毕业论文课题相关文献综述
文献综述
1.1课题背景
钛金属具有强度高、腐蚀性能好、耐热性能好、低温性能好等优良特性[1]，是具有发展前途的新型结构材料。钛材在氧化性及非还原性介质中具有极强的耐蚀性能[2]，用钛材制造的各类设备在化工及其它具有腐蚀性工况条件下使用中称为永久性设备。钛及其合金不仅在航空、宇宙航行工业中有着十分重要的应用，而且已经开始在船舶、医疗、体育器械、化工和能源以及其他行业如建筑、畜牧业、食品制药、核工业、军械等得到广泛的应用[3]。然而目前国内外对工业纯钛的研究却较少，在化工石化中，工业纯钛的应用最为普遍，随着设计参数的不断提高对钛制设备的要求也不断提高，在使用过程中钛制设备同样会出现结构缺陷，其中由于焊接接头结构形成过程的特殊性使得其头部易产生缺陷，裂纹缺陷最危险，对于设备的使用安全产生了很大的威胁。虽然随着现代工业的迅速发展，由于设计压力的提高、高强度钢材的大量使用、焊接技术的普遍运用以及设备使用的严酷化等因素，各国都在逐渐地对自己的规范及标准进行修订和改进,缺陷评定方法的发展在不断地更新和完善中，但是目前还没有一个真正适用于焊接接头缺陷的安全评定准则，这是个值得研究的重点和难点。本课题以工业纯钛为研究对象，对含裂纹的焊接接头失效评定曲线进行研究，为研究性课题。
1.2国内外研究现状
近年来，随着现代工业的飞速发展，焊接结构被广泛的应用于许多重要的领域，如压力容器，石油天然气管道以及离岸结构等，因此对于焊接结构的整体性评价有越来越重要的意义[4]。其中由于焊接接头结构形成的特殊性使得其接头中容易产生缺陷和裂纹，对于含裂纹的焊接接头的失效评定曲线的研究也显得尤为重要。而含缺陷的失效评定研究在早前国内外就有一定的成果，其中失效评定图已被广泛认可。
失效评定图技术最早是在1976年由英国中央电力局(CEGB)提出并采用的。当时他们提出一个与当时其他标准完全不同的标准,即带缺陷结构的完整性评定,简称R6标准。之后美国电力研究院(EPRI)自80年代初,在研究CEGB的R6的基础上,使用J积分的工程估算法,推导出以J积分理论为基础的失效评定图。首次将弹塑性断裂参量J积分引入失效评定图技术,合理地考虑到裂纹体的几何形状、加载形式及材料的应变硬化特性等,较老R6有很大进步。由于EPRI对R6的积极推动作用CEGB于1986年颁布了R6[7]第3版。新R6是对老R6的彻底修改,以J积分理论为基础,提供了建立失效评定曲线的3种选择,大幅简化了EPRI的评定方法,并提出了缺陷评定的3种类型分析方法,将裂纹起裂、延性稳态扩展和塑性失稳等失效形式有机结合[5]。到现在已经在国际上广泛应用。欧洲工业结构完整性评估方法（SINTAP[6]），英国含缺陷结构完整性评定标准（R6第四版[7]），英国标准BS7910-2005[8]金属结构缺陷验收评定方法，美国石油学会API579-2007标准[9]，美国标准ASMEXIIWB-3640和非强制性附录H[10]及瑞典SAQ/FOU[11]，均采用了失效评定图方法作为基础。
而我国对含缺陷压力容器安全评定技术，研究起步晚，但发展速度较快。尤其是自20世纪90年代，基于J积分理论对弹塑性断裂力学和失效评定图技术的研究已经取得显著成果。失效评定图方法在含缺陷结构安全性评估过程中，使用简单，且有较高的安全性能，在工程应用上已经被广泛认可，该方法的核心技术在于如何更有效地选择用于安全评估的失效评定曲线。1984年，我国发行了含缺陷压力容器安全评定规范（CVDA-1984），该规范在防止压力容器破坏过程中发挥了重要作用，并大大提高了经济效益。由于评估技术的不断提高，我国对国际先进压力容器安全评估技术也做了很多的研究，在CVDA-1984基础上结合最新技术，相继制定了SAPV-95和GB/T19624-2004[12]。
