低温下铁路钢轨钢材CTOD和J积分的分析与讨论

低温下铁路钢轨钢材CTOD和J积分的分析与讨论 低温下铁路钢轨钢材CTOD和J积分的分 析与讨论 冯宝锐等:低温下铁路钢轨钢材CTOD和J积分的分析与讨论 低温下铁路钢轨钢材CTOD和 J积分的分析与讨论 冯宝锐,王元清,周晖,石永久 (清华大学土木工程系.土木工程安全与耐久教育部重点实验室,北京100084) 【摘要】青藏铁路等低温地区铁路的建设与维护,对钢轨钢材的低温冷脆性能与低温下服役的安全性研究 提出了迫切的要求.本文采用三点弯曲试样,对我国铁路建设中两种常用的钢轨钢材UT1Mn和U75V,在20~C,0~C, 一 20?,一40?,一6o五个温度点下进行了断裂韧度的评定试验.通过试验数据计算得到了上述两种钢轨钢材 在不同温度下的CTOD与J积分值,结果表明,钢轨钢材的6和值随温度的降低而减小.并对两种钢轨钢材在低 温下的断裂韧度进行了系统分析和 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf ,为工程 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 中两种钢轨的断裂韧度取值提供了借鉴数据. 【关键词】低温;钢轨钢材;三点弯曲试样;CTOD;J积分 【中图分类号】TU391【文献标识码】A【文章编号】1001—6864(2010)09—0001—04 DISCUSSIONSANDANALYSISoNCToDANDJ.INTEGRALVALUES oFRAILSTEELSATLoWTEN?'ERATURE FENGBao—rui,WANGYuan—qing,ZHOUHui,SHIYong-jiu (KeyLabofCivilEngineeringSafetyandDurabilityofChinaEducationMinistry,Dept. ofCivilEngineering,TsinghuaUniv.,Beijing100084,China) Abstract:Researchesonbritdefracturepropertiesandsecurityofrailsteelsatlowtemperature are requiredforconstructionsandrepairsofrailwaysincoldregions(suchasQinghai—TibetRailway,ete.).The fracturetoughnessKIcofU71MnandU75Vrailsteelsatlowtemperature(20oC,0~C,一20~C,一40~C and一60~C)weretestedbythree—pointbendspecimens.FracturetoughheSScandJlcofthetwotypical railsteelsatdifferentlowtemperatureswerecalculated.Theresultsindicatethat6candJIcred uceasthe temperaturedeclines.Fracturetoughnessofthetworailsteelsobtainedbytestsandanalysispr ovides referencestoengineeringdesigns. Keywords:lowtemperature;railsteels;three—pointbendspecimens;CTOD;J-Integral 钢轨是铁路轨道中非常重要的安全构件,起着支承和 导向列车的双重作用,并成为影响铁路运输能力和行车安 全的重要因素.目前,我国常用钢轨钢材的强度,韧性和塑 性比较差,容易产生裂纹并引起扩展,尤其是在低温下更容 易发生低温脆性断裂J. 从实际工程的角度出发,迫切需要对钢轨的缺陷及断 裂的力学机理进行研究,对服役钢轨的裂纹扩展规律,安全 性评定进行更为准确,定量的分析.青藏铁路是目前世界 上穿越高原高寒及连续性永久冻土地区的最长铁路,在使 用过程中常经历一40?以下的低温.目前对钢轨低温下断 裂韧性的研究尚未达到如此低的温度,因此迫切需要对钢 轨钢材的低温韧度进行更加充分的研究.因此,对青藏铁 路较多采用的U71Mn和U75V两种型号钢轨钢材的CTOD 和J积分值的研究具有重要的工程价值. 1断裂韧性指标 传统的冲击韧性指标CVN(CharpyV.Notch),能在一定 程度上反映材料抵抗断裂的能力,且冲击试验简便易行,因 此在工程中得到了广泛的应用.