（机械设计及理论专业论文）冶金复合双金属管界面力学性能研究.pdf

分类号：! 鱼! ! u d c ：3 2 工学硕士学位论文 鳃嬲 密级： 单位代码： ! q q 2 鱼 冶金复合双金属管界面力学性能研究 作者姓名 指导教师 申请学位级别 学科专业 所在单位 授予学位单位 ：李春强 ：郑立允教授 ：工学硕士 ：机械设计及理论 ：机电工程学院 ：河北工程大学 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o h e b e iu n i v e r s i t yo f e n g i n e e r i n g f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g s t u d yo nt h ei n t e r f a c em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f m e t a l l u r g i c a lc o m p o s i t eb i m e t a l l i ct u b e c a n d i d a t e ：l ic h u n q i a n g s u p e r v i s o r ：p r o f z h e n gl i y u n a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r s p e c i a l t y c o l l e g e d e p a r t m e n t ：m a s t e ro f e n g i n e e r i n g ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ：c o l l e g eo f e l e c t r i c a la n d m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g h e b e iu n i v e r s i t yo f e n g i n e e r i n g m a y ，2 012 ， 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得河北工程大鲎或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果 由本人承担。 学位论文作者签名： 魂耜气饬 签字日期：山2 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑皇垦墨堡盎堂有关保留、使用学位论文的规 定。特授权塑兰堡墨堡盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同 意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：力稚飞逛 签字同期：划年多月同 导师签名： 关f ；杰缸 签字r 期：2 口肛年6 月i f 1 摘要 摘要 冶金复合双盒属管是一种全新的双金属产品，它采用非塑性成型的方法，把 初级工业材料和高技术的冶金处理过程结合起来，采用离心浇铸管坯经挤压、冷 轧( 或冷拔) 的生产方式，获得高品质的双金属管材。这种新型复合管材可以是 一般普通碳钢与不锈钢、一般不锈钢与高品质不锈钢的复合，也可以是任何钢种 与镍、铬、钼合金的复合，还可以根据用户要求或实际需求实现多种金属的多层 复合。冶金复合双金属管可广泛用于石油、化工、海洋平台等强腐蚀环境，也可 通过内层复合耐磨金属，从而满足电厂粉煤、矿山矿粉和尾矿浆输送等高磨损工 作环境的要求。 本文以冶金复合双金属管x 6 0 i n c o l o y 8 2 5 为研究对象，首先从裂纹尖端场入 手，对积分和h r r 场理论进行了阐述，分析了裂纹尖端附近的奇异应力场，并 对断裂准则进行了评判；其次，对材料进行力学性能实验，测出了冶金复合双金 属x 6 0 i n c o l o y 8 2 5 的布氏硬度、冲击韧度以及基本力学性能参数；第三，对冶金 复合双金属x 6 0 i n c o l o y 8 2 5 进行金相组织观察和拉伸断口扫描电镜分析，结果表 明，冶金复合双金属管基层和覆层之间具有较强的界面结合强度，过渡层实现了 完全的冶金结合；第四，通过有限元分析软件a b a q u s ，得出冶金复合双金属管 在弹性状态、弹塑性状态和塑性状态下的应力变化情况，同时获得了冶金复合双 金属管x 6 0 i n c o l o y 8 2 5 在塑性极限状态下的极限内压力，与基层金属相比，由于 冶金复合双金属管具有完全冶金结合的过渡层，所以其耐压能力提高了2 倍多； 第五，通过对冶金复合双金属管x 6 0 i n c o l o y 8 2 5 的拱型三点弯曲试样进行有限元 分析，得出了双金属复合管的动态断裂过程以及d - a a 曲线，同时得出冶金复合双 金属管x 6 0 i n c o l o y 8 2 5 的应力强度因子局随裂纹扩展的变化过程，并计算出其断 裂韧度值。