Journal of Pipeline Science and Engineering
Combined Ductile-Brittle Fracture Simulation of API X80 Under Impact Loading
ABSTRACT
Keywords
Nomenclature
- a0
- initial crack length [mm]
- Δa
- crack extension [mm]
- Cp
- specific heat [J/kg∙°C]
- c
- strain rate dependent Johnson-Cook (J-C) deformation parameter
- D1, D2, D3
- Johnson-Cook fracture parameters at quasi-static strain rate and room temperature
- D4
- strain rate dependent J-C fracture parameter
- D5
- temperature dependent J-C fracture parameter
- Dc
- critical damage value
- E
- Young's modulus [GPa]
- E0
- elastic energy absorption [J]
- T, ΔT
- temperature and its change [°C]
- Tmelt
- melting temperature [°C]
- V0
- reference volume [mm3]
- VE
- total volume of one layer element in the unnotched ligament [mm3]
- εf
- ,
- strain rate and reference strain rate
- εp, Δεp
- equivalent plastic strain and its increment
- ρ
- density [kg/m3]
- σ1
- principal stress [MPa]
- σ1,max
- maximum principal stress [MPa]
- σc
- critical stress for brittle fracture [MPa]
- σy, σu
- yield strength and ultimate tensile strength, respectively [MPa]
- σe
- equivalent stress [MPa]
- σm
- mean normal stress [MPa]
- σw
- Weibull stress [MPa]
- CMOD
- crack mouth opening displacement
- CVN
- Charpy V notch
- DWTT
- drop-weight tear test
- FE
- Finite element
- J-C
- Johnson-Cook
- RT
- room temperature
- SENT
- single edge notched tension
- SRB
- smooth round bar
ABBREVIATIONS
1. INTRODUCTION
本文介绍了冲击载荷下 API X80 钢延性-脆性断裂的有限元 (FE) 模拟,重点考虑了应变速率和绝热加热效应。延性断裂模拟采用 Johnson-Cook (JC) 变形和断裂应变模型,脆性断裂模拟采用临界应力法。模拟方法在第 2 节中详细介绍。第 3 节“模型确定试验总结”和第 4 节“API X80 变形和断裂模型确定”讨论了为确定模型参数而进行的试验和相应的确定程序。第 5 节“验证试验”和第 6 节“验证与 FE 模拟结果的比较”分别描述了验证试验和验证过程。第 7 节分析了绝热加热和应变速率对冲击试验延性-脆性断裂模拟的影响。最后,第 8 节总结了结论。
2. PROPOSED COMBINED DUCTILE-BRITTLE FRACTURE SIMULATION MODEL
2. 提出的延脆性断裂模拟模型
本节提出了一种用于冲击载荷场景的延性-脆性断裂组合模拟模型。对于变形分析,采用 Johnson-Cook (JC) 变形模型(参见第 2.1 节)。延性断裂模拟采用 Johnson-Cook 断裂应变模型,该模型同时考虑了应变率和绝热加热效应。另一方面,脆性断裂模拟则采用临界应力模型。用于延性和脆性断裂模拟的模型分别详见 2.2 节“用于延性断裂模拟的 Johnson-Cook (JC) 断裂应变模型”和 2.3 节“用于脆性断裂模拟的临界应力模型”。第 2.4 节介绍了如何集成这些模型来模拟延性-脆性断裂组合。针对所研究材料(本研究中为 API X80 钢)的模型参数的确定需要进行实验测试,这将在第 3 节中讨论。第 4 节提供了 API X80 的参数确定程序。
2.1. Johnson-Cook (J-C) Deformation Model under Impact Loading
2.1 冲击载荷下的 Johnson-Cook(JC)变形模型
- The original form of the J-C deformation model is as follows:
JC 变形模型原始形式如下:(1)
其中 σ e RT 表示准静态条件下室温 (RT) 下的流动应力,T room 和 T melt 分别表示室温和熔化温度, 表示参考应变速率。对于钢,使用 T room = 25 °C 和 T melt = 1,500 °C (Chanda, 2015; Gambirasio and Rizzi, 2016)。值得注意的是,当应变速率低于参考应变速率时,等式 (1) 右侧的应变速率相关对数项会导致数值不稳定。为了缓解这个问题,对 JC 变形模型的原始形式进行了轻微修改,如 (Camacho and Ortiz, 1997; Gerstgrasser et al., 2021) 中所述。(2)
在准静态条件下,通过将参考应变速率设为 = 100 /s (Gu and Wang, 2022),该项趋近于 1。(Uenishi et al., 2011, Vaynman et al., 2006) 对高强度铁素体钢进行的高应变速率(高达 1,000/s)拉伸试验表明,当应变速率超过 100/s 时,观察到明显的应变速率硬化。基于这些观察,Yu 等人(Yu and Ru, 2015)选择 100/s 作为模拟 API X80 DWTT 试验的参考应变速率。在我们之前的工作中(Seo et al., 2024),同样选择 100/s 的参考应变速率可以成功模拟 API X52 的 CVN 和 DWTT 试验(Seo et al., 2024)。最后,需要确定 k 和 c 两个参数。API X80 钢的参数确定程序将在第 4.1 节中描述。
2.2. Johnson-Cook (J-C) Fracture Strain Model for Ductile Fracture Simulation
2.2. 用于延性断裂模拟的 Johnson-Cook(JC)断裂应变模型
采用 Johnson-Cook (JC) 断裂应变模型模拟冲击试验中的延性断裂,同时考虑应变速率( )和温度 (T) 效应(Camacho 和 Ortiz,1997 年;Gerstgrasser 等人,2021 年;Borvik 等人,2001 年):(3)
其中,σ m 和 σ e 分别表示静水应力和 von Mises 应力;D 1 、D 2, 和 D 3 为准静态条件下室温(RT)多轴断裂应变损伤模型参数;D 4 和 D 5 分别是与应变速率和温度相关的参数。
塑性应变造成的累积损伤(D)计算如下(Seo et al., 2022, Seo et al., 2024, Kim et al., 2011):(4)where Δεp represents the increment of equivalent plastic strain. In the simulation, ductile fracture was assumed to occur when D reaches the critical damage value (Dc). Once Dc is reached at an integration point, that point is excluded from further calculation. When all integration points in an element fail, the element is removed from the finite element (FE) simulation using the “DELETE” option in ABAQUS. It is important be note that the value of Dc can depend on the element size (Oh et al., 2011, Jeon et al., 2016). The determination of J-C fracture strain model parameters for API X80 steel is detailed in Section 4.2.
其中 Δε p 表示等效塑性应变的增量。模拟中,当 D 达到临界损伤值 (D c ) 时,假设发生延性断裂。一旦积分点达到 D c ,该点将从进一步计算中排除。当单元中的所有积分点都失效时,使用 ABAQUS 中的“DELETE”选项将该单元从有限元 (FE) 模拟中删除。需要注意的是,D c 的值可能取决于单元尺寸(Oh 等,2011 年;Jeon 等,2016 年)。API X80 钢的 JC 断裂应变模型参数的确定详见第 4.2 节。
2.3. Critical Stress Model for Brittle Fracture Simulation
2.3 脆性断裂模拟的临界应力模型
本研究采用临界应力模型模拟冲击载荷下的脆性断裂,该模型基于威布尔应力概念(Beremin 等,1983)。威布尔应力(σ w )定义为:(5)
其中 V 0 和 V 分别代表参考体积和断裂过程区;σ 1 为最大主应力,m 表示威布尔模量。对于有限元 (FE) 模拟,威布尔应力准则可以近似地表示为:(6)where σ1,max represents the maximum principal stress in the fracture process zone (V). The approximation σw = σ1,max holds when the ratio V/V0 = 1 (Kim et al., 2020). Brittle fracture is assumed to occur in an element when the maximum principal stress (σ1,max) exceeds the critical stress value (σc). The parameter σc for API X80 steel will be determined based on impact energy, as detailed in Section 4.3.
其中,σ 1,max 表示断裂过程区的最大主应力 (V)。当 V/V 0 = 1 时,近似值 σ w = σ 1,max 成立 (Kim et al., 2020)。当最大主应力 (σ 1,max ) 超过临界应力值 (σ c ) 时,假定元件发生脆性断裂。API X80 钢的参数 σ c 将根据冲击能量确定,详见第 4.3 节。
2.4. Combined Ductile and Brittle Fracture Simulation
2.4 延性断裂和脆性断裂综合模拟
通过将 Johnson-Cook (JC) 断裂应变模型和临界应力模型集成到有限元 (FE) 冲击模拟中,可以模拟冲击载荷下的延性-脆性组合断裂。在模拟之前,必须确定特定材料的断裂应变模型参数和临界应力值 (σ c )。使用这些校准模型进行冲击模拟。在模拟过程中,计算元素内每个高斯点的最大主应力 (σ 1,max ) 和累积损伤 (D)。然后将这些计算值与它们各自的失效准则 σ c 和 D c 进行比较。如果 σ 1,max 超过 σ c ,则假定发生脆性断裂,同样,如果 D 达到 D c ,则假定发生延性断裂。当元素中的所有高斯点都失效时,使用 ABAQUS 中的“DELETE”选项将该元素从 FE 模拟中删除。断裂模拟过程总结如图 1 所示。

