这些模型在处理 应力腐蚀、高温蠕变等环境下的损伤断裂显得不太适用。根据目 前的有关应力腐蚀和高温蠕变的显微组织研究f 2 5 乏8 】和本人参与 的某石化厂多起脆断事故分析来看，大多数情况下的断裂都是晶 间开裂，或是晶界性能劣化引起的，这就说明晶界在这些断裂失 效中扮演了重要的角色。晶界的尺寸与晶体相比虽然是很小，但 它们是客观存在的。如果想分析清楚晶界在这些低应力脆断中的 影响，在数值分析中就必须正视它的存在。值得注意的是， g v g u i n e a 、g h u s s e i n 2 9 】等人建立一个砖一泥灰的微观断裂模 型，模拟砖一泥灰上的i 型裂纹，通过单独的对砖和泥灰进行材 料性能分析，实现了对复合材料模型的数值分析。这个模型的建 立为多晶体的研究提供了广泛的思考空间。事实上，多晶体可以 视为晶粒一晶界的组合体。晶界是晶粒间的粘合剂，晶界的性能 直接关系到材料的性能，这也就是说，晶界性能好的材料抗低应 力脆断的性能好，反之亦然。而在有限元模拟过程中，成功的关 键是对材料性能的了解。目前对晶粒的性能已经掌握的比较清楚， 如果能对晶界性能精确了解，特别是弹性模量和泊松比，问题就 迎刃而解了。 从工程实际应用从发，结合近年来对晶界研究，晶界的弹性 第1 章绪论 模量可以用实验的方法进行测试，并可以用计算机对晶界的力学 行为进行模拟1 3o 3 l 】。本文提出了一种带有晶界的晶粒尺度的微观 组织力学模型，采用有限元方法模拟了晶界和晶粒特性对奥氏体 钢材裂纹尖端力学特性的影响：讨论了当晶界存在时裂纹扩展过 程中裂尖应力集中的变化、晶粒度大小对裂尖应力集中的影响、 晶界上孔洞及其演化对裂尖应力集中的影响，利用此模型对金相 组织中微裂纹的形成和扩展进行了研究。 本文所做的主要工作： 对奥氏体不锈钢应力腐蚀断裂进行了微观组织分析。从对某 石化厂的多起奥氏体不锈钢应力腐蚀断裂实际事故分析中，可知 断裂破坏都是晶间破坏引起的，这预示着晶界的变化在材料破坏 中扮演了重要的角色，想要正确的模拟应力腐蚀断裂的微观力学 特性，必须考虑晶界的存在。因此本文在建模过程中强调了晶界 的作用。 总结了前人在晶粒晶界模拟方面的成就与不足，提出了奥氏 体材料微观组织应力分析模型，并在大型有限元程序a n s y s 上实 现，利用该模型可对奥氏体材料微观力学状态进行有限元分析。 利用本文提出的损伤模型进行了晶粒细化对材料强度的影响 和晶界上损伤孔洞对裂尖应力集中的影响的有限元分析，分别对 三晶交汇处和两晶间上的孔洞损伤进行模拟，阐明了晶界上的损 伤对断裂的影响：对金相组织中微裂纹的形成进行定性了的分析。 武汉化工学院硕士学位论文 第2 章奥氏体材料低应力脆断微观组织特征分析 传统的强度观点认为塑性材料发生韧性断裂，脆性材料发生 脆性断裂。但工程实际中，很多韧性好的材料也发生脆性断裂，且 大多数情况属低应力的脆断。低应力脆断在工程上是极其危险的， 由于这种断裂并没有明显的先兆，往往引起灾难性的事故。 2 1某石化厂三起断裂事故分析引发的思考 通过对断面进行宏观观察，可以初步对一些特征较为明显裂 纹进行机理研究，如脆性断裂与韧性断裂有着差别较大的宏观特 征。但是在大多数情况下，由于材料的多样性、环境的复杂性和 载荷的多变性等，使得断裂的特征并不是十分的明显，仅通过宏 观分析几乎不可能进行失效分析。要想清楚地对断裂特征进行分 析，必须借助金相显微镜、扫描电子显微镜等对断口进行深层次 的观测，同时结合电子能谱、化学成分检测等对断口的化学成份 进行分析，这样才有可能确定断裂的原因及其机理。 事例1三乙基铝管道法兰联接螺栓失效 某石化厂三乙基铝管道法兰联接螺栓的中部( 光杆部位) 在 短期内连续发生了断裂，如图2 1 所示。该管道的压力为4 m p a ， 设计材料为1 c r l8 n i 9 t i ，使用温度为常温，介质为三乙基铝。