金属材料韧性断裂模式的分析及其在压力容器中的运用

薛海龙　徐桂全

摘 要：针对金属材料韧性断裂模式的特点，进行合理性分析，并简要介绍研究金属材料韧性断裂模式在压力容器中运用的现实意义，例如提高压力容器的安全等级、避免压力容器设备在运行期间出现较大故障等，提出压力容器当中金属材料韧性断裂模式的实际运用，希望可以给相关工作人员提供良好借鉴。

关键词：金属材料韧性断裂模式;压力容器

由于压力容器设备长时间处于高压、高温状态下，对设备材料的要求特别高。为了进一步提升压力容器设备的安全性与稳定性，相关人员要加强技术控制力度，并全面分析金属材料韧性断裂模式对压力容器产生的影响，避免压力容器在高压、高温状态出现发生爆炸。基于此，本文深入探讨压力容器当中金属韧性断裂模式的具体运用。

1 研究金属材料韧性断裂模式在压力容器中运用的现实意义

压力容器设备是一种较为常见的工业设备，在化工企业中，占据重要地位。伴随科学技术的飞速发展与进步，工业水平逐年逐渐，对压力容器设备提出了更为严格的要求。通过研究金属材料韧性断裂模式在压力容器设备中的运用，能够帮助相关人员准确评估压力容器设备的安全性，确保压力容器设备的稳定、安全运行[1]。

另外，分析压力容器中金属材料韧性断裂模式的具体运用，可以保证压力容器设备的各项性能得到更好发挥。例如，在高压容器设备中，通过分析封头和筒体连接结构的安全性，能够准确评估出压力容器封头的安全等级，进而采取良好的处理措施。

2 金属材料韧性断裂模式的特点

2.1 实验要点

在分析金属材料韧性断裂模式前，试验人员需要开展扭--拉试验，包括反对称四点弯曲试验，并根据最终的试验结果，运用细观力学分析理念，观察金属材料断口模式。

2.2 结果分析

2.2.1 结合拉--扭试验结果得知

试验人员采用45#调直钢为试验材料，若其切口半径是0.5mm，由于扭转角度的不断增大，扭矩增加，待切口半径达到1.5mm后，扭转角度增大，扭矩同时增加。当外界拉力相等时，试件切口半径较小，即使出现比较小的扭转，也会引发断裂现象。结合此实验得知，在复杂荷载作用下，金属材料试件出现出现断裂，并不是由单一因素引起的。运用有限元计算原理得知，在复杂荷载作用下，应力的三轴度和空穴比，对金属材料韧性断裂影响较大。

2.2.2 四点弯试件裂尖试验

在此实验当中，相关人员采用16MnR钢试件，若试件弯剪比是1mm，铁素体和珠光体间的界限特别明显，容易出现塑性变形，裂尖钝化显著，但是，并没有出现启裂现象。当试件的弯剪比达到1.5mm，会发生启裂现象，同时不断扩展，最终引发严重的剪切变形。当该比值达到3mm时，试件会出现韧性断裂现象，裂纹大面积启裂。从宏观角度来分析，这种类型的韧性断裂属于剪切类型，但是，其核心机制为空穴，钝化区域中间部位是否出现启裂现象，仍然未知[2]。

2.3 金属材料韧性断裂模式

2.3.1 剪切型断裂模式

受纯扭荷载的影响，相关人员认真观察45#调直钢断口特点，由于荷载不同，其断口形式不同，从微观角度来分析，材料断口和韧窝型间会产生较大差异，在剪切型断裂模式中，其断口当中含有较多的剪切面，这些剪切面尺寸特别小，不会出现空穴与扩展的现象。

剪切滑移带内部，容易出现整体断裂现象，顺着韧带滑移线场滑移线会出现断裂现象，此时主剪应力作用面也会出现滑移线，所以，顺着主剪应力作用面，出现剪切型断裂破坏模式。断裂路径的判断，在平面构件中，容易出现集中剪切带，在不同类型构件中，集中剪切带也时常出现，因此，相关人员要准确预测剪切型断裂路径，重点考虑塑性应变方向。

2.3.2 韧窝型断裂模式

金属材料会出现韧窝型断裂，其核心原因是材料的承载力不足，在扩张与汇合的双重作用之下，材料部分能力逐渐丧失，进而出现断裂现象。结合试验结果能够得知，在裂尖断裂期间，距离空穴最远粒子部位首先出现断裂，由于空穴的逐渐扩张，空穴和裂尖稳定连接后，容易出现启裂现象[3]。

