Abstract In elasto-plastic fracture mechanics, the fracture toughness is not a material intrinsic parameter but depends on the constraint level ahead of the crack tip. The accurate determination of the effect of the crack tip constraint on the fracture toughness is very important for the safety assessment of crack-containing structures. In this work, the pipeline steels are selected as the research materials. The single edge notched bending (SENB) specimens and the complete Gurson model are used to investigate the effects of material parameters on the relationship between the crack tip constraint and the fracture toughness. The research results show that the main factor affecting the crack tip constraint is strain hardening capacity. The main factors affecting the critical crack tip opening displacement ( CTOD c ) are strain hardening capacity and initial void volume fraction. There is a logarithmic relationship between the constraint and the fracture toughness. Higher strain hardening capacity and higher yield strength can result in higher decreasing degree of the fracture toughness in the increasing process of the constraint. Higher initial void volume fraction can result in lower decreasing degree of the fracture toughness. A constraint-based fracture failure criterion considering material parameters is proposed and validated. The validation results show that the proposed criterion has high accuracy and great potential to be applied to the research of the ductile fracture of pipelines.

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材料参数对裂纹尖端约束与CTOD断裂韧度关系的影响研究

摘要 在弹塑性断裂力学中，断裂韧度不是材料的内在参数，而是取决于裂纹尖端前方的约束水平。准确确定裂纹尖端约束对断裂韧性的影响对于含裂纹结构的安全评估非常重要。本工作选择管线钢作为研究材料。使用单边缺口弯曲 (SENB) 试样和完整的 Gurson 模型研究材料参数对裂纹尖端约束与断裂韧性之间关系的影响。研究结果表明，影响裂纹尖端约束的主要因素是应变硬化能力。影响临界裂纹尖端张开位移（CTOD c）的主要因素是应变硬化能力和初始空隙体积分数。约束和断裂韧性之间存在对数关系。更高的应变硬化能力和更高的屈服强度会导致在约束增加的过程中断裂韧性的降低程度更大。较高的初始空隙体积分数可导致较低的断裂韧性降低程度。提出并验证了一种考虑材料参数的基于约束的断裂破坏准则。验证结果表明，该准则具有较高的准确性，在管道延性断裂研究中具有很大的应用潜力。约束和断裂韧性之间存在对数关系。更高的应变硬化能力和更高的屈服强度会导致在约束增加的过程中断裂韧性的降低程度更大。较高的初始空隙体积分数可导致较低的断裂韧性降低程度。提出并验证了一种考虑材料参数的基于约束的断裂破坏准则。验证结果表明，该准则具有较高的准确性，在管道延性断裂研究中具有很大的应用潜力。约束和断裂韧性之间存在对数关系。更高的应变硬化能力和更高的屈服强度会导致在约束增加的过程中断裂韧性的降低程度更大。较高的初始空隙体积分数可导致较低的断裂韧性降低程度。提出并验证了一种考虑材料参数的基于约束的断裂破坏准则。验证结果表明，该准则具有较高的准确性，在管道延性断裂研究中具有很大的应用潜力。较高的初始空隙体积分数可导致较低的断裂韧性降低程度。提出并验证了一种考虑材料参数的基于约束的断裂破坏准则。验证结果表明，该准则具有较高的准确性，在管道延性断裂研究中具有很大的应用潜力。较高的初始空隙体积分数可导致较低的断裂韧性降低程度。提出并验证了一种考虑材料参数的基于约束的断裂破坏准则。验证结果表明，该准则具有较高的准确性，在管道延性断裂研究中具有很大的应用潜力。