为 了查明事故的原因，我们做了如下工作。 将样本送湖北省冶金产品质量监督检验站理化实验室和武汉 化工学院分析测试中心进行了化学成分分析测试，结果表明螺栓 的材质是合格的。检测结果分别如表2 1 和表2 2 所示。 在扫描电镜下对断口的微观形貌分析中发现：断裂面( 图 t - - 臼 ， 0 第2 章奥氏体材料低应力脆断微观组织特征分析 2 4 ) 大都呈沿晶开裂，许多沿晶界的微裂纹清淅可见。而新扭断 的断面( 图2 5 ) 呈韧窝形态。而在化学成份分析中，如图2 3 图2 1螺栓断裂部位示意图 表2 1 化学成分分析 注：表2 1 为湖北省冶金产品质量监督检验站理化实验室化学成分检测结果 表2 2电子能谱分析 c s i m npsn i c rt i 1 c r l 8 n i 9 t i8 0 1 7 0 5 x ( c 一0 0 2 ) ( g b 2 2 2 - 8 4 )0 1 21 0 02 0 00 0 3 5 0 0 3 01 1 0 01 9 0 00 8 0 1 c r l 8 n i 9 8 o 1 7 o ( g b 2 2 2 - 8 4 ) o 1 51 o o2 o o0 0 3 50 0 3 0l o 0 01 9 o o 试样 0 1 31 1 58 6 71 7 5 5 0 0 7 0 10 0 70 0 7 注：表2 2 为武汉化工学院分析测试中心的检测结果 7 武汉化工学院硕士学位论文 所示，在断裂面上发现大量c 1 元素( c 1 。1 离子是使奥氏体不锈钢 产生应力腐蚀的重要因素) ，这是基体材料所不含有，基体材料的 化学成分如图2 2 表示口 根据应力腐蚀断裂特征，结合断口的微观形貌分析和微区化 学成分分析，可以判断在螺栓的光杆部分发生了应力腐蚀破坏。 图2 3 原开裂区化学成份能谱分析图 r - 第2 章奥氏体材料低应力脆断微观组织特征分析 图2 4 原开裂断面的微观形貌 图2 5 新扭断部位的微观形貌 9 武汉化工学院硕士学位论文 事例2热电偶套管失效分析 某石化厂热电偶套管在短期内( 使用仅十天) 发生断裂，断 裂发生在热电偶套管与法兰焊接处的根部，如图2 6 所示。该热 电偶用于测量常压塔进料管内原油的温度，设计材料 1 c r l 8 n i 9 t i 。 裂纹位置 图2 6热电偶套管断裂部位 对材质进行分析，套管材料化学成份是合乎1 c r l 8 n i 9 t i 的国 家标准。但在扫描电镜下发现：断裂上有一长达2 m m 的咬边区， 有大量的微小裂纹，并且有往内壁扩展的痕迹，如图2 7 。该处 材料与套管母材相比，颗粒粗大，组织疏松，呈黑色。该区域经 放大后的情形见如图2 7 b 、d 、e ，可以看出该处有夹杂存在。 对此处进行能谱分析发现此处有大量的杂质元素出现，如n a 、m g 、 a l 、s i 、p 、s 、c 1 、c a 等，如图2 8 所示。而对呈条纹区( 图2 7 a ) 的能谱分析中发现除有少量的杂质外，基本上与母材一致。 分析套管的破坏过程：由于焊接工艺的不当，在套管外壁上 造成了夹渣和咬边等，使得该处的微观组织发生了杂质偏析，大 量的杂质和缺陷聚集在此处。当套管承受载荷，特别是动载荷时 就产生了微裂纹。在流体冲击引起的交变应力作用下，套管壁上 的微裂纹就开始向内延伸，当达到一定的尺寸时有沿周向不断扩 展的趋势，一定时间后形成了的阶梯状的疲劳条纹。在疲劳裂纹 扩展并贯穿整个管壁后，就发生了裂纹的失稳扩展，导致最终的 断裂。从图2 7 b 、d 、e 中可见，微裂纹的萌生过程也具有沿晶破 坏的特征。 