此外，相关人员还要明确断裂路径，45#调直钢在试验过程中，没有出现预制裂缝，试件出现裂缝后，所形成的断口比较平直，出现此种现象的主要原因是材料发生强制性限制。16MnR钢试件属于四点弯预制裂纹试件，在复合荷载作用下，裂纹启裂容易发生转折，脆性材料的裂纹增大。为了更好的提升韧窝型断裂测定结果的准确性，可以采用M准则。

3 压力容器当中金属材料韧性断裂模式的实际运用

3.1 载荷加载期间的有限元分析

①分析金属材料的有效塑性应变。由于荷载的逐渐增大，金属材料有效塑性应变区域会发生明显变化，采用有限元分析方法，载荷逐渐增加，裂尖四周有效塑性应变会发生显著变化，主要以裂尖为核心，应变逐渐扩展，然后慢慢减小。另外，在载荷加载期间，上部裂尖会缓慢扩展到左上方，在此过程当中，半球形位于封头的内部，塑性区也会出现扩展现象，扩展方向由内向外。最后，封头内部韧带会彻底屈服;②材料应力的分析。结合应力曲线得知，由于载荷的逐渐增多，材料自身的轴向应力绝对值越来越大，当应力绝对值达到最大时，径向正应力减小，但是，负应力最小值绝对值会明显下降[4];③材料位移分析。在高压容器设备封头和筒体连接结构当中，由于加强圈和容器之间存在缝隙，此缝隙又常被人们称作裂纹，裂纹宽度是2mm，通过进行有限元计算得知，如果单纯的将裂纹设为零，受力状态属于劣化结构类型。在分析裂尖的过程当中，载荷会受到较大影响，所以，相关人员要全面考虑各项因素;④加强应力三轴度分析，上裂尖和下裂尖部位，均会产生应力三轴度，载荷加载期间，也会受此影响，因此，在实际分析的过程当中，要综合考虑各项因素。

3.2 结构破坏

经过有限元分析后，需要提前预估可能会产生的破坏形式。根据上述的分析结果能够得知，此高压容器结构容易发生以下三种破坏形式，分别是整体屈服破坏模式、韧窝破坏模式与剪切破坏模式。整体屈服破坏模式，主要指的是在载荷正常的情况下，材料的应力较高，变形较小，同时材料的屈服区面积小，若某个部位出现屈服，容易引发结构破坏。

3.3 安全等级评估

综合对比测量结果得知，通过进行多次的加载与卸载，在此过程当中，若结构内部压力保持不变，裂纹尖端最大值会明显提高，同时不会发生其他变化。为了确保各项结果的精确性，在具体加载期间，采用模拟容器进行有效的模拟，然后对比空穴扩张比值，在卸载过程中，空穴扩展也会出现明显变化，但是，该变化比值仍然处于有限区域之内。

根据上述分析得知，在结构的内部，包括上裂尖四周位置，以及下裂尖位置，会出现扩张现象，金属材料承载力逐渐下降，但由于反复加卸载，材料破坏趋势并不是特别严重，结构也不会产生大面积破坏，故高压容器结构的安全等级较高[5]。

4 结束语

综上，通过对压力容器当中金属材料韧性断裂模式的实际运用进行多角度分析，例如载荷加载期间的有限元分析、结构破坏、安全等级评估等等，可以帮助相关人员更好的了解金属材料韧性断裂模式在压力容器中的应用情况，并采取積极的控制措施，提升压力容器的安全性。

参考文献：

[1]刘尚飞.浅谈有色金属材料在压力容器设计中的影响与应用[J].工业设计，2019（06）：157-158.

[2]周琦荣.压力容器、管道的垫片标准分析及发展应用探讨[J].安全、健康和环境，2018，18（07）：78-81.

[3]唐锦学.移动式压力容器壳体最低设计金属温度及选材问题的探讨[J].中国化工装备，2019，21（01）：38-43.

[4]秦建秀.在用锅炉压力容器检验中的裂纹产生原因探究[J].化工管理，2018（29）：239-240.

[5]李敬文，侯嫚丹，刘辉.石油化工生产中压力容器的常见腐蚀问题及对策[J].黑龙江科学，2018，9（18）：64-65.