通过对断裂韧度的计算，可用于评估含裂纹双金属管的承载能力，同 时可评估在一定工作应力的基础上双金属管能允许的最大裂纹尺寸。通过该方法， 为同类双金属复合管的质量验收提供了一种可行性标准。 关键词：冶会复合双金属管；界面力学；断裂力学；裂纹；有限元分析 一 垒! 璺! 垒! ! 一一 一 a b s t r a c t m e t a l l u r g i c a lc o m p o s i t eb i m e t a l l i c t u b ei sc o m p l e t e l yan e wp r o d u c t ，w h i c h p r o d u c t e db yn o n p l a s t i cm o l d i n ga n dc o m b i n e st h ep r i m a r yi n d u s t r ym a t e r i a l sw i t ha h i g ht e c h n i c a lm e t a l l u r g i c a lt r e a t m e n tp r o c e s s t h ec e n t r i f u g a lc a s t i n g t u b eb l a n ki s p r o d u c t e db ye x t r u d i n g ，c o l dr o l l i n go rc o l dd r a w i n g ，a n dt h e nh i g hq u a l i t yc o m p o s i t e t u b ei so b t a i n e d t h i sk i n do fc o m p o s i t et u b em a yb et h eb i n d i n gb e t w e e nc o m m o n c a r b o ns t e e la i l ds t a i n l e s ss t e e l ，o rt h eb i n d i n gb e t w e e nc o m m o n s t a i n l e s ss t e e la n dh i g h q u a l i t ys t a i n l e s ss t e e l ，o r t h eb i n d i n gb e t w e e na n ys t e e la n dn i ，c r , m oa l l o y , a n da l s o ， t h eb i n d i n g so fm u l t i 1 a y e r sm e t a l su p o nc u s t o m e r s r e q u e s t s m e t a l l u r g i c a lc o m p o s i t e b i m e t a l l i ct u b ec a nb ew i d e l yu s e di np e t r o l e u m ，c h e m i c a l ，o f f s h o r ep l a t f o r m sa n do t h e r h i g h l yc o r r o s i v ee n v i r o n m e n t ，t h r o u g ht h ei n n e rc o m p o s i t ew e a r - r e s i s t a n tm e t a l ；i t c a l l a l s om e e tt h ep o w e rp l a n tp u l v e r i z e dc o a lm i n es l a ga n dt a i l i n g ss l u r r yt r a n s p o r t h i g h w e a rw o r ke n v i r o n m e n tr e q u i r e m e n t s b a s e do nt h em e t a l l u r g i c a lc o m p o s i t eb i m e t a l l i c t u b ex 6 0 i n c o l o y 8 2 5 ，t h e j - i n t e g r a la n