k ， - 第2 章奥氏体材料低应力脆断微观组织特征分析 ( d ) ( e ) 图2 7咬边影响区分析图 武汉化工学院硕士学位论文 图2 8 咬边微区成份分析 事例3b e s 浮头式换热器浮头盖螺栓失效断裂分析 某石化厂b e s 6 0 0 2 5 8 5 - 6 2 5 4i i 型换热器( 参见图2 9 ) 上连 接浮头法兰与钩圈的螺栓发生断裂。该换热器主要工作参数如表 2 3 所示。 图2 9a e s 、b e s 浮头式换热器 对螺栓的宏观分析中发出：螺栓在中部光杆部位沿与螺栓轴 线成4 5 。的面开裂，整个断口无明显的塑性变形，断口表面呈黑 色，有明显的腐蚀产物，虽历时较久，但经超声波清洗后，仍可 第2 章奥氏体材料低应力脆断微观组织特征分析 以清楚看到裂纹扩展的条纹，裂纹断口表面呈晶间腐蚀特征，如 图2 1o 所示。 表2 3 换热器的主要参数 b e s 6 0 0 - 2 5 8 5 - 6 2 5 - 4i i 型换热器 管程壳程 介质循环水h ：s ( 千气) 温度 4 0 8 0 压力( 表) 0 4 m p ao 0 6m p a 管束材质 1 8 - 8 螺栓设计材料 3 5 c r m o v 图2 1 0 螺栓断口的微观组织 断口上可见大量的腐蚀产物，且腐蚀产物中s 含量很高，断 1 3 武汉化工学院硕士学位论文 口呈脆性断裂特征。因为为了保证密封，螺栓受有较大的拉应力， 且裂纹有萌生区、扩展区及快速裂纹区。从这些迹象可以判断： 此螺栓断裂属硫化物应力腐蚀断裂。 由换热器的工艺条件可知，螺栓暴露于壳程介质硫化氢中， 螺栓的断裂部位处于法兰连接垫片处的光杆部分，当由于某种原 因管程中的水发生泄漏时，与硫化氢结合形成了氢硫酸，从而形 成了螺栓的腐蚀环境。 换热器工作时，螺栓承受一定的拉力。在螺栓预紧时，由于 无法测定预紧扭矩，为了保证密封的可靠性，往往使扭矩过大， 该螺栓的断面与螺栓轴线夹角约为4 5 。，说明扭矩引起的正应力 在应力腐蚀断裂中起了很大的作用。 综合对石化厂的三起事故分析，并结合大量化工装备事故， 可以总结出：虽然引起断裂的原因各不相同，但是最终的断裂都 不是强度不足的韧性断裂，而是由于工作环境和工作载荷等因素 使这些塑性良好的材料最终发生了脆性断裂。要想弄清这个问题， 首先要在宏观和微观上对韧性断裂与脆性断裂有一个基本的认 识。 2 2 韧性断裂与脆性断裂的宏微观特征 韧性断裂最显著的特征是材料断裂前伴有大量的宏观塑性变 形。在微观上，晶体有大量的滑移，换言之，韧性断裂的微观特 征是与晶体的滑移密切相关的。在不同的情况下，晶体滑移的方 式和形态不同，它们有蛇形滑移、涟波、延伸及韧窝。这些特征， 尤其是韧窝，就是韧性断裂的微观基本判据。 脆性断口的宏观基本特征是在断裂前没有可以察觉到的宏观 塑性变形，断口一般与正应力垂直，断口表面平齐，断口边缘没 有剪切“唇口 ，或唇口很小。断口的颜色有时比较光亮，有时 暗灰( 但仍比韧性金属的纤维状断口要亮) 。 光亮的脆性断口的宏观浮雕有时呈现裂纹急速扩展时形成的 第2 章舆氏体材料低应力脆断微观组织特征分析 放射状的线条( 或人字纹花样) ，当转动断口时，断口上呈现闪闪 发光的小平面。 放射状的线条( 或人字纹花样) 是由于不在同一平面上的微 裂纹急速扩展并相交的结果，闪闪发光时断裂的小平面对光线的 反射造成的。较灰暗的脆性断口的宏观形态则呈现无定形的粗糙 的表面，有时也呈现出晶粒的外形。 脆性断裂的微观判据是解理花样和沿晶断口的形态。对暗灰 色的脆性断口的进行研究表明，它的微观裂纹是沿晶界发展的， 这种现象常常是因为晶界上有第二相聚集、成分偏析、晶界或晶 间的腐蚀、或电化学腐蚀等因素降低了晶界的结合力造成的。 通过微观的脆性断裂和韧性断裂分析，从微观上来看金属材 料并不是理想的连续介质，晶粒并不是想象中的那样结合的那么 紧密成一个整体。所有的晶体都是离散的个体，晶界在它们中充 当粘合剂，并在其中扮演了重要的角色。从某种意义上来说，“粘 合剂”的好坏是发生韧性断裂和脆性断裂的关键。