金屬材料韌性斷裂模式的分析及其在壓力容器中的運用

薛海龍　徐桂全

摘 要：針對金屬材料韌性斷裂模式的特點，進行合理性分析，并簡要介紹研究金屬材料韌性斷裂模式在壓力容器中運用的現實意義，例如提高壓力容器的安全等級、避免壓力容器設備在運行期間出現較大故障等，提出壓力容器當中金屬材料韌性斷裂模式的實際運用，希望可以給相關工作人員提供良好借鑒。

關鍵詞：金屬材料韌性斷裂模式;壓力容器

由于壓力容器設備長時間處于高壓、高溫狀態下，對設備材料的要求特別高。為了進一步提升壓力容器設備的安全性與穩定性，相關人員要加強技術控制力度，并全面分析金屬材料韌性斷裂模式對壓力容器產生的影響，避免壓力容器在高壓、高溫狀態出現發生爆炸。基于此，本文深入探討壓力容器當中金屬韌性斷裂模式的具體運用。

1 研究金屬材料韌性斷裂模式在壓力容器中運用的現實意義

壓力容器設備是一種較為常見的工業設備，在化工企業中，占據重要地位。伴隨科學技術的飛速發展與進步，工業水平逐年逐漸，對壓力容器設備提出了更為嚴格的要求。通過研究金屬材料韌性斷裂模式在壓力容器設備中的運用，能夠幫助相關人員準確評估壓力容器設備的安全性，確保壓力容器設備的穩定、安全運行[1]。

另外，分析壓力容器中金屬材料韌性斷裂模式的具體運用，可以保證壓力容器設備的各項性能得到更好發揮。例如，在高壓容器設備中，通過分析封頭和筒體連接結構的安全性，能夠準確評估出壓力容器封頭的安全等級，進而采取良好的處理措施。

2 金屬材料韌性斷裂模式的特點

2.1 實驗要點

在分析金屬材料韌性斷裂模式前，試驗人員需要開展扭--拉試驗，包括反對稱四點彎曲試驗，并根據最終的試驗結果，運用細觀力學分析理念，觀察金屬材料斷口模式。

2.2 結果分析

2.2.1 結合拉--扭試驗結果得知

試驗人員采用45#調直鋼為試驗材料，若其切口半徑是0.5mm，由于扭轉角度的不斷增大，扭矩增加，待切口半徑達到1.5mm后，扭轉角度增大，扭矩同時增加。當外界拉力相等時，試件切口半徑較小，即使出現比較小的扭轉，也會引發斷裂現象。結合此實驗得知，在復雜荷載作用下，金屬材料試件出現出現斷裂，并不是由單一因素引起的。運用有限元計算原理得知，在復雜荷載作用下，應力的三軸度和空穴比，對金屬材料韌性斷裂影響較大。

2.2.2 四點彎試件裂尖試驗

在此實驗當中，相關人員采用16MnR鋼試件，若試件彎剪比是1mm，鐵素體和珠光體間的界限特別明顯，容易出現塑性變形，裂尖鈍化顯著，但是，并沒有出現啟裂現象。當試件的彎剪比達到1.5mm，會發生啟裂現象，同時不斷擴展，最終引發嚴重的剪切變形。當該比值達到3mm時，試件會出現韌性斷裂現象，裂紋大面積啟裂。從宏觀角度來分析，這種類型的韌性斷裂屬于剪切類型，但是，其核心機制為空穴，鈍化區域中間部位是否出現啟裂現象，仍然未知[2]。

2.3 金屬材料韌性斷裂模式

2.3.1 剪切型斷裂模式

受純扭荷載的影響，相關人員認真觀察45#調直鋼斷口特點，由于荷載不同，其斷口形式不同，從微觀角度來分析，材料斷口和韌窩型間會產生較大差異，在剪切型斷裂模式中，其斷口當中含有較多的剪切面，這些剪切面尺寸特別小，不會出現空穴與擴展的現象。

剪切滑移帶內部，容易出現整體斷裂現象，順著韌帶滑移線場滑移線會出現斷裂現象，此時主剪應力作用面也會出現滑移線，所以，順著主剪應力作用面，出現剪切型斷裂破壞模式。斷裂路徑的判斷，在平面構件中，容易出現集中剪切帶，在不同類型構件中，集中剪切帶也時常出現，因此，相關人員要準確預測剪切型斷裂路徑，重點考慮塑性應變方向。