Figure 1. Combined ductile-brittle fracture simulation procedure.
图 1. 组合延性-脆性断裂模拟程序。
3. SUMMARY OF EXPERIMENTS FOR MODEL DETERMINATION
3 模型确定实验总结
确定变形和断裂模型的材料特定参数是实现精确模拟的关键步骤。为了确定这些参数,需要基础实验数据。本节总结了本研究中使用的 API X80(管线钢)的实验数据,并据此推导出变形和断裂模型的材料特定参数。API X80 的化学成分如表 1 所示,平均晶粒尺寸为 6 µm。本研究使用了以下实验数据:
- (1)Smooth round bar (SRB) test data conducted over a temperature range of -100 °C to 60 °C,
在 -100°C 至 60°C 温度范围内进行的光滑圆棒 (SRB) 测试数据, - (2)Single edge notched tensile (SENT) test conducted at room temperature (RT), and
在室温下进行单边缺口拉伸(SENT)试验,以及 - (3)Instrumented Charpy V-notch (CVN) test conducted at RT.
在室温下进行仪器化夏比 V 型缺口 (CVN) 试验。
Table 1. Chemical composition of API X80 (wt.%).
表 1. API X80 的化学成分(wt.%)。
| C | Si 和 | Mn 锰 | Ni+Mo 由+你 | Nb+Ti 铌+钛 | Al 致 |
|---|---|---|---|---|---|
| 0.073 | 0.23 | 1.76 | 0.56 | 0.05 | 0.033 |
这些测试总结在表 2 中,并在后续小节中详细说明。确定模型参数的程序在第 4 节中解释。
Table 2. Summary of test cases for determination of deformation and fracture model parameters.
表 2. 确定变形和断裂模型参数的试验用例汇总。
| Test 测试 | Temperature [°C] 温度[°C] |
|---|---|
| SRB | 60, RT, -50, -100 60,RT,-50,-100 |
| SENT | RT |
| CVN | RT |
3.1. Tensile Test 3.1.拉伸试验
本研究使用从 API X80 钢板上提取的试样,在 -100 至 60 °C 的温度范围内进行了光滑圆棒 (SRB) 试验。每个试样的最小截面直径为 6 mm,标距长度为 25 mm。图 2(a) 展示了在 -100 °C、室温 (RT) 和 60 °C 时选定的工程应力-应变曲线。图 2(b) 说明了屈服强度 (σ y ,0.2% 屈服强度) 和抗拉强度 (σ u ) 随温度的变化。屈服强度和抗拉强度均随温度升高而降低。图 2(b) 还显示了使用以下公式通过面积缩减 (RA) 计算得出的断裂应变:(7)