换句话说，发 生韧性断裂的材料具有性能良好的晶界。以往的研究认为晶界是 非常小而往往被忽略。如果要找出脆性断裂失效最根本的原因， 就必需正视晶界的存在，充分考虑它在材料中的作用。 为此，还必须对晶界有一个完整的认识和了解。 2 3 晶界的结构和力学性能 由于金属键无方向性，金属的晶体结构比较简单，每个格点 只有一个原子，属于简单晶格。金属所具有的典型晶体结构为面 一t l , 立方结构( f c c ) ，体心立方结构( b c c ) 和密排六方结构( h c p ) ， 分别如图2 1 1 ( a ) 、2 1 1 ( b ) 、2 1 1 ( c ) 所示口奥氏体钢为面 心立方的晶粒。 武汉化t 学院硕十学位论文 圆画 面心立方结构( f c c ) 体心立方结构( b c c ) 密排六方结构( h c p ) 图2 1 1三种典型的金属晶体结构 而晶界是固体材料中的一种面缺陷 3 3 , 3 4 1 ，其厚度通常小，只 有5 6 个原子层1 32 1 ，但它在金属与合金中广泛存在。晶界结构 对固体材料的力学性能有很大的影响。由于晶界和位错以及其他 缺陷和杂质之间的相互作用，使用多晶材料的塑性变形、强度、 断裂等力学性质与单晶材料相比存在很大差异。在常温变形时， 晶界是位错运动的障垒，晶界的存在可以提高金属材料的强度； 平均含有少量杂质的金属，晶界上杂质的浓度可以比平均浓度高 很多倍，由于杂质的存在降低了合金的力学性能，如图2 12 所示； 由于晶界具有比晶粒更为疏松的原子结构，因此杂质容易偏聚， 而杂质的偏聚往往又增大了沿晶腐蚀和应力腐蚀的敏感性而导致 开裂；晶界也是微孔洞和微裂纹成核的优先位置；在高温下沿着 晶界发生初始熔化，出现晶间断口 3 5 1 ；而减小晶粒度，增加晶界 面积，可以提高金属的强度和韧性。 第2 章奥氏体材料低应力脆断微观组织特征分析 图2 1 2n i 基合金的氧化( 表面氧化物渗透到表面下的金属中。氧化物是 脆性的，从而降低了合金的力学性能 ( 摘自工程材料科学与设计【3 6 1 ) ) 2 4 细观断裂力学与宏观断裂力学的差异 晶界的存在及其它晶粒特性的不同会导致细观断裂力学与宏 观断裂力学之间的明显差异。从晶粒的尺度来研究断裂力学问题， 必将摒弃一些宏观断裂力学有关假定。 首先，材料内部不是均质的，也非各向同性，晶粒与晶界的 材料性能是不同的。裂尖的奇变区的尺寸与晶粒的尺寸相比，还 是非常小的，这必然会导致裂纹在向前扩展时，不像宏观断裂那 样，在一个均质的物体上进行扩展，而是穿过不同的特性物体前 进。不同物体的抗裂纹扩展能力是不一样的，但宏观断裂力学处 理的是整体问题，因此将宏观断裂力学的相关理论运用到细观力 学中必须进行区域化。 另一个值得注意的是晶体的强度比材料的整体强度高得多。 晶粒间性能差别、晶界的存在、材料内部的不均质使得材料的整 体强度往往只有其单晶体强度的1 10 ，甚至1 10 0 。材料的整体 武汉化工学院硕士学位论文 强度是基于应力与应变的测试，而晶体的强度而需依据晶体原子 间相互作用力来确定。因此分析裂纹是否扩展时，宏观断裂力学 的判据在细观断裂力学中是不可用的。 最重要的是在显微组织的尺度上可以对部分损伤元进行分 析，如对孔洞、晶界开裂的研究，这是宏观断裂力学无法考虑的， 由此可见晶体微观断裂力学独到的一面。 1 8 第2 章奥氏体材料低应力脆断微观组织特征分析 第3 章奥氏体材料微观组织的有限元分析 3 1 前人在模拟方面的工作及成就 目前，关于晶体的有限元模拟已经取得了很大的成功，逐渐 地被理论界和工程晃所认可。 国内外许多学者对晶粒采用有限元法进行分析和研究，并在 晶粒与晶界模拟上取得了成就： 李剑荣【3 7 1 基于c a m a c h o - o r t i z 线性内聚力模型，给出一种以 应力形式表示晶界损伤破坏准则。