2.3.2 韌窩型斷裂模式

金屬材料會出現韌窩型斷裂，其核心原因是材料的承載力不足，在擴張與匯合的雙重作用之下，材料部分能力逐漸喪失，進而出現斷裂現象。結合試驗結果能夠得知，在裂尖斷裂期間，距離空穴最遠粒子部位首先出現斷裂，由于空穴的逐漸擴張，空穴和裂尖穩定連接后，容易出現啟裂現象[3]。

此外，相關人員還要明確斷裂路徑，45#調直鋼在試驗過程中，沒有出現預制裂縫，試件出現裂縫后，所形成的斷口比較平直，出現此種現象的主要原因是材料發生強制性限制。16MnR鋼試件屬于四點彎預制裂紋試件，在復合荷載作用下，裂紋啟裂容易發生轉折，脆性材料的裂紋增大。為了更好的提升韌窩型斷裂測定結果的準確性，可以采用M準則。

3 壓力容器當中金屬材料韌性斷裂模式的實際運用

3.1 載荷加載期間的有限元分析

①分析金屬材料的有效塑性應變。由于荷載的逐漸增大，金屬材料有效塑性應變區域會發生明顯變化，采用有限元分析方法，載荷逐漸增加，裂尖四周有效塑性應變會發生顯著變化，主要以裂尖為核心，應變逐漸擴展，然后慢慢減小。另外，在載荷加載期間，上部裂尖會緩慢擴展到左上方，在此過程當中，半球形位于封頭的內部，塑性區也會出現擴展現象，擴展方向由內向外。最后，封頭內部韌帶會徹底屈服;②材料應力的分析。結合應力曲線得知，由于載荷的逐漸增多，材料自身的軸向應力絕對值越來越大，當應力絕對值達到最大時，徑向正應力減小，但是，負應力最小值絕對值會明顯下降[4];③材料位移分析。在高壓容器設備封頭和筒體連接結構當中，由于加強圈和容器之間存在縫隙，此縫隙又常被人們稱作裂紋，裂紋寬度是2mm，通過進行有限元計算得知，如果單純的將裂紋設為零，受力狀態屬于劣化結構類型。在分析裂尖的過程當中，載荷會受到較大影響，所以，相關人員要全面考慮各項因素;④加強應力三軸度分析，上裂尖和下裂尖部位，均會產生應力三軸度，載荷加載期間，也會受此影響，因此，在實際分析的過程當中，要綜合考慮各項因素。

3.2 結構破壞

經過有限元分析后，需要提前預估可能會產生的破壞形式。根據上述的分析結果能夠得知，此高壓容器結構容易發生以下三種破壞形式，分別是整體屈服破壞模式、韌窩破壞模式與剪切破壞模式。整體屈服破壞模式，主要指的是在載荷正常的情況下，材料的應力較高，變形較小，同時材料的屈服區面積小，若某個部位出現屈服，容易引發結構破壞。

3.3 安全等級評估

綜合對比測量結果得知，通過進行多次的加載與卸載，在此過程當中，若結構內部壓力保持不變，裂紋尖端最大值會明顯提高，同時不會發生其他變化。為了確保各項結果的精確性，在具體加載期間，采用模擬容器進行有效的模擬，然后對比空穴擴張比值，在卸載過程中，空穴擴展也會出現明顯變化，但是，該變化比值仍然處于有限區域之內。

根據上述分析得知，在結構的內部，包括上裂尖四周位置，以及下裂尖位置，會出現擴張現象，金屬材料承載力逐漸下降，但由于反復加卸載，材料破壞趨勢并不是特別嚴重，結構也不會產生大面積破壞，故高壓容器結構的安全等級較高[5]。

4 結束語

綜上，通過對壓力容器當中金屬材料韌性斷裂模式的實際運用進行多角度分析，例如載荷加載期間的有限元分析、結構破壞、安全等級評估等等，可以幫助相關人員更好的了解金屬材料韌性斷裂模式在壓力容器中的應用情況，并采取積極的控制措施，提升壓力容器的安全性。

參考文獻：

[1]劉尚飛.淺談有色金屬材料在壓力容器設計中的影響與應用[J].工業設計，2019（06）：157-158.

[2]周琦榮.壓力容器、管道的墊片標準分析及發展應用探討[J].安全、健康和環境，2018，18（07）：78-81.

[3]唐錦學.移動式壓力容器殼體最低設計金屬溫度及選材問題的探討[J].中國化工裝備，2019，21（01）：38-43.

[4]秦建秀.在用鍋爐壓力容器檢驗中的裂紋產生原因探究[J].化工管理，2018（29）：239-240.

[5]李敬文，侯嫚丹，劉輝.石油化工生產中壓力容器的常見腐蝕問題及對策[J].黑龍江科學，2018，9（18）：64-65.