Figure 2. Tensile test data: (a) engineering stress-strain curve at -100 °C, RT, and 60 °C; (b) the variation of yield strength, tensile strength, and fracture strain with temperature.
图 2. 拉伸试验数据:(a) -100℃、室温、60℃下的工程应力-应变曲线;(b) 屈服强度、拉伸强度、断裂应变随温度的变化。
断裂应变对温度变化的敏感性极小。这些趋势与文献中报道的其他 API 钢的拉伸试验结果一致(Jung 等人,2014 年;Heier 等人,2013 年 6 月;Akselsen 等人,2012 年 6 月;Kim 等人,2024 年)。
3.2. Single Edge Notched Tensile (SENT) Test
3.2. 单边缺口拉伸(SENT)试验
单边缺口拉伸 (SENT) 试验在室温 (RT) 下按照 BS8571 标准 (BSI 2014) 进行。采用电火花加工技术制造贯穿厚度的缺口。疲劳预裂后,试样的初始裂纹长度为 a 0 = 10.2 毫米。图 3(a) 为 SENT 试验试样的示意图,其中每侧有 1.65 毫米的侧槽。图 3(b) 为实验载荷-裂纹口张开位移 (CMOD) 和裂纹扩展 (Δa-CMOD) 曲线。裂纹长度采用卸载柔量法确定。

Figure 3. (a) Schematic illustration of the SENT test specimen and (b) measured load-CMOD and Δa-CMOD curves at RT.
图 3. (a) SENT 测试样本的示意图和 (b) 在室温下测得的负载-CMOD 和 Δa-CMOD 曲线。
3.3. Charpy V Notched (CVN) Impact Test at Room Temperature
3.3 室温夏比 V 型缺口(CVN)冲击试验
按照 API 5L 标准(Institute,2007)进行了仪器化夏比 V 型缺口(CVN)冲击试验。试样横截面积为 10×10 mm 2 ,带长为 8 mm,V 型缺口中心角为 45°。试验在室温(RT)下进行,初速度为 5 m/s,使用 Zwickroell PSW 750 仪器化 CVN 试验机。注意,CVN 试样中引入了缺口,但没有疲劳裂纹。
图 4 展示了 CVN 试验测得的载荷-位移曲线。随着试样变形,载荷增加至最大值,随后由于裂纹的萌生和扩展而下降。三次重复试验显示出一致的载荷-位移响应和 CVN 冲击能量值。

Figure 4. Load-displacement curves from instrumented CVN test at room temperature.
图 4. 室温下仪器化 CVN 试验的载荷-位移曲线。
4. DETERMINATION OF API X80 DEFORMATION AND FRACTURE MODELS
4 API X80 变形和断裂模型的确定
为了模拟冲击载荷下的延性-脆性复合断裂,必须针对所研究的材料(本文中为 API X80)确定三个模型,如第 2 节所述:(1)变形模型;(2)延性断裂模型;(3)脆性断裂模型。这些模型的参数来自第 3 节提供的实验数据。变形模型参数的确定方法在第 4.1 节中描述。延性和脆性断裂模型的参数分别在 4.2 延性断裂模型参数确定和 4.3 脆性断裂模型确定中详细说明。
4.1. Parameter Determination of Deformation Model
4.1 变形模型参数确定
采用 Seo 等(Seo et al., 2024)提出的程序校准应变率和温度相关的 Johnson-Cook(JC)变形模型(见公式(2))。参数确定步骤如下:
- (1)The true stress-strain curve at room temperature (RT) under quasi-static conditions was obtained from the smooth round bar (SRB) testing at RT.
通过对光滑圆棒(SRB)进行室温(RT)试验,获得了准静态条件下室温(RT)的真实应力-应变曲线。 - (2)The temperature-dependent parameter (k) was determined based on the variation of yield strength with temperature.
温度相关参数(k)是根据屈服强度随温度的变化确定的。 - (3)The strain rate-dependent parameter (c) was calibrated by simulating the experimental maximum load from the Charpy V-notch (CVN) test at RT
通过模拟室温夏比 V 型缺口 (CVN) 试验的实验最大载荷来校准应变率相关参数 (c)
采用 Tu 等(Tu et al., 2022)提出的方法,通过模拟实验工程应力-应变曲线,确定了颈缩点后的真实应力-应变曲线。模拟采用商用有限元(FE)分析软件 ABAQUS(ABAQUS 2018 版)进行。图 5(a)展示了 SRB 试件的半有限元模型,该模型由 280~1230 个采用缩减积分的轴对称单元(CAX8R)组成。为了进行敏感性分析,试件中心的最小单元尺寸分别设置为 0.1、0.2 和 0.3 mm。使用 ABAQUS 中的多点约束(MPC)选项对 FE 模型的顶面进行约束,并获取中心节点处的反作用力以计算工程应力。工程应变是通过将标距节点处的节点位移除以标距长度(25 mm)来计算的。图 5(b) 显示了确定的工程应力-应变曲线和真实应力-应变曲线,以及通过弹塑性 FE 分析使用三种不同单元尺寸(0.1、0.2 和 0.3 mm)获得的模拟工程应力-应变曲线。结果表明,单元尺寸对模拟曲线的影响不显著。