dh r r f i e l dt h e o r yw e r ed e s c r i b e di nt h ec r a c k - t i pf i e l d ，a n dt h e nt h e s i n g u l a rs t r e s sf i e l dw a sa n a l y s i s e dn e a rt h ec r a c kt i pa n dt h ef r a c t u r e c r i t e r i o nw a s i u d g e d s e c o n d l y , t h eh a r d n e s s ，i m p a c tt o u g h n e s sa n dt h eb a s i cm e c h a n i c a lp a r a m e t e r s o ft h em e t a l l u r g i c a lc o m p o s i t eb i m e t a l l i ct u b ex 6 0 i n c o l o y 8 2 5w e r em e a s u r e di nt h e l a b o r a t o r y t h i r d l y ，i t c a l lb es e e nf r o mt h em i c r o s t r u c t u r eo b s e r v a t i o na n dt e n s i l e 矗a c n l r es e mo ft h em e t a l l u r g i c a lc o m p o s i t eb i m e t a l l i ct u b ex 6 0 i n c o l o y 8 2 5t h a tt h e m e t a l l u r g i c a lc o m p o s i t eb i m e t a l l i ct u b eh a sas t r o n g e rb o n d i n gs t r e n g t h b e t w e e nt h e i n t e m a la n de x t e r n a ll a y e ra n dt h ei n t e r f a c eh a v ea c h i e v e dc o m p l e t e l yam e t a l l u r g i c a l b o n d i n g f o r t h l y ，t h r o u g ht h ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea b a q u s ，t h es t r e s s d i s t r i b u t i o n so ft h em e t a l l u r g i c a lc o m p o s i t eb i m e t a l l i ct u b ex 6 0 i n c o l o y 8 2 5i ne l a s t i c s t a t e e l a s t i c p l a s t i cs t a t ea n dp l a s t i cs t a t ew e r eo b t a i n e d ，a n dt h e nt h el i m i t i n gi n n e r d r e s s u r e si np l a s t i cs t a t ew e r eo b t a i n e d c o m p a r i n gw i t ht h ee x t e r n a lm e t a lt u b ex 6 0 ， t h el i m i t i n gi n n e rp r e s s u r eo ft h em e t a l l u r g i c a lc o m p o s i t eb i m e t a l l i ct u b eh a si n c r e a s e d n l o r et h a nt w ot i m e sb e c a u s eo ft h et r a n s i t i o nl a y e rw h i c hh a sac o m p l e t em e t a l l u r g i c a l b o n d i n g f i f t h l y , t h r o u g ht h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s t ot h ea r c ht h r e e p o i n tb e n d i n g s p e c i