氢化物诱致金属稳态断裂增长的数值分析

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在温度和裂尖速度恒定、平面应变和小尺度氢化物沉淀条件下,本报告基于数值方法探讨氢化物诱致金属材料裂纹增长的现象和规律。文中数学模型能考虑氢扩散、氢化物沉淀、非机械能量流和氢化物/固溶变形等多物理场的耦合现象。导出的应力态金属中氢的固态溶解度解析表达式适用于描述具有不同弹性性态及任意几何形状的氢化物。在这一一般表达式中,氢化物和金属相被认为具有完全各向异性的力学性态。 研究表明当接近氢化学平衡和临近应力强度因子阈值裂纹传播时,静水应力平台产生于临近裂尖氢化物沉淀的区域。静水应力平台强烈依赖于远场氢浓度和温度,但是几乎与金属材料的屈服强度和硬化特性无关。同一静水应力也出现在产生氢化物的裂尖后面。裂尖场附近的特性用于估计远场氢浓度的阈值(而且发现低于此阈值时不会产生氢化物沉淀)和应力强度因子阈值。当归一化应力强度因子接近零时,临近应力强度因子阈值的裂尖场产生,它可由氢化物沉淀区域的常静水应力体现。随着归一化应力强度因子值的增加,裂纹传播的裂尖场从阶段Ⅰ演化到阶段Ⅱ,氢化物沉淀区域的实际尺寸减小并偏离平台水平,裂尖场附近的力学响应基本和金属中不充有氢的工况相一致。此时,裂尖场强烈依赖于远离裂尖场的氢浓度。 本文还对阶段Ⅱ的裂纹增长速度进行了数值预测,同时也从数值模型上证实实验观察到的有关裂纹速度的金属屈服强度效应和温度效应。理论预测同实验测量结果进行了很好的对比。
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