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背景简介

在失效分析中，由于标准试验通常与实际工作条件和部件的几何复杂性相差甚远，导致实验结果与实际之间存在误差或差距。另一方面，实际规模的测试难以实现，或者成本高昂且耗时，在研究大型和复杂的系统时不具备成本效益。此外，当组件太小时（小于标准中规定的子尺寸），无法进行标准测试。为了克服这些问题，20世纪80年代提出并开发了一种方便的半破坏性微型试验，称为小冲杆试验（SPT）。过去的几十年中，这种类型的试验已被用于获得断裂韧性和断裂应变之间的经验方程。

尽管业界在这一领域进行了大量研究，并开发了许多模型来估计恶劣工作条件下零件的使用寿命，并确定检查的时间段及其质量（大多数主要问题已得到解决），但行业中仍会发生不同的故障，需要进行案例研究以防止再次发生。因此，为了评估不锈钢1.4841（SS 1.4841）螺栓在蠕变和氢脆现象共同作用下的极限强度和断裂韧性的下降趋势，本研究采用小冲杆试验确定新螺栓和旧螺栓的力学性能（极限强度和断裂韧性），并利用有限元方法对试验过程进行模拟，通过验证后，开发并建立了有限元模型，以供进一步研究。

成果介绍

（1）图 1展示了小冲杆试验后获取的失效试样，从图中可以发现，断裂区中存在径向裂纹，该现象代表氢脆引起的脆性断裂。此外，螺栓厚度对断裂模式没有任何影响。 图2显示了作为不同厚度的失效螺栓材料的小冲杆试验结果的载荷-位移曲线。

图1 不同厚度a）t = 0.5 mm、b）t = 0.6 mm、c）t = 0.8 mm、d）t = 1 mm、e）t = 1.2 mm的失效螺栓材料的断裂模式

图2 不同厚度失效螺栓材料的实验结果

（2）为了分析小冲杆试验结果，利用ABAQUS软件进行了有限元模拟，采用对比法对有限元模拟结果进行验证，并将获取结果与参考文献中报告的实验结果进行比较。图3展示了在考虑和不考虑损伤模型的两种模式下实验和模拟结果之间的比较。结果表明，在没有应用损伤模型的SPT过程仿真中，载荷不断增加，并且与实验结果不同。然而，两种有限元模拟都能很好地预测材料在弹性状态下的行为。此外，应用基于Johnson-Cook参数的损伤模型能够良好的估计弹性范围外（不遵循胡克定律的区域）材料行为。

图3 考虑和不考虑损伤模型两种模式下的试验结果和有限元模拟比较

（3）采用Johnson-Cook准则损伤模型对不同厚度的圆盘样本（0.5、0.6、0.8、1.0和1.2 mm）进行了小冲杆试验有限元仿真，并将仿真结果提取为载荷-位移图（图4）。同时利用公式（1）确定了考虑不同厚度的工作和非工作螺栓材料的正态平均J积分。结果表明（图5），薄板在平面应力状态下的断裂韧度与螺栓尺寸有关，并且在达到最大值之前随厚度的增加而增加。此外，与新螺栓相比，服役过的螺栓材料的屈服和极限强度降低了31%和33%，其法向平均J积分降低了65%，表明研究条件下，SS 1.4841螺栓的极限强度和断裂韧性与原始情况相比分别降低了33%和65%。

                                                                                                                                      （1）

图4 不同厚度的非失效螺栓材料有限元分析结果

图5 失效和未失效螺栓材料的试样厚度的正态平均J积分

致谢

该研究工作得到了俄罗斯人民友谊大学战略学术领导力项目的资助。本文通讯作者：Kashyzadeh K R（Department of Transport, Academy of Engineering, Peoples’ Friendship University of Russia (RUDN University), 6 Miklukho-Maklaya Street, Moscow 117198, Russian Federation）。

本期小编：徐浩波（整理）

杨逸璠（校对）

程　航（审核）

闵　琳（发布）