m e n so ft h em e t a l l u r g i c a lc o m p o s i t eb i m e t a l l i ct u b ex 6 0 i n c o l o y 8 2 5 ，t h ed y n a m i c f r a c t u r ep r o c e s sa n dt h ej - a ac u r v e sw e r eo b t a i n e d m e a n w h i l e ，t h ec h a n g i n gp r o c e s s o ft h ef r a c t u r ei n t e n s i t yf a c t o r 局w i t ht h ec r a c kp r o p o g a t i o nw a so b t a i n e d ，a n dt h e nt h e a b s t r a c t f r a c t u r et o u g h n e s sw a sc a l c u l a t e d t h r o u g ht h ec a l c u l a t i o no ff r a c t u r et o u g h n e s s ，i tc a n b eu s e dt oe v a l u a t et h eb e a r i n gc a p a c i t yo ft h ec r a c k e db i m e t a l l i ct u b e m e a n w h i l e ，i t a l s oc a nb eu s e dt oe v a l u a t et h em a x i m u mc r a c ks i z eo fb i m e t a l l i ct u b ei nac e r t a i n w o r k i n gs t r e s s t h i sm e t h o dp r o v i d e sav i a b l es t a n d a r df o r t h eq u a l i t ya c c e p t a n c eo ft h e s i m i l a rb i m e t a l l i ct u b e k e y w o r d s ：m e t a l l u r g i c a lc o m p o s i t eb i m e t a l l i ct u b e ；i n t e r f a c em e c h a n i c s ；f r a c t u r e m e c h a n i c s ；c r a c k ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s i i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 前言1 1 2 双金属复合材料的发展及研究现状2 1 3 双金属复合管的生产工艺及特点5 1 3 1 双金属复合管的生产工艺5 1 3 1 1 塑性成形法5 1 3 1 2 非塑性成形法8 1 3 2 冶金复合双金属管的生产工艺9 1 3 3 冶金复合双金属管的特点一1 0 1 4 本文研究的主要内容和方法1 1 第二章双金属复合管结合界面机理研究12 2 1 前言1 2 2 2 裂纹尖端场分析1 2 2 2 1 裂纹的基本力学模型1 2 2 2 2j 积分理论13 2 2 3h r r 场理论14 2 2 4 裂尖附近的奇异应力场：1 5 2 3 断裂准则18 2 3 1 局部参数法18 2 3 2 能量法19 2 4 扩展有限元法在断裂中的应用2 1 2 5 本章小结2 2 第三章冶金复合双金属材料的力学性能测试与分析2 3 3 1 前言2 3 3 2 试验材料2 3 3 3 试验方法2 5 3 3 1 布氏硬度试验2 5 目录 3 3 2 夏比缺口冲击试验2 7 3 3 3 单向静拉伸试验一2 8 3 3 3 1 应力一应变曲线3 0 3 3 3 2 弹性模量和泊松比3 0 3 3 3 3 屈服强度和抗拉强度31 3 3 3 4 伸长率31 3 3 3 5 实验结果3 2 3 4s e m 断口分析3 3 3 5 金相组织观察3 5 3 5 1 金相试样的制取3 5 3 5 。2 显微组织观察3 6 3 6 本章小结3 8 第四章冶金复合双金属管界面及断裂分析4 0 4 1 有限元简介4 0 4 2 复合管承受内压力时的力学分析4 l 4 2 1 力学模型及假设条件4 1 4 2 2 极限内压力的数值分析4 2 4 2 2 1 弹性状态4 2 4 2 2 2 弹塑性状态4 2 4 2 2 3 塑性状态4 3 4 2 3 极限内压力的有限元分析一4 3 4 2 3 1 有限元模型建立4 3 4 。