但是,冲击韧性指标难以 直接应用于定量的分析计算,不能准确判断材料,结构构件 的断裂行为.基于断裂力学理论的断裂韧度指标,如 ,Ji,CTOD(占)等,能够直接用于定量的计算.基于裂纹 尖端的应力应变场,可求解应力强度因子等,也可通过围 道积分的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 求解J积分,进而方便地求解K与CTOD.用 于评价材料断裂韧度的断裂力学指标主要有]: (1)平面应变断裂韧度是裂纹尖端在平面应变与 小范围屈服条件下的I型裂纹应力强度因子临界值,适用于 线弹性断裂力学.在动荷载或冲击荷载作用下,用.表示. [基金项目】国家自然科学基金项目(50778102)和铁道部.清华大学科技研究基金 项目(1"2000410) 2低温建筑技术2010年第9期(总第147期) (2)裂纹尖端张开位移临界值CTOD(6),是裂纹扩 展时裂纹尖端最大钝化程度的度量,适用于弹塑性断裂力 学.目前,对于CTOD的定义主要有两种:一是英国焊接 所提出的,以原始裂纹尖端的张开位移值为CTOD值,如图 1(a)所示.一是美国人Rice提出的,在裂纹尖端作9O.角, 该角所对应的正弦值为CTOD值,如图1(b)所示.当裂纹 尖端为半圆形时两者是等价的,前者便于试验法确定,后者 便于有限元分析. 原裂 (a)英国焊接所定义(b)Rice定义 图1CTOD的两种定义 (3)基于能量释放率的断裂韧度指标_,,对弹性和 弹塑性断裂力学都适用.在比例加载的条件下,J积分等效 . 于能力释放率G指标 2钢轨钢材艿Jlc与的关系 图2u71Mn脆性断裂试样 ?圈圈(a)2O?(C)一6O? 图3U71Mn试样在不同温度下的脆性断裂断口 圈圈圈(c)一6O? 图4U75V试样在不同温度下的脆性断裂断口 对U71Mn和U75V钢轨钢材采用三点弯曲试样方法进 行试验时,试样断面无塑性区的出现,从侧面观察,裂纹尖 端区域也几乎不发生塑性变形,可认为裂纹发生脆性断裂, 如图2一图4所示.因此,可根据弹性断裂力学分析方法, 得出占,分别与的关系. 2.1占与c的关系 ',Y \ J,\,\ J,—r/O一 l/ 图5裂纹尖端CTOD示意图 裂纹沿Y方向位移(如图5),有: : ?i导[2一(1+,:了0)cos]万?"Lz一【HJ (1) 对于平面应变状态,有: =,,=(2) 式中,为泊松比,E为弹性模量,为剪切模量. 将(2)式代入(1)式,有: = 鲁(,+)?莩sin号[2(一)一c.s号] (3) (4) 将(4)式代人(3)式,: (,)=V(,7r) = 鲁(t+)?sin号[2(?一)一c.s2号] = 鲁(1+c2 :.L.砰(5) E订. 一l,. 因此,原始裂纹尖端在Y方向的位移为: : 2V:一2.4.. 砰(6)7r凸 临界状态有: 6=??砬(7) 2.2J|c与的关系 如图6所示,'厂积分的定义为: .,=一'(8) 式中,W为应变能密度,本文指弹性应变能密度; 为边界厂以外物体对以内物体的力矢量分量;u.为边界,任 一 点(,),)的位移矢量分量;为沿路径J1的孤元素;n为路 释厂卜的单位外法向量. 冯宝锐等:低温下铁路钢轨钢材CTOD和J积分的分析与讨论3 图6J积分回路 在裂纹面上,T=0,则.:0,因此 d .,=_Gl=一 等价于能量释放率G. 表1U71Mn钢轨钢材试样6c与.,I (9) aU =一 古((10) 将(2)式代入(10)式,则在平面应变状态下有: =? 碍 临界状态时有: =. 磙 3试验数据整理 (12) 通过对U71Mn和U75V钢轨钢材试样在20?,0?,一 2O?,一40~C,一60~C的温度情况下,进行平面应变断裂韧度 K试验,利用公式(7)和(12),计算得到了各温度点下的艿 和,1值如表1和表2所示. 表2【厂75V钢轨钢材试样6c与 4低温建筑技术2010年第9期(总第147期) 4分析与讨论 根据对试验数据的计算结果,绘制了这两种钢轨钢材 6与.,.的平均值随温度的变化曲线,如图7和图8所示. 宣 暑 温度,? 图7钢轨钢材试样值随温度的变化曲线 温度, 8钢轨钢材试样值随温度的变化曲线 图 4.1温度产生的影响 由图7和图8可见,随着温度的降低,U71Mn和U75V 钢轨的占c和-,Ic呈下降趋势;U71Mn钢轨的8和c随温度 变化的曲线比U75V钢轨更陡,表明U71Mn钢轨的断裂韧 性对温度更加敏感.U71Mn钢轨占的平均值由20~C的 0.O138mm降到一60~C的00088mm,降低了0.005mm;U75V 钢轨8的平均值由2O?