把多晶体处理成以界面接触单 元结合的离散单元聚集体，采用a b a q u s e x p l i c i t 有限元软件模 拟了考虑材料随机不均匀性和晶界特征分布对变形损伤破坏的影 响。 万建松、岳珠峰【2 2 】等人，利用晶体滑移有限元程序镍基双晶 体晶界断裂特性研究，对两类双晶三点弯曲实验进行数值模拟分 析在室温下，面心立方( f c c ) 的弹性模量为e = i 15 g p a ，剪切模量 为g = 1 2 2 g p a ，泊松比为u = 0 3 1 5 将计算对象取为2 0 节点三维等 参元，采用3 3 3 阶积分程序中的两个塑性参数，q ( 硬化比) 和 入( 硬化参数) 由实验来确定模拟结果和实验结果能较好吻合，应 力的峰值并不在裂尖前缘，而是在晶界处，这一点同理论分析的结 果是一致的 t w k u l 3 8 - 4 1 1 等人相继运用有限元方法对细小的滚压过程和 微小轭的制作等进行模拟。有限元模拟与实验有着相同的变形， 再一次证明了有限元模拟的有效性。 还有许多许多学者做了大量关于晶粒、晶界的假设和模拟工 作【4 2 。4 7 j 。如h h y u ，z s u o l 4 2 】建立的小孔晶界模型，v b s h e n o y 4 3 】 采用自适应网格划分用类推的方法模拟原子级断裂机理， s t 6 p h a n eq u ili c i1 4 4 】建立的关于晶体的三维有限元模型。从而论 证了微观组织模拟的可行性。 武汉化工学院硕士学位论文 ( a ) 多晶几何模型 ( b ) 晶界示意图 图3 1李剑荣的晶粒、晶界模型 图3 2 t w k u 晶粒与晶界模型 2 0 、 图3 3 h h y u ，z s u o 的小孔晶界模型 f b ) 图3 4 v b s h e n o y 的自适应网格划分 图3 5 s t d p h a n eq u ill c i 的三维有限元模型 武汉化：【学院硕士学位论文 3 2 晶粒一晶界结合模型 借鉴g v g u i n e a 、g h u s s e i n 对砖一石灰的微观断裂模型， 如图3 6 所示。本文提出一种综合考虑晶粒和晶界的结合模型， 如图3 7 所示。在三晶交汇处晶粒有三种取向，晶粒1 、晶粒2 、 晶粒3 分别代表三种不同取向的晶粒。晶粒被晶界隔开，并与晶 界一起承受外载荷，假设晶界的强度足够，在和晶粒一起变形时， 不发生强度破坏。晶界与晶粒不同之外在于弹性模量的不同，所 有的晶界只有一种取向，也就是说只有一种弹性模量。 口 h t 。 b 图3 6 砖一石灰的微观断裂模型 3 3 力学模型 图3 7晶粒一晶界结合模型 第3 章奥氏体材料微观组织的有限元分析 对于单个晶粒来说，它是由一个晶核形成的，可以将其视为 均质，而忽略晶粒内部的亚晶界等缺陷。近似奥氏体y 铁晶粒是 各向同性的，晶粒有不同的取向。考虑晶粒的三种典型取向 ( 、 和 ) ，三种取向的弹性模量 4 8 , 3 0 】分别为 1 5 4 g p a ，1 2 2 g p a ，7 7 g p a ，三种取向的泊松比均为0 3 。一般说来， 为了保证多晶体的宏观弹性各向同性，晶粒的取向应随机选取且 保证三种晶粒的数目是相等的。鉴于晶粒取向随机选取导致结果 的误差，本文仅选取1 5 4g p a 一种取向进行分析。 而晶界被视为混合物，各向同性，弹性模量取晶粒最大弹性 模量的1 318 倍，为2 5 0 g p a ，泊松比取0 3 t 4 9 1 ，由于晶晃通常较 小，一般为5 6 原子层，在本文中取晶粒尺寸的5 ( 或更小，5 在工程上常认为是可以忽略不计的) 。 由于裂尖无位错区的存在，在这个区域的应力异常的大，远 超过塑性极限，如对晶粒采用弹塑性模型，显然不能计算出裂尖 的应力值。