2 3 2 有限元分析结果4 4 4 2 4 应力分布比较4 5 4 3 含预制裂纹双金属管道断裂分析4 9 4 3 1 拱形三点弯曲试样的断裂测定4 9 4 3 2 有限元模型5 0 4 3 3 预制裂纹长度不同时的模拟分析一5 1 4 3 4 施加不同载荷时的模拟分析5 3 4 4 含裂纹双金属管安全性判定5 6 4 4 1确定管道承载能力5 6 4 4 2 确定临界裂纹尺寸。5 6 4 5 本章小结5 6 结论和展望5 8 目录 1 结论5 8 2 展望5 9 致谢6 0 参考文献6 l 作者简介6 5 攻读硕士学位期间发表的论文和科研成果6 5 第一章绪论 1 1前言 第一章绪论 随着科学技术的不断发展，金属材料在各领域中发挥了越来越重要的作用， 而对于金属材料的要求也逐渐增高。为了满足高强度、高腐蚀性、高耐磨性、耐 高温性、高模量和电物理性等要求，一种新型的工程材料一复合材料诞生了。复 合材料由两种或两种以上具有不同性质的材料组成，它通过物理或化学的方法， 在宏观上组成了具有新功能的材料。各种材料在物理或化学性能上能够互相取长 补短，并产生协同效应，这使得复合材料综合性能优于原组成材料并且满足各种 不同领域的要求。正是由于复合材料在性能上发展了多个材料的各自优点，所以 在各个领域发挥了越来越大的作用。 近年来，随着复合材料的不断发展，为了满足陆上和海上远距离输送高压管 道设施系统的要求，双金属复合管的应用越来越广。双金属复合管又称为包覆管， 由两种不同的金属材料通过一定的方法组合而成川，两层金属管之间通过变形或连 接技术紧密地结合起来，在管体受外力作用的情况下，基层管和覆层管同时变形 并且它们的分界面处不产生分离现象。双金属复合管的设计原则是基管具有较高 的强度和刚性，应该满足管道的应力设计要求，同时具有一定的抗破裂能力和较 高的韧性，价格便宜；覆管应满足抗腐蚀和耐磨损的性能，并且具有抗环境介质 腐蚀的能力或抗磨损的能力，该覆层可以复合在基层管的外侧，这样的复合管称 为外复合管，也可复合在它的内侧，这样的复合管称为内复合管。 与单一的金属管相比，双金属复合管同时具备了基管和覆管的最佳性能，不 但可以满足高强度、高耐磨性、耐高温性等的要求，同时还能满足高模量和电物 理性等优点，即降低了生产成本，又降低了稀有、贵重金属的利用率。f 是因为 双金属复合管的这些特点，因此被越来越多地应用在机械、建筑、石油、化工、 医疗、食品、消防、核工业等领域的管道输送、器械用管和换热器用管等。 随着深海天然气石油的丌发和应用，海底石油管线的应用越来越多。在海底 石油管线的铺设阶段及其随后的服役过程中，由于内壁的压力，管道会出现各种 变形或焊接缺陷，由于该类管线一般都处于复杂的受力状态或恶劣的腐蚀性环境 当中，一旦产生缺陷，就有可能促使其裂纹扩展，以至产生管线塌陷、泄漏甚至 断裂等事故，从而造成巨大的经济损失和重大的环境污染等事故，因此，正确评 价管线的安全性是非常重要的1 2 1 。对于高韧性的管线钢，材料的失效( 泄漏或突然 河北1 ：程大学硕士学位论文 破裂) 往往是伴随着大量缓慢稳定的裂纹扩展达到临界的裂纹尺寸而产生的。宏 观裂纹在持续的韧性撕裂下，如果大幅增加承载能力，含缺陷部分有可能超出传 统弹性和弹塑性分析。 在二战中连续发生了多起在当时震惊工程晁的低应力脆断事故【3 j ，事故后相 关专家对实验和设计等都进行了比较严格的校核，均没有发现任何问题。大量事 实告诉我们，材料在使用过程中由于制造缺陷或使用中受力的影响，将会产生微 裂纹，导致材料的强度、刚度等下降，而当微裂纹积累到一定程度时，就会形成 扩展裂纹，从而造成材料的失效或破坏。1 9 8 9 年在前苏联乌拉尔山发生了一起输 气管爆裂事故，死伤高达10 2 4 人。五十年前首次发现的输气管道裂纹迅速扩展 就己经达到了1 0 4 m ，通过改善工艺，加强检测，降低钢材的韧性转变温度等发法， 脆性断裂逐渐被遏止，但仍不可忽视延性断裂的危害。1 9 6 9 年在美国发生了一起 动态延性断裂事故，其裂纹扩展的长度达2 6 0 m ，当时使用的钢材等级为x 6 5 ， 其中管径为9 1 4 m m ，壁厚9 5 m m 。美国1 9 7 0 1 9 7 5 年的统计显示，运行的管线在 美国共发生事故2 4 5 9 起，新线试压发生过1 3 8 9 起。在所有的事故中，断裂事故 约占到三分之一，而几乎所有的断裂事故都是由延性断裂产生。我国也曾经有很 多起因延性断裂而发生的事故，如铁岭至秦皇岛的管线事故【4 】。 裂纹的快速扩展是管道失效形式中最危险的一种，如不能及时地制止，有可 能引发严重的事故。许多工程事故的起因是管道开裂后，流体释放导致的裂纹扩 展。