Figure 5. (a) FE mesh for simulating the SRB test, (b) engineering and true-stress strain curves at RT with FE simulation results, (c) variation of yield strength with temperature and determined temperature-dependent parameter k, and (d) comparison of simulated engineering stress-strain curves with experimental data at 60 °C and -100 °C.
图 5. (a) 用于模拟 SRB 测试的 FE 网格,(b) 室温下的工程和真实应力应变曲线以及 FE 模拟结果,(c) 屈服强度随温度和确定的温度相关参数 k 的变化,以及 (d) 模拟的工程应力-应变曲线与 60°C 和 -100°C 下的实验数据的比较。
图 5(c) 展示了屈服强度随温度的变化。实验数据用符号表示,而 JC 模型中与温度相关的项(以校准后的 k 值 0.7 计算)则以线表示。k 值是使用数据分析软件 ORIGINPRO(Origin(Pro),版本 2020)得出的。图 5(d) 将使用校准后的 JC 模型生成的模拟工程应力-应变曲线与 60 °C 和 -100 °C 下的实验数据进行了比较。值得注意的是,JC 模型中的硬化指数被假设与温度无关。因此,确定的 JC 变形模型略微低估了拉伸强度。然而,实现对不同温度下拉伸数据的高精度预测并非本研究的重点。目前的 JC 模型已足够精确地模拟冲击载荷下的延脆性复合断裂。
确定室温 (RT) 下的真实应力-应变曲线后,参数 k 和 c 进行如下校准。图 6 展示了用于模拟夏比 V 型缺口 (CVN) 试验的四分之一有限元 (FE) 模型,该模型包含 11,112 至 38,740 个八节点砖块单元,并进行了完全积分 (C3D8)。为了检验单元尺寸的影响,缺口截面的最小单元尺寸分别设置为 0.1、0.2 和 0.3 毫米。

Figure 6. FE mesh for simulating CVN test.
图 6. 用于模拟 CVN 测试的 FE 网格。
对于摩擦建模,使用 ABAQUS 中的“接触”选项,在试样和仪器(锤和砧)之间施加 0.1 的摩擦系数。该值通常用于冲击模拟(Seo 等,2024;Talemi 等,2019)。砧和锤均建模为刚体,砧固定到位。锤以 5.0 m/s 的初始速度冲击试样,并在锤的参考点处获得模拟载荷和位移。使用动态隐式有限元 (FE) 分析中的“绝热加热”选项,将应变率和绝热加热效应纳入模拟。基于等效塑性应变 (ε p ),使用以下关系式计算绝热加热引起的温升 (Seo 等,2024):(8)where ρ and Cp represent the material density and specific heat, respectively. A typical value of ρ = 7.9 g/mm3 was used, while the specific heat values for API X80 were taken from (Yan et al., 2014) and are provided in Table 3. It should be noted that the factor of 0.9 on the right-hand side of Eq. (8) represents the Taylor-Quinney (T-Q) coefficient. It has been found that the T-Q coefficient is the strain rate-dependent parameter (Soares and Hokka, 2021, Rittel et al., 2017). Soares and Hokka (Soares and Hokka, 2021) analyzed the effect of strain rate on the T-Q coefficient using pure metal materials, titanium, iron and copper under strain rate ranging from 500 to 3,100 /s. Similarly, Rittel et al. (Rittel et al., 2017) also measured the value of T-Q coefficients for many materials, including Ti6Al4V, Aluminum, stainless steel and 1020 steel under strain rate ranging from 1,000 to 6,000 /s. It should be noted that, although the exact strain rate when the adiabatic heating effect should be considered is not clear yet, this phenomenon has been considered when the strain rate is higher than 500 /s (Soares and Hokka, 2021, Rittel et al., 2017). Because the strain rate of CVN test and DWTT is higher than 1,000 /s, the adiabatic heating effect cannot be neglected.
其中 ρ 和 C p 分别表示材料密度和比热容。使用的典型值 ρ = 7.9 g/mm 3 ,而 API X80 的比热容值取自 (Yan et al., 2014),并列于表 3 中。需要注意的是,等式 (8) 右侧的因子 0.9 表示 Taylor-Quinney (TQ) 系数。已发现 TQ 系数是应变率相关参数 (Soares and Hokka, 2021; Rittel et al., 2017)。Soares 和 Hokka (Soares and Hokka, 2021) 使用纯金属材料钛、铁和铜,分析了应变率在 500 至 3,100 /s 范围内时应变率对 TQ 系数的影响。同样,Rittel 等人 (2017) 也使用纯金属材料钛、铁和铜分析了应变率对 TQ 系数的影响。 (Rittel et al., 2017) 还测量了 Ti6Al4V、铝、不锈钢和 1020 钢等多种材料在 1,000 至 6,000 /s 应变速率范围内的 TQ 系数值。需要注意的是,虽然尚不清楚应考虑绝热加热效应的具体应变速率,但当应变速率高于 500 /s 时,已考虑了这一现象 (Soares and Hokka, 2021; Rittel et al., 2017)。由于 CVN 试验和 DWTT 的应变速率高于 1,000 /s,因此绝热加热效应不能忽略。
Table 3. Temperature-dependent specific heat for API 5L X80 in (Yan et al., 2014).
表 3. API 5L X80 的温度相关比热容 (Yan 等人,2014)。
| Temperature [°C] 温度[°C] | 20 | 100 | 200 | 400 | 800 | 1,200 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Specific heat [J/kg∙°C] 比热[J/kg∙°C] | 423 | 473 | 536 | 662 | 914 | 1,160 |
图 7(a) 将 CVN 试验的实验载荷-位移曲线与有限元 FE 模拟结果进行了比较。采用公式 (2) 中的 JC 模型,校准后的 k 值为 0.7,c 值随时间变化。模拟的最大载荷随 c 值线性增加,如图 7(b) 所示。值得注意的是,在 CVN 试验中,裂纹是在最大载荷附近萌生的(Tronskar 等,2002;Kobayashi,1984;Oulad Brahim 等,2022)。基于此观察,通过将模拟的最大载荷与实验结果进行匹配,最终选定 c = 0.18,从而得到最终的 JC 变形模型:(9)