CEGB/R6法建立在COD及EPRI法的基础上,可以用来分析裂纹扩展及失稳的全过程,代表了目前缺陷评定发展的新方向。然而,由于R6的出发点是以均质材料为基础的缺陷评定法,对于工程上的焊接结构来讲,实际的焊接接头是由母材区、焊缝区及热影响区等组成的连续体,材料和几何的不均匀性给焊接接头的力学性能造成很大的影响,给R6法在焊接接头缺陷评定中的应用带来困难。如何建立具有非均匀力学性能焊接接头的安全评定图,是有重要意义的[13]。针对焊接接头的不均匀力学性能对失效评定曲线的影响，不少学者进行了研究。雷永平，赵海燕等人以R6-86平面缺陷断裂评定规范为基础,通过对不同强度组配焊接接头J积分的有限元计算,探讨了在两种不同的极限载荷选取方式下,焊接接头强度组配对安全评定曲线的影响。结果表明。焊接接头不均匀强度组配对裂纹驱动力----J积分和失效评定曲线的形状与位置有很大影响。对于一个特定的焊接接头,如果接头为低组配或等组配,则以母材金属的极限载荷作为无因次载荷而建立的安全评定图较为保守;如果接头为高组配,则以焊缝金属的极限载荷作为无因次载荷而建立的安全评定图较为保守[14]。吕涛，史耀武等人基于CEGB/H/R6/Rev.3法，采用热弹塑性有限元分析手段，研究了残余应力和强度组配对横向裂纹平板对接接头失效评定曲线的影响规律。结果表明，强度组配和残余应力对其有明显的影响，当考虑残余应力时，低组配接头评定曲线的安全区大于高组配接头的评定曲线的安全区，这与无残余应力时正好相反。残余应力尤其对接头中的短裂纹影响较大，现行的CEGB/H/R6/Rev.3法不适用于接头中含有位于拉伸残余应力区内的短裂纹情形，而在应用CEGB/H/R6/Rev.3失效评定曲线对接头中的大裂纹情形进行评价时，将得出偏于保守的结果[4]。郭奇等人把焊接接头近似看做由焊缝，热影响区和母材三个单质结构合成的三明治式组合体，把组合体不同材料界面梯度的影响忽略，而后按照单一的匀质结构和非匀质组合结构进行讨论。用弹塑性有限元方法对16MnR材料及其与焊接热影响区和焊缝组合的非均质结构做了大量J积分计算,对各种不同组合结构裂纹的失效评定曲线进行了研究,提出了焊接接头焊缝裂纹的工程评定方法[15]。还有学者针对天然气管道焊接接头材料特性对失效评定图的影响做了研究，得到评估结果与材料性能位置有很大关系[16]。
上述均是针对焊接接头的不均匀性能进行的研究，其实国内于80年代就开展了焊接接头不均匀性因素对J积分断裂参量影响的研究[17-18],并取得了一系列的进展。但有关文献的研究表明[19],单参数J积分在平面应变状态下已不能完全描述焊接接头实际应力场的强弱大小,需要寻求一种新的断裂场参量和应力场的计算途径。张敏，马博针对这个问题,提出了一个适合于焊接接头裂端场的J～Q双参数准则。为了更加适合于工程实际应用,对双参数准则中的各参量进行了工程简化,通过有限元计算表明,新的简化方法能够更好地反映焊接接头裂端场的实质,并为焊接接头的安全性评定奠定了基础。而后又在此准则基础上得到了含缺陷焊接接头失效评定曲线的建立方法通过有限元计算,分析了材料组配以及裂纹几何对文中所建立的焊接接头失效评定曲线的影响。从工程实际的角度,讨论了J～Q双参数焊接接头失效评定曲线的应用，又由于焊接接头力学不均匀性对J积分和三轴性应力因子Q的影响,他们利用有限元数值解研究了J积分和Q因子的分布规律,结合工程实际,进一步通过曲线拟合得到了焊接接头失效评定曲线中各参量的工程估算方法。使得确定含裂纹焊接接头的失效评定曲线有了进一步的进展[20-21]。马博在以往的基础上进一步结合工程实际，对双参数焊接接头失效评定曲线中各参量的工程估算方法及其临界值测试和计算的途径作了系统的研究和归纳，得到了一个比较完整并便于工程实际应用的焊接结构完整性评定途径。在焊接缺陷结构的完整性评定过程中，接头的断裂韧性及其测试是其完整性评价的另一个中心环节。结合有限元数值解的结果，讨论了平面应变状态下，不同裂纹几何及材料组配焊接接头的载荷与位移曲线。在此基础上，应用柔度变化率法分析了各种组配接头的断裂性能，提出了适于工程应用的焊接接头断裂韧性的工程估算方法。最后，结合专家系统知识，通过VC 6.0可视化程序设计软件，开发出能应用于焊接结构缺陷评定的辅助系统软件包[22]。
钛和钛合金作为一种优良的耐腐蚀性的材料，近年来已经在石油化工设备上被广泛使用，由于我国钛矿丰富，因此钛及其合金作为石油化工设备新型的抗腐蚀材料有着广阔的前途[23]。工业纯钛根据其杂质（主要是氧气和Fe）的含量以及由此引起的强度差分为TA1、TA2、TA3三个牌号，它们具有良好的耐腐蚀性，塑性，韧性，焊接性和较高的比强度，主要用作化工行业中的耐腐蚀性结构，如设备、容器、管道等[24]。
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