故本文认为裂尖的塑性区很小( 或没有) 而被忽略， 采用弹性模型，并在裂尖设计奇异单元，就能对晶体开裂进行模 拟。 从细观的角度上来看，晶体断裂可分为解理断裂与滑移断裂， 本文所研究的是解理断裂。 解理断裂通常是由于垂直于解理面的正应力的作用破坏了晶 体原子间的结合力引起的。如图3 8 所示。断裂以极快的速度沿 一定的结晶学平面发生断裂，断裂面平滑而光亮，一般没有显著 的塑性变形，但也可以在发生相当大的塑性变形下发生f 5 0 j 。 滑移断裂是由受剪应力的作用破坏了晶体原子间的结合力而 引起断裂。因为在断裂之前，明显可知发生显著的滑移，断口是 灰暗的，鹅毛状和纤维形貌，断裂面与拉伸轴成一定的倾斜角， 如图3 8 所示。 本文研究的断裂理论模型为有限宽的长条板有单边裂纹，受 到无穷远处的均匀拉应力。实际模型的长条板不可能无限长，也 不可能有无穷远处的拉应力，为了更为准确地对损伤进行模拟， 武汉化工学院硕十学位论文 根据圣维南原理【5l l 可以适当确定长板条的长度2 h ，如图3 9 所 示，通过观察裂尖应力集中与h 的关系，权衡系统资源的消耗与 精确，从而确定最佳的长度。 几何模型宽7 0 0um ，高度待定。水平裂纹长度为w 2 ：1 8 0um 。 模型上下两边同时作用与裂纹垂直的线拉伸力o = i n 1 tm ，如图 3 8 所示。晶粒为正六边形，其大小可以是变化的，晶界宽度为4 1 1m ( 小于最小晶粒宽度的5 ) 。 图3 8 固体断裂机理的晶体学层次分析示意图 ( a ) 晶体点阵( b ) 解理断裂( c ) 滑移断裂 第3 章奥氏体材料微观组织的有限元分析 ff 。fff 4l 川41 3 5a n s y s 简介 图3 9 几何模型图 a n s y s 5 1 击l j 软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大 型通用有限元软件，可广泛的用于核工业、铁道、石油化工、航 空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工 程、生物医学、水利、日用家电等一般工业及科学研究。该软件 提供了不断改进的功能清单，具体包括：结构高度非线性分析、 电磁分析、计算流体力学分析、设计优化、接触分析、自适应网 格划分及利用a n s y s 参数设计语言扩展宏命令功能。 a n s y s 在断裂力学上的运用 求解断裂力学问题的步骤为：先进行线弹性分析或弹塑性静 力分析，然后用特殊的后处理命令或宏命令计算所需的断裂参数。 在断裂模型中最重要的区域是围绕裂纹边缘的部位。裂纹的 边缘，在2 d 模型中称为裂纹尖端，在3 d 模型称为裂纹前缘。如 图4 - 1 所示。 在线弹性问题中，在裂纹尖端附近( 或裂纹前缘) 某点位移 武汉化工学院硕士学位论文 随万而变化，厂是裂纹尖端到该点的距离，裂纹尖端处的应力与 应变是奇异的，随1 万变化。为选取应变奇异点，相应的裂纹需 与它一致，围绕裂纹顶点的有限元单元应该是二次奇异单元，其 中节点放到1 4 边处。图3 10 表示2 d 和3 d 模型的奇异单元。 cr a c kf a c 裂纹面 图3 1 0 裂纹尖端和裂纹前缘 2 d 断裂模型 对2 d 断裂模型一般采用p l a n e 2 单元，其为六节点三角形单 元。围绕裂纹尖端的第一行单元，必须具有奇异性，如图3 1 l ( a ) 所示。 + 尽可能利用对称条件。在许多情况下根据对称或反对称边界 条件，只需要模拟裂纹区的一半，如图3 12 所示。 为获得理想的计算结果，围绕裂纹尖端的第一行单元，其半 径应该是八分之一裂纹长或更小。沿裂纹周向每一单元最好 有3 0 一4 0 角度。 裂纹尖端的单元不能有扭曲。 3 d 断裂模型 三维模型推荐使用单元类型为2