Figure 7. (a) Comparison of experimental load-displacement curves with simulation results with different values of c and (b) variation of the simulated maximum load with c.
图 7. (a) 实验载荷-位移曲线与不同 c 值的模拟结果对比;(b) 模拟最大载荷随 c 的变化。
使用确定的 c = 0.18 值,分析了单元尺寸对模拟的影响。CVN 模拟采用了与 SRB 模拟相同的单元尺寸(0.1、0.2 和 0.3 mm)。结果如图 7(a)所示,表明模拟结果不受单元尺寸的显著影响。
4.2. Parameter Determination of Ductile Fracture Model
4.2 韧性断裂模型参数确定
2.2 节中描述的 Johnson-Cook(JC)断裂应变模型涉及六个需要确定的参数(从 D 1 到 D 5 和 D c )。确定过程遵循以下步骤:
- (1)The multi-axial fracture strain damage model parameters (D1, D2, and D3) and critical damage value Dc are determined by analyzing Smooth Round Bar (SRB) and Single Edge Notched Tensile (SENT) tests at room temperature (RT) under quasi-static conditions.
通过分析准静态条件下室温(RT)下的光滑圆棒(SRB)和单边缺口拉伸(SENT)试验,确定多轴断裂应变损伤模型参数(D 1 、D 2, 和 D 3 )和临界损伤值 D c 。 - (2)The temperature dependent parameter (D5) is determined by fitting the variation of fracture strain with temperature.
通过拟合断裂应变随温度的变化来确定温度相关参数(D 5 )。 - (3)Finally, the strain rate dependent parameter (D4) is obtained by simulating the experimental Charpy V Notched (CVN) energy at RT.
最后,通过模拟室温下的实验夏比 V 型缺口 (CVN) 能量,获得应变率相关参数 (D 4 )。
在 RT 的准静态条件下,公式(3)中的 JC 裂缝模型简化为:(10)
最初,根据先前研究(Seo et al., 2022, Seo et al., 2024, Kim et al., 2011)的指导,通常假设 D 3 为 -1.5。通过对 SRB 试验进行弹塑性 FE 分析,确定断裂应变轨迹上的一个点。图 8(a) 显示了在室温条件下在 SRB 试样中心测量的应力三轴度随等效塑性应变的变化(见图 5(b))。到失效点的平均应力三轴度与断裂应变相结合,提供了断裂应变轨迹上的一个数据点,在图 8(b) 中用符号表示。

Figure 8. (a) Variation of the stress triaxiality with equivalent plastic strain from SRB simulation and (b) determined fracture strain locus for API X80 at RT under quasi-static conditions.
图 8. (a) SRB 模拟中应力三轴度随等效塑性应变的变化;(b) 在准静态条件下确定的 API X80 室温断裂应变轨迹。
接下来,使用有限元 (FE) 损伤分析模拟单边缺口拉伸 (SENT) 试验,以确定最终断裂应变轨迹和临界损伤值 (D c )。图 9 展示了用于 SENT 试验模拟的四分之一 FE 模型,该模型由 10,320 到 58,432 个八节点砖块元素组成,具有完全积分 (C3D8)。创建了三种不同的 FE 网格,其中裂纹韧带中的最小元素尺寸分别设置为 0.1、0.2 和 0.3 毫米。使用 ABAQUS 中的多点约束 (MPC) 选项对 FE 模型的顶面进行约束。在中心节点处测量反作用力,同时使用长度为 3 毫米的夹式量规在量规节点处记录裂纹口张开位移 (CMOD)。值得注意的是,在所有试验中都观察到了宏观直线裂纹扩展。因此,我们的模型还假设裂纹直线扩展,并且仅考虑对称表面上的元素的失效。

Figure 9. FE meshes for simulating the SENT test.
图 9.用于模拟 SENT 测试的 FE 网格。
断裂韧性试验提供与裂纹起始和裂纹扩展速率相关的特性。在先前的研究中(Seo et al., 2022, Seo et al., 2024, Kim et al., 2011),观察到 D c 主要影响裂纹起始点,而 D 2 主要影响裂纹扩展速率。因此,首先将 D 2 设置为零进行 FE 损伤模拟,然后改变 D c 以评估其影响。如图 10(a)所示,随着 D c 的增加,裂纹起始点延迟。选择 D c = 1 的值以匹配实验裂纹起始点。随后,将 D c 固定为 1 进行 FE 损伤模拟,并改变 D 2 以分析其对裂纹扩展速率(d(Δa)-d(CMOD))的影响。图 10(b) 表明,选择最终值 D 2 = 0.4,以使模拟裂纹扩展速率与实验数据保持一致。所得断裂应变轨迹表示为:(11)

Figure 10. Comparison of (a)-(b) simulation results with an element size of 0.1 mm; and (c)-(d) effect of the element size Le on the critical damage value Dc.
图 10. (a)-(b) 元素尺寸为 0.1 毫米的模拟结果比较;(c)-(d) 元素尺寸 L e 对临界损伤值 D c 的影响。
众所周知,单元尺寸会显著影响断裂模拟结果。在此假设确定的断裂应变轨迹与单元尺寸无关。然而,临界损伤值 D c 被认为与单元尺寸相关。因此,使用已建立的断裂应变轨迹分析单元尺寸对 D c 的影响。图 9 显示了不同单元尺寸的 FE 网格。图 10(c) 显示了使用不同单元尺寸通过 FE 损伤分析确定的 D c 值,表明 FE 损伤模拟结果与实验数据吻合良好。图 10(d) 显示了临界损伤值 D c 随单元尺寸 L e 的变化。
温度相关参数 (D 5 ) 是根据断裂应变随温度的变化确定的。在 -50 至 60 °C 温度范围内进行的 SRB 试验获得的断裂应变数据显示,无论温度如何,其变化均很小(见图 2(b))。因此,假设 D 5 为 0。
应变率相关参数 (D 4 ) 是通过模拟室温下的实验 CVN 能量来确定的。CVN 模拟采用如图 6 所示的 FE 网格。模拟采用了第 4.1 节中确定的 JC 变形模型和公式 (11) 中的 JC 断裂应变模型。图 11(a) 显示了 D 4 对模拟载荷-位移曲线的影响,其中最小单元尺寸为 0.1 毫米。如第 4.1 节所述,裂纹通常在最大载荷下开始扩展。结果表明,虽然 D 4 不影响最大载荷,但较低的 D 4 值会导致最大点之后载荷的降低。最终选择 D 4 = -0.28 的值,以使模拟的 CVN 能量与实验数据一致,如图 11(b) 所示。最终的断裂应变轨迹,结合温度和应变率效应,由公式 (12) 给出。(12)