由于输送管道的爆裂失效给国民经济带来了巨大的经济损失甚至人员伤亡， 所以对输送管道的裂纹扩展研究显得尤为重要。 因此本文研究内容为冶金复合双金属管的结合界面机理及界面力学性能分析 与断裂数值仿真。 1 - 2 双金属复合材料的发展及研究现状 人类对双金属复合材料的认识和研究经历了漫长的历史时期。早在古罗马时 期，人类就尝试制取双金属材料。当时双金属材料主要用于装饰，包括镀了会、 银的铜装饰品和青铜装饰品，手柄用铜及其它合铸成青铜部分的工具和武器。后 来，当人类丌始采用锻焊时，用联合锻造法把铁和钢制造成大马士革钢或两到三 层的剑，这些工具均可认为是双金属。随着双金属制品的生产和发展，1 7 6 9 年， 钢和黄铜的双金属被用在天文钟上以达到平衡的效果；而在1 8 1 7 年，设计了银和 铂的双金属天文钟。 真正意义上双金属的工业生产是在1 9 世纪末到2 0 世纪初。美国于1 9 2 8 年获 得最初镀镍的双层钢板并于1 9 3 0 年开始工业生产双层钢板，其中包括碳素钢镀铜、 2 第一章绪论 耐蚀钢及其他金属和合金的钢板等。在1 9 世纪6 0 年代，美国制造了钢铜导线， 以此代替铜线被用在电话、电报、信号及其他网络的导线传输中。1 9 5 6 年，美国 的m e t a la n dc o n t r o lc o p 提出了一种三步法的工艺，即：表面处理轧制复合一退 火强化处理，这使得室温固相复合得到了迅速的发展，这项技术实现了复合材料 的连续化生产，同时大大提高了生产效率1 5 j 。 而法国和德国也相继在1 8 8 5 年和1 8 9 0 年生产出了同种类型的双金属导线。 后来双金属粗制品在线材孔型轧辊上轧制，并拉伸获得所需直径的线材。大概在 同时期，开始借助于轧制不同种类金属工业生产双金属。钢铝双金属用于制造器 皿、勺、罐头瓶、白铁罐诸如此类。同样，也用钢镍双金属制造器皿。 前苏联对双金属的研究开始于钢铜双金属导线的开发和应用。采用钢铜双金 属不仅能显著降低铜耗量，同时在相同电阻条件下能极大提高导线强度性能。1 9 2 8 年，在b b 斯塔尔克教授的领导下，科利丘金厂按有色金属的处理，用钢心镀铜 水经轧制和拉伸的方法，开始生产钢铜线，并于1 9 3 0 年开始使用合轧和拉伸的方 法制造双金属线材。1 9 7 4 年，马格尼托哥尔斯克金属制品冶金厂启用了生产钢铝 线的车间，自此，钢铝双金属导线投入生产和使用【6 】。 日本在复合材料方面的研究虽起步晚，但其进步很快，近些年来成为了从事 金属复合材料研究最多的国家之一。近几年，日本对不锈钢与铝复合的材料研究 更是领先了一步，且申请了多项技术专利叭，并且在阶梯式加热法、异步冷轧复 合法和温轧复合方面进行了大量的实验和研究。 我国对双金属材料的研究起步更晚，仅有几十年的历史。主要有长沙矿业研 究院、上海钢铁研究所、宝鸡有色金属研究院、武汉科技大学、东北大学等大学 和科研院所从事双金属方面的研究，并在双金属复合机理、复合工艺及实际应用 等方面取得了较大的成绩，而且在双金属冷轧复合轧机设备的改造上也取得了比 较快的进展。我国自行研究和生产的双金属冷轧复合型轧机于1 9 8 5 年在上海钢铁 研究所投入试生产，并于1 9 8 9 年1 2 月通过由机电部新材料办公室和冶金部科技 司主持的技术鉴定，这说明我国的双金属生产技术已步入世界先进水平的行列1 。 近些年，中国新兴铸管股份有限公司依靠科技进步，积极研制和丌发双金属复合 材料生产新技术，并在双金属离心铸造方面取得了突破，为提高我国工程机械耐 磨、抗腐蚀双金属复合材料性能打下了基础。 目前对于双金属材料复合机理的研究，都是基于弹塑性断裂力学与界面力学 等学科进行的。对于复合材料来说，最大的失效形式就是整体断裂和复合层的开 裂。早在二十世纪二十年代，英国物理学家g f i f f i t h 从能量角度出发，得出结论： 裂纹扩展释放出来的弹性应变能供给形成新裂纹所需要的能量，即当裂纹扩展所 释放出来的能量等于或大于裂纹形成新表面所需要的能量时，裂纹便开始失稳扩 3 河北工程大学硕士学位论文 展。正因为g r i f f i t h 在这一领域的研究成果，他被誉为断裂力学之祖。 1 9 5 0 年，o r o w a n 和i r w i n 使得g r i f f i t h 的断裂理论得到了完善，提出了材料的 塑性对裂纹扩展的影响。1 9 5 7 年i r w i n 从裂纹尖端应力场出发推出了应力强度因子 ( s t r e s si n t e n s i t yf a c t o r ) 理论，在此基础上，i r w i n 把应力强度因子与g r i f f i t h 的断裂 判据结合在一起，建立起了相对完善、便于应用的线弹性断裂力学理论，至此， 以应力强度因子理论和能量释放率为理论框架的线弹性断裂力学被构建。