的0.O097mm降到一6O?的 0.O069mm,降低了0.O028mm.U71Mn钢轨.,的平均值由 20%的9021N/m降到一6oqC的6428N/m,降低了2593N/m; U75V钢轨-,Ic的平均值由20~C的7612N/m降到一60~C的 6070N/m,降低了1542N/m. 4.2化学成分的影响 在化学成分方面,U71Mn的C含量为0.71%,U75V为 0.77%.从图7和图8可知,尽管U71Mn的6c和',I.较 U75V对低温更为敏感,但IJ7lMn的断裂韧度曲线始终位于 U75V曲线的上方,表明【J71Mn的断裂韧度优于U75V钢 轨,说明由于U71Mn的C含量较低,使得其韧性要好一些. 此外,U71Mn的P含量为0.18%,U75V为0.14%.P 能使钢材可塑性及韧性明显下降,特别是在低温下更为严 重,该现象称为低温冷脆.U71Mn的P含量高于U75V,由 试验曲线可看出,U71Mn的断裂韧度在一20?与一40? 之间陡然下降,与U75V相比对温度更为敏感,也反映了P 的含量对钢轨钢材低温断裂韧度的影响作用. 5结语 (1)在低温下,钢轨钢材的6和.,.值降低,使钢轨发 生脆性破坏的可能性增大.由于低温对于青藏铁路钢轨的 影响很大,因此研究青藏铁路普遍应用的U71Mn和U75v 钢轨的6和值具有非常重要的意义. (2)根据金属材料平面应变断裂韧度的三点弯曲 试样试验方法,计算了青藏铁路中常用的U71Mn和U75V 钢轨的6和.,值,系统地分析了温度变化以及钢轨化学成 分对占和.,.的影响,为工程设计中两种钢轨钢材在低温下 的断裂韧度取值提供了借鉴数据. 参考文献 [1]冯宝锐,王元清,石永久.低温对铁路钢轨断裂韧性的影响分 析[J].低温建筑技术,2005,(4):97—99. [2]Bao—RuiFeng,Yuan—QingWang,Yong4iuShi.Studyontheinflu— eneeoftherailsteelatlowtemperatureusingthefracturem~han— icsmethod[C]//ProceedingsoftheNinthIntemationalSymposi— LImonStructuralEngineeringforYoungExperts.Aug.18-21, 2006,Fuzhou,China,vo1.1and2:1185—1189. [3]ChiWM.DeierleinGG.Integrationofanalyticalinvestigationsof weldedmomentresistingconnections[R].ReportNn136,John A.BlumeEarthquakeEngineeringCenter,StanfordUniversity, 2000,8. [4]GB4161—84,金属材料平面应变断裂韧度c试验方法[s]. [5]GB2038—91,金属材料延性断裂韧度JIc试验方法[s]. [6]GB/T2358—94,金属材料裂纹尖端张开位移试验方法[s]. [7]AndersonTLFractureMechanics.FundamentalsandApplications [M].CRCPress,BocaRaton,Florida,1995. [8]褚武扬.断裂力学基础[M].北京:科学出版社,1979. [收稿日期]2010—04—26 [作者简介]冯宝锐(1979一),女,山西临汾人,博士研究生, 研究方向:结构工程. 本刊投稿需知 1.来稿一律请采用科技期刊论文编辑格式,通过电子 邮件发送到:lowtem@163.tom编辑部邮箱.内容如下:中文 题目(尽量控制在18个字之内),作者姓名,工作单位全称 与所在省,市及邮编,英文题目,摘要及关键词,正文(文中 图表要精选,清晰,层次分明,插图要控制图 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 绘制),参 考文献(按《中国学术期刊检索与评价数据规范》标注,未公 开发表的资料不列入参考文献),第一作者简介,并标明详 细通信地址和联系电话. 2.来稿要有科学性,观点明确,论据可靠,数据准确,简 明扼要,一般在45o0字以内为宜. 3.稿件文责自负.请勿一稿多投,请自留底稿,编辑部 不退稿.三个月未收到处理意见的作者,可自行处理. 4.编辑部对发表的稿件将进行编辑加工和修改,凡不 同意修改原稿者,需注明.