Figure 11. (a) Comparison of experimental load-displacement curves with simulation results using different values of D4 and (b) variation of the simulated CVN energy with D4.
图 11. (a) 使用不同 D 4 值的实验载荷-位移曲线与模拟结果的比较;(b) 模拟的 CVN 能量随 D 4 的变化。
为了评估单元尺寸效应,图 11(a)比较了单元尺寸为 0.1、0.2 和 0.3 mm 时模拟的载荷-位移曲线。结果表明,基于 JC 应变的断裂模型对单元尺寸变化相对不敏感。第 6 节将通过模拟其他温度下的 CVN 试验来验证已确定的 JC 变形和断裂应变模型。
4.3. Determination of Brittle Fracture Model
4.3 脆性断裂模型的确定
本节概述了脆性断裂模型临界应力的确定程序。该临界应力是通过 CVN 模拟确定的,该模拟利用了 4.2 节中建立的 JC 断裂应变延性断裂模型。在模拟过程中,延性断裂和脆性断裂模型均被采用,临界应力值 (σ c ) 会发生变化。当累积损伤达到临界损伤值 (D c ) 时,假定发生延性断裂;而当最大主应力超过假定的临界应力 (σ c ) 时,则认为发生脆性断裂,如 2.3 节所述。然后根据假定的临界应力计算 CVN 能量。
对于 CVN 试验模拟,采用图 6 中单元尺寸为 0.1 mm 的 FE 网格。鉴于对于 API X80 来说,延性-脆性断裂通常发生在低于 -60 °C 的温度下(Kim 等人,2020 年),因此 CVN 模拟在 -60 至 -120 °C 的温度范围内进行。图 12(a) 说明了假设的 σ c 对模拟载荷-位移曲线的影响。实线表示仅考虑第 4.2 节中的延性断裂模型的模拟结果。虚线和虚线分别表示同时应用延性和脆性断裂模型时的载荷-位移曲线,假设的 σ c 值不同。假设由温度相关屈服强度 (σ c /σ y ) 归一化的临界应力值为 2.8 和 3.0。当 σ c /σ y = 3.0 时,在位移至 ∼12 mm 处观察到载荷突然下降,而当 σ c /σ y = 2.8 时,载荷下降发生在 ∼6 mm 处,表明发生了脆性断裂。

Figure 12. (a) Comparison of simulated load-displacement curves with experimental data at -60 °C, (b) variation of σc /σy(T) with CVN energy normalized by elastic energy absorption E0 in Eq. (13), and (c) variation of σc /σy(T) calculated from FE model with different element sizes of 0.1, 0.2 and 0.3 mm.
图 12. (a)模拟的载荷-位移曲线与-60°C 下实验数据的比较;(b)σ c /σ y (T) 随 CVN 能量变化而变化,该能量通过公式(13)中的弹性能量吸收 E 0 进行归一化;(c)使用不同元素尺寸 0.1、0.2 和 0.3 毫米的 FE 模型计算得出的 σ c /σ y (T) 的变化。
通过使用确定的延性断裂模型模拟 CVN 试验,同时通过参数分析改变临界应力值,建立了 CVN 能量(载荷-位移曲线下面积)与临界应力之间的关系。弹性能量吸收计算如下:(13)where E denotes Young's modulus, and VE represents the total volume of a single layer element in the unnotched ligament. Notably, only one layer of elements in the unnotched ligament is considered when calculating the total volume. For example, a CVN specimen with an unnotched ligament area of 80 mm2 results in VE = 2 × 80 × 0.1 mm3 for an element size of 0.1mm. The factor of 2 accounts for the symmetry condition, making VE linearly dependent on the element size.
其中 E 表示杨氏模量,V E 表示无缺口韧带中单层单元的总体积。值得注意的是,计算总体积时仅考虑无缺口韧带中的一层单元。例如,对于无缺口韧带面积为 80 平方毫米 2 的 CVN 试样,当单元尺寸为 0.1 毫米时,V E = 2 × 80 × 0.1 毫米 3 。系数 2 考虑了对称性条件,使 V E 与单元尺寸呈线性相关。
图 12(b) 描述了归一化临界应力 (σ c /σ y (T)) 随归一化 CVN 能量 (E CVN /E 0 (T)) 的变化,其中 σ y (T) 是特定温度 T 下的温度相关屈服强度。该图显示 σ c /σ y (T) 与 ln (E CVN /E 0 (T)) 几乎呈线性关系。使用商业数据分析程序“ORIGIN PRO”(Origin(Pro),版本 2020),可以得出以下线性关系:(14)
使用单元尺寸为 0.2 和 0.3 mm 的 FE 模型研究单元尺寸对临界应力确定的影响。在 -60 °C 下对 CVN 试验进行了 CVN 模拟,应用了第 4.2 节中确定的 JC 断裂应变模型,同时改变了临界应力值。单元尺寸为 0.2 和 0.3 mm 的 FE 模型的弹性能量吸收分别计算为 V E = 2 × 80 × 0.2 mm 3 和 V E = 2 × 80 × 0.3 mm 3 。图 12(c) 展示了 σ c /σ y (T) 随 ln(E CVN /E 0 (T)) 的变化,表明曲线在不同的单元尺寸下保持一致。
5. EXPERIMENTS FOR VALIDATION
5. 验证实验
为了验证所提出的模拟方法在冲击载荷下的有效性,还进行了以下测试:
- (1)CVN test at temperatures ranging from -120 to -30 °C
CVN 测试温度范围为 -120 至 -30 °C - (2)Drop weight Tear Test (DWTT) at -40 and 0 °C.
在 -40 和 0 °C 下进行落锤撕裂试验 (DWTT)。
表 4 总结了这些测试的详细信息,并将在以下小节中详细说明。第 6 节将展示与有限元模拟结果的比较。
Table 4. Summary of test cases for validation.
表 4.验证测试用例摘要。
| Test 测试 | Temperature [°C] 温度[°C] |
|---|---|
| CVN | -30, -60, -90, -120 |
| DWTT | 0, -40 |
5.1. Charpy V Notched (CVN) Test
5.1. 夏比 V 型缺口(CVN)试验
CVN 验证试验采用 3.3 节中描述的相同试验机进行。在-120℃下进行了六次试验,在其他温度(-30、-60 和-90℃)下各进行了三次试验。图 13 展示了载荷-位移曲线。图 13(a)中-30℃下的曲线在达到最大载荷后呈现平滑下降趋势,表明断裂以延性断裂为主。相比之下,-60、-90 和-120℃下的曲线位移显著下降约 10mm,表明断裂行为兼具延性和脆性。