1 9 7 3 年， 以i r w i n 、t a d a 和p a r i s 共同编著的第一本应力强度因子手册【l2 j 问世，这也成为线 弹性断裂力学走向成熟的标志。 2 0 世纪6 0 年代开始了弹塑性断裂力学的大量研究，d s d u g d a l e 建立了裂纹 尖端场的带状塑性区模型【1 3 】，b a r e n b l a t t 建立了裂纹尖端场的内聚力区模型i j 引， a a w e l l s 建立了弹塑性条件下裂纹起裂的c o d 准贝j j t b j 。1 9 6 8 年，美国一些学 者继承了i r w i n 关于用应力强度因子k 来刻画裂纹尖端奇异场的思想，同时他们还 提出，积分和h r r 场【1 7 】的概念，至此，j 积分和h r r 场成为弹塑性断裂力学 的断裂参量和奇异场分析方法。1 9 7 2 年，l a n d e s 和b e g l e y 在大量试验的基础上提 出了弹塑性断裂准则，并以，积分作为其控制参量。r i c e 、m e r k l e 和p a r i s 在前人 的基础上进一步发展了t ，积分的估算方法，从而为单试样测定断裂韧度z c 提供了 更佳实用途径。此外，美国电力研究院以j 积分作为弹塑性断裂准则，发展了e p r i 方法，即弹塑性缺陷评定的工程估算方法，并在1 9 9 1 年推出了一本比较完整的延 性断裂手册【l 引。 在国内，关于双金属复合材料和断裂力学方面的研究也取得了比较大的成就。 在弹塑性裂纹尖端场的研究方面，高玉臣院士及其合作者利用渐近分析的方法系 统地解决了弹塑性裂纹尖端场的一系列问题f 1 9 3 酬，发现了静止裂纹的理想弹塑性 混合型裂纹尖端场应包含弹性区，并且将渐近分析法用于弹塑性扩展裂纹的分析， 获得了理想塑性及幂硬化塑性材料中准静态扩展裂纹的一系列奇异解，发现了动 态扩展裂纹的平面应变塑性场的奇异性必然伴有激波的现象。但是我国在这方面 的研究还比较落后，生产工业也不完善，产量相对较低，生产设备难以满足复合 材料的高性能要求，对于复合工艺和复合机理还要进行系统研究，并应把成果尽 力推广到实际的工程应用中去。 4 第一章绪论 1 3 双金属复合管的生产工艺及特点 1 3 1双金属复合管的生产工艺 根据双金属复合管的成形原理，双金属复合管的成形方法包括塑性成形法和 非塑性成形法两种。 1 3 1 1 塑性成形法 塑性成形法是利用管材的局部或整体的塑性变形来实现基层管和覆层管之间 紧密结合的一种复合工艺；由于该工艺成形设备简单，成形效率高，加工工艺简 单，因此在国内外得到了比较广泛的应用。 根据双金属管塑性复合成形时所处的不同状态，可将塑性成形法分为冷成形 法和热成形法。冷成形法包括机械拉拔法、机械滚压法、机械旋压法和液压胀形 法等；热成形法包括爆炸成形法和热挤压法等。 ( 1 ) 机械拉拔法 机械拉拔法是通过将两根单独的金属管内外套在一起，并通过特制的模具将 其进行拉拔，从而实现两层管紧密配合的机械式结合【3 7 】。根据专利文献3 8 , 3 9 1 介绍， 可知塑性机械拉拔法如图1 1 1 所示。拉拔前将内外管套在一起，通过成形模对管 壁的挤压，使内管和外管均产生塑性变形，从而达到紧密的机械式结合。由于成 型模和拉模的结构大小限制，这种工艺只适用于小直径的管道结合。 内层管外层瞽 成形模拉模 图l 一1 一i 塑性机械拉拔图l 一1 2 扩径挤压拉拔 图1 1 机械拉拔法 f i g 1 1m e t h o do fm e c h a n i c a ld r a w i n g 专利文献提供了另一种扩径挤压拉拔法，如图1 。1 2 所示。当内外管套在一 起后，在内管中穿入大小不同的锥形拉挤模，外部动力在拉杆的带动下使拉挤模 沿着管材内壁作相对移动，使内管完成轴向的扩径挤压，以此达到内外管问紧密 的机械式结合。由于扩径挤压拉拔的模具表面与管壁的内表面全接触，在拉拔的 过程中具有较大的摩擦阻力，因此需要大的成型力和能耗高。其次，在拉拔过后 5 河- i l l ：程大学硕士学位论文 一般都还要经过缩径加工或扩径加工的工艺，根据基管与覆管弹性模量的不同， 如果覆管的弹性模量小于基管的弹性模量，且覆管在外层，则需进行扩径加工； 而当覆管在内层时，就需缩径加工。 ( 2 ) 机械滚压法 通过滚压复合技术加工双金属的方法称为机械滚压法【4 1 , 4 2 。机械滚压法是通 过心轴的回转来带动滚动体不断挤压复合管的内壁，其周向分布的滚压体能随时 自动进行径向位移的补偿，同时将滚压力保持稳定或基本稳定的状态，促使内管 产生径向扩胀的塑性变形，从而完成内外管之间产生残余接触应力的紧密机械结 合，如图1 2 所示。