Figure 13. (a) Load-displacement curves from CVN test at -30 and -90 °C and (b) -60 and -120 °C.
图 13. (a) -30 和 -90 °C 以及 (b) -60 和 -120 °C 时 CVN 测试的载荷-位移曲线。
5.2. Drop-Weight Tear Test (DWTT)
5.2. 落锤撕裂试验(DWTT)
落锤撕裂试验 (DWTT) 按照 ASTM E436(ASTM 标准 E436-03 2021)进行。图 14(a) 为 DWTT 试样示意图。试验在 -40 和 0 °C 下进行,初始速度为 5.15 m/s,使用 Imatek DWTT-100F 试验机。每个温度下进行一到两次试验。图 14(b) 显示了 0 和 -40 °C 下 DWTT 的载荷-位移曲线。由于低温硬化,最大载荷随温度降低而增加。达到最大载荷后,曲线呈下降趋势,在位移约 30 至 40 mm 处突然减小,表明存在延性-脆性复合断裂。图 14(c) 分别显示了 0 和 -40 °C 下的断裂面。在试样的断裂面上观察到解理断裂,通常被称为“逆断裂”(Kim et al., 2021, Kim et al., 2022)。我们将结合有限元分析结果,进一步分析载荷-位移曲线和断裂面。

Figure 14. (a) Schematic illustration of DWTT specimen; (b) load-displacement curves and (c) fracture surfaces from DWTT at 0 and -40 °C.
图 14. (a) DWTT 试样示意图;(b) 载荷-位移曲线和 (c) 0 和 -40 °C 时 DWTT 的断裂表面。
6. COMPARISON WITH FE SIMULATION RESULTS FOR VALIDATION
6. 与 FE 模拟结果的比较验证
在本节中,使用提出的延性和脆性断裂组合模型模拟 CVN 试验和 DWTT,模型参数在第 4 节中确定。CVN 试验结果与 FE 模拟的比较将在第 6.1 节中展示,而 DWTT 的比较将在第 6.2 节中提供。
6.1. Comparison of CVN Test with Simulation Results
6.1 CVN 试验与仿真结果比较
使用图 6 所示的有限元网格模拟-30℃下的 CVN 试验,单元尺寸为 0.1 mm。值得注意的是,在-30℃下的 CVN 试验中仅观察到延性断裂模式。模拟中使用了公式(9)和公式(11)中的 JC 变形和断裂应变模型。图 15 将-30℃下 CVN 模拟的载荷-位移曲线和断裂表面与实验数据进行了比较。结果表明,模拟结果与-30℃下的实验数据吻合良好。图 15(b)中模拟的断裂表面也与实验数据进行了比较,表明变形和延性断裂表面的形状得到了准确模拟。

Figure 15. Comparison of FE simulation result with CVN experimental data at -30 °C: (a) load-displacement curve, and (b) deformation and fracture surface.
图 15. -30°C 时 FE 模拟结果与 CVN 实验数据的比较:(a) 载荷-位移曲线,(b) 变形和断裂表面。
采用图 6 所示的 FE 网格,单元尺寸为 0.1 mm,模拟了-60 至-120 °C 温度范围内的 CVN 试验。试验中,所有工况均观察到延性和脆性断裂模式的混合。延性断裂模拟采用公式(9)和公式(11)中的 JC 变形和断裂应变模型,脆性断裂模拟采用公式(14)中的临界应力模型。临界应力采用实验 CVN 能量计算,结果显示-60 °C 时σ c /σ y = 3.05,-90 °C 时σ c /σ y = 3.01,-120 °C 时σ c /σ y = 2.95。图 16 将 FE 模拟的载荷-位移曲线与实验数据进行了比较。使用确定的延性-脆性组合断裂模型,模拟很好地再现了实验结果。图 16(d)还将 -90 °C 下的模拟断裂面与实验数据进行了比较。仅考虑延性断裂模型的模拟载荷-位移曲线用于比较(表示为“w/o σ c ”)。如果不采用脆性断裂标准 σ c ,则无法再现位移为 10 mm 时载荷的大幅下降。结果还表明,位移为 10 mm 时载荷的急剧下降归因于脆性断裂。模拟的延性-脆性组合断裂面与实验断裂面吻合得很好。

Figure 16. Comparison of (a)-(c) FE simulation result (load-displacement curve at -60, -90, and -120 °C) with CVN experimental data, and of (d) deformation and fracture surface at -90 °C.
图 16. (a)-(c) FE 模拟结果(-60、-90 和 -120 °C 时的载荷-位移曲线)与 CVN 实验数据的比较,以及 (d) -90 °C 时的变形和断裂表面的比较。
6.2. Comparison of DWTT with Simulation Results
6.2. DWTT 与仿真结果的比较
在本节中,使用第 4 节中确定的延性和脆性组合断裂模型模拟在 -40 和 0 °C 下进行的 DWTT 试验,该试验表现出延性-脆性组合断裂模式。
图 17 显示了 DWTT 模拟的四分之一 FE 模型,该模型由 40,848 个八节点砖体单元组成,并进行了完全积分(C3D8)。无缺口韧带处的最小单元尺寸 L e 设置为 0.3 毫米。仪器、锤砧和试件之间的摩擦系数设置为 0.1,与 CVN 模拟中使用的值一致,使用了 ABAQUS 中的“接触”选项。两个仪器均使用刚性单元(R3D4)建模为刚体。砧座固定,锤子以 5.15 米/秒的初始速度撞击试件。模拟采用动态隐式分析进行,考虑了较大的几何变化。模拟过程中同时考虑了应变率和绝热加热。

Figure 17. FE mesh for simulating DWTT.
图 17.用于模拟 DWTT 的 FE 网格。
在 0°C 和-40°C 下进行的 DWTT 试验,采用 JC 变形和断裂应变模型模拟延性断裂,采用临界应力模型模拟脆性断裂。DWTT 模拟采用图 17 所示的有限元网格。DWTT 模拟的临界应力是使用公式(14)中的实验 DWTT 能量计算得出的。公式(13)中单层单元的总体积 E 0 是针对单元尺寸为 0.3 mm 的单元计算得出的,结果显示 0°C 下的σ c /σ y = 2.92,-40°C 下的σ c /σ y = 2.81。
图 18(a) 将模拟的载荷-位移曲线与实验结果进行了比较。需要注意的是,图中显示的是未经任何处理的原始实验曲线,以突出数据散布的影响。FE 结果紧密遵循实验载荷-位移曲线,模拟的冲击能量与实验数据的误差在 5% 以内。体心立方钢的断裂行为随温度变化呈现四种不同的趋势:上部架状(延性)、上部转变(延性-脆性)、下部转变(延性-脆性)和下部架状(脆性)。在过渡区,由于延性和脆性断裂机制的混合贡献,数据表现出很大的散布性,因此很难提供延性断裂能量与脆性断裂能量对总断裂能量的相对贡献。所提出的方法可以预测过渡区中给定总断裂能量时延性和脆性断裂的能量贡献。为了进行比较,图 18(a)还显示了仅考虑延性断裂模型的模拟载荷-位移曲线(表示为“w/o σ c ”)。在不考虑σ c 的情况下,载荷平稳增加至 20 mm 的位移。然而,在实验和模拟结果中,当考虑脆性断裂时,一旦位移超过 10 mm,载荷就会降低。图 18(b)比较了-40 °C 下实验测试的断裂表面与 FE 模拟的断裂表面。试验后,使用图像分析仪分析了 DWTT 试样的断裂表面。由于应力三轴性高,中心表面表现出脆性断裂,而侧面表现出延性断裂。在 FE 结果中可以观察到非常相似的断裂表面。 特别是,使用从 CVN 测试确定的变形和断裂模型可以很好地模拟初始缺口尖端附近的三角形和锯齿状扩展的脆性断裂表面。

Figure 18. Comparison of FE simulation results with DWTT experimental data: (a) load-displacement curve at 0 and -40 °C, and (b) deformation and fracture surface at -40 °C.
图 18. FE 模拟结果与 DWTT 实验数据的比较:(a) 0 和 -40 °C 时的载荷-位移曲线,(b) -40 °C 时的变形和断裂表面。
7. DISCUSSION: EFFECT OF ADIABATIC HEATING AND STRAIN RATE ON COMBINED DUCTILE-BRITTLE FRACTURE SIMULATION FOR IMPACT TESTS
7. 讨论:绝热加热和应变速率对冲击试验韧脆性断裂模拟的影响
本节将讨论应变率和绝热加热对 CVN 和 DWTT 模拟的影响。在高应变率的冲击载荷条件下,材料温度会因绝热加热而升高。因此,材料会同时经历应变率硬化和绝热加热软化。为了分析每种效应,我们考虑了三种情况:(情况 1)同时考虑应变率和绝热加热效应;(情况 2)仅考虑应变率效应;以及(情况 3)忽略应变率和绝热加热效应。我们针对在试验中观察到延性-脆性复合断裂的场景进行了 FE 模拟,具体而言,CVN 试验在 -90°C 下进行,DWTT 试验在 -40°C 下进行。
图 19(a) 显示了前面描述的三种情况的 CVN 模拟结果。在我们之前的研究(Seo 等,2024)中,我们发现,在完全延性断裂场景的 CVN 试验模拟中,应变速率效应会使最大载荷增加约 10%,而绝热加热效应会使最大载荷降低约 5%。对于延性-脆性断裂组合模拟,绝热加热效应会使最大载荷降低 5%,呈现出与延性断裂中观察到的趋势类似的趋势。然而,应变速率对最大载荷的影响更为明显,增加了 15%。当不考虑绝热加热时,脆性断裂导致的载荷突然下降会加速(图 19(a) 中的情况 2 和 3)。这是因为绝热加热会使材料软化并降低主应力,这与先前研究的结果一致(Petti 和 Dodds,2005 年;Gao 等,2006 年;Wasiluk 等,2006 年)。值得注意的是,Petti 等(Petti 和 Dodds,2005 年)、Gao 等(Wasiluk 等,2006 年)和 Wasiluk 等(Wasiluk 等,2006 年)发现,在准静态条件下,威布尔应力 σ u 会随着温度升高而增大。因此,绝热加热有助于延缓脆性裂纹的萌生。

Figure 19. Simulation results with or without considering the strain rate and adiabatic heating effects: (a) CVN simulation at -90 °C and (b) DWTT simulation at -40 °C.

Figure 20. Comparison of temperature increase due to adiabatic heating effect in DWTT simulation versus CVN simulation at (a) maximum load and (b) twice the displacement of maximum load.
8. CONCLUSION
- (1)The temperature-dependent parameters in the J-C models are determined using smooth round bar (SRB) tests conducted at various temperatures under quasi-static conditions.
- (2)The strain rate-dependent parameters in the J-C models were obtained through a CVN test performed at room temperature (RT).
- (3)The critical stress fracture model was calibrated from CVN simulations using the determined J-C models.
CRediT authorship contribution statement
Declaration of competing interest
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