由于滚动体对复合管内壁进行局部连续的滚压，故滚压法具有 摩擦阻力小、能耗低，驱动功率低等优点；但由于滚动体对内管多次连续的滚压， 所以滚压法容易造成内管壁变薄、严重时导致内管开裂的损坏现象，并且在内管 容易形成加工硬化。若在高温下进行滚压加工，则内外管也可以实现完全的冶金 结合。 l 一心轴；2 一外层管；3 一内层管；4 一滚动体 图1 2 机械滚压法 f i g 卜2m e t h o do f m e c h a n i c a lr o l l i n g ( 3 ) 机械旋压法 机械旋压法的原理如图1 3 所示。复合过程中组合好的复合管坯旋转的同时， 三个呈锥形状的旋转轮反方向地旋转并前进，使外层的碳钢管均匀地贴在不锈钢 管之上，形成静配合细螺纹状的连结。此方法的适用范围比较有限，加工较大管 径比较困难，而且复合管结合界面间的机械结合强度较低，容易发生结合界面分 6 第一章绪论 离或脱落等现象。 1 主轴；2 一主轴法兰；3 一芯棒法兰；4 一卸料面；5 一芯棒；6 坏管组合件；7 一旋轮 图1 3 机械旋压法 f i g 1 3m e t h o do fm e c h a n i c a ls p i n n i n g ( 4 ) 液压胀形法 液压胀形法是先将两个金属管松套在一起并对内层管壁加内压，随着管道内 压力的升高，内层管由弹性变形状态逐渐进入到塑性变形，并贴紧外管。当施加 的内压力达到一定数值时，外层管将产生弹性变形，内外层紧密结合在一起；当 内压力卸除之后，如果外层管弹性恢复能力远大于内层管的弹性恢复能力，则内 外管紧密结合在一起【4 引。 液压胀形法具有的优点是管壁界面的接触压力分布均匀，便于控制，管内表 面无擦伤或破坏的现象，且无加工硬化现象。但是液压胀形法需要的装置结构复 杂，对焊接管的质量要求较高，且对密封技术要求非常高。 ( 5 ) 爆炸成形法 爆炸成形法通过炸药爆炸产生连接金属所需的压力，使两层金属的搭接面实 现固相焊接。金属复合管的爆炸成形通常包括两种：一种是间接法m j ，既先通过 爆炸成形法得到两种金属的复合板，再经过热轧、冷轧等工艺形成复合带，最后 在焊管机组上通过连续辊式成型和焊接等方法得到金属复合管；另一种爆炸成形 是直接法1 4 川，其方法是先把基管和覆管组装成复合管坯，通过管内炸药爆炸所产 生的冲击波使内管发生塑性变形并紧贴在外管上。采用该法比较危险，需要专用 的场地和较高的技术要求，并且对精确计算炸药用量需要相当的经验。 ( 6 ) 热挤压法 热挤压法也称为复合挤压法，如图1 4 所示。其原理是将两种或两种以上金属 所组成的大直径复合管坯加热至1 2 0 0 左右，再通过由模具和心轴所组成的环状 7 河北工程大学硕士学位论文 空间进行挤压。当挤压坯料截面缩减至1 0 ：1 左右时，由于极高的挤压力和温度， 将会在界面处产生“压力锻”的焊接效应，促进界面问元素的快速扩散及充分的 界面结合，从而形成冶金结合的热挤压管。 复合挤压的优点是：界面为完全的冶金结合；挤压过程中所涉及到的力全是 压应力，因此特别适用于热加工性能不好、塑性低的高合金金属的加工。缺点是 由于结合决定于挤压过程中极短时问内界面间元素的扩散，会因氧化物膜的存在 而受影响，因此目前的复合挤压仅限于碳钢和不锈钢、高镍合金之间的结合1 4 引。 2345 1 一压头；2 一心轴；3 坏料；4 一模具；5 一复合挤压管； 图1 4 复合挤压法 f i g 1 4m e t h o do fc o m b i n e de x t r u s i o n 1 3 1 2 非塑性成形法 双金属复合管非塑性成形技术所采用的方法是铸造或焊接，并且能使金属复 合管的结合界面之间形成完全的冶金结合。常见的非塑性成形法包括离心铸造法、 离心铝热法、消失模真空吸铸法、堆焊成型法和中频感应加热钎焊法等。 ( 1 ) 离心铸造法 离心铸造是在传统铸造方法的基础上发展起来的一种现代的铸造方法。离心 铸造技术的原理是：把溶化的金属液通过流槽流进旋转的金属型腔内，在离心力 的作用下金属液将布满金属型腔，最后凝固成铸件。离心铸件的结晶细密，铸造 缺陷少，结合界面紧密，且具有较好的机械性能，因此离心铸造技术越来越多地 应用在现代化的铸件生产中。据统计，2 0 1 0 年我国使用离心铸造技术生产的铸件 高达3 2 0 力吨以上，这说明在现代化的铸件生产中离心铸造法具有举足轻重的地 位。 ( 2 ) 离心铝热法 离心铝热法( s h s 一离心技术) 【4 7 1 的实质是在离心力场作用下发生的铝热反应 8 第一章绪论 ( s h s 反应) 。根据化学配比，将混合均匀的铝粉和其他金属的氧化物填充在碳钢 管中，然后把充满铝热剂的钢管夹在离心机上，使其高速旋转并同时点燃物料并 发生化学反应。由于反应都是温度可达3 0 0 0 k 的高放热反应，因此产物