10Ni5CrMoV高强钢焊接接头疲劳裂纹扩展行为

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:shamobingshan
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
焊接是潜艇、航母和驱逐舰等船体结构最主要的一种连接工艺。焊接接头中不可避免地存在缺陷,通常认为焊接结构的疲劳寿命可以仅由断裂力学方法评估,裂纹萌生阶段所占比例极小可忽略。由于长期处于极为恶劣的海洋环境中,深刻理解船体结构材料焊接接头的疲劳裂纹扩展行为对船体焊接结构损伤容限设计与评估极为重要。本文针对我国新一代潜艇等船体结构用Ni-Cr-Mo-V系高强钢,10N i5CrMo V高强钢及其焊接接头的疲劳裂纹扩展行为进行了系统的研究,对影响裂纹扩展行为的众多因素进行了详细的量化分析。  由于无论是在计算焊接力学,还是在疲劳裂纹扩展过程中的裂尖应力应变响应和焊接残余应力重分布分析中,材料的弹塑性力学性能都是必不可少的参数,本文首先对10N i5CrMo V高强钢的循环粘塑性力学行为进行了研究。分别采用不同应变速率的单调拉伸加载,对称和非对称应变控制加载,非对称应力控制加载测试了材料的基本循环粘塑性力学性能,结果表明10N i5CrMo V高强钢室温下率相关性很弱,应变控制加载下材料表现出非线性-线性-非线性的循环软化行为并且连续演化直至断裂,没有出现饱和值。非对称应力控制循环加载下材料表现出三阶段渐进棘轮行为,没有出现安定的棘轮。据此提出了一个新的针对循环软化不饱和且具有渐进棘轮材料的循环粘塑性本构模型,量化了各向同性硬化和随动硬化对循环硬化的贡献,澄清了模型中材料参数的确定方法。  焊接残余应力的准确表征是研究其对疲劳裂纹扩展速率影响的基础。为此采用试验测试和有限元模拟的方法对10N i5CrMo V高强钢单道焊和多层多道焊接头残余应力进行了研究,在分析材料本构模型、固态相变、焊接加热和冷却过程中屈服强度变化对模拟结果影响的基础上,通过与实测结果的对比,给出了推荐的10Ni5CrMoV高强钢接头焊接残余应力的热-冶金-力有限元计算模型:采用基于随动硬化的混合硬化准则并考虑固态相变与屈服强度改变的热-冶金-力计算模型。模型计算结果与实测数据吻合良好。  随后,为了了解10N i5CrMoV高强钢焊接接头的基本疲劳裂纹扩展性能,试验测试了母材和焊缝试样I型加载下的疲劳裂纹扩展速率,分析了材料组织、应力比对扩展速率的影响,并结合组织和断口分析、疲劳轨迹图对扩展速率测试结果进行了剖析。结果表明,随着的应力比的增加扩展速率曲线左移,每个应力比下焊缝都比母材有更高的疲劳裂纹扩展抗力。回火索氏体中的碳化物组织导致了母材高的脆性,相反裂纹在焊缝中编织物状的针状铁素体结构中杂乱无章的铁素体板条内的扩展路径更加曲折,疲劳裂纹扩展速率更慢。断口分析和疲劳轨迹图均 表明随着裂纹长度和应力比的增加母材和焊缝中的裂纹扩展机制由疲劳断裂主导逐渐转变为疲劳断裂与穿晶准解理断裂的混合断裂模式。此外,闭合法和双参数法都能够很好地预测I型加载下母材中疲劳长裂纹扩展的应力比效应,由于切取的焊缝试样中残留的焊接残余应力两种方法对焊缝试样的归一化效果较差。  在理解了I型加载下的基本疲劳裂纹扩展性能后,进一步研究了10N i5CrMoV高强钢焊接接头在更接近于实际服役情况的I-II型复合加载下的裂纹扩展行为。由于断裂力学试样中部分残留的压缩焊接残余应力作用,焊缝试样中的裂纹闭合水平显著提高,根据所有I型和I-II加载下试样的力-柔度偏离曲线的数据,采用ASTM标准中4%柔度偏离准则确定10Ni5CrMoV高强钢焊接接头裂纹张开力Fop比较合适。Tanaka,Richard和Borrego等人提出的有效应力强度因子幅值参数对实测的I-II型复合加载的裂纹扩展速率数据的归一化效果较差。提出了一个结合双参数和闭合模型的统一的I-II型复合加载下疲劳裂纹扩展驱动力参量,实现了I-I I型加载不同角度下扩展速率更好的预测。  基于以上的研究结果,本文最后量化研究了焊接残余应力对10N i5CrMoV高强钢焊接接头疲劳裂纹扩展速率的影响。首先分析了焊接残余应力对于叠加法和闭合法中两个重要参量残余应力强度因子Kres和裂纹张开应力ζop的影响,结果表明当裂纹在较大的压缩焊接残余应力场中扩展时,由于残余内应力与外载叠加作用产生的新的塑性变形对Kres的计算有较大影响;其次分析了拉伸和压缩的焊接残余应力场对塑性诱发裂纹闭合程度的影响。基于这些结果,本文提出了疲劳裂纹扩展过程中焊接残余应力弹性重分布和塑性重分布的概念,在采用叠加法分析焊接残余应力对疲劳裂纹扩展的影响时需要考虑塑性重分布的影响。提出了考虑焊接残余应力塑性重分布后的修正叠加模型和统一的有效驱动力模型,分别实现了比传统的仅考虑弹性重分布的叠加模型和传统的闭合模型更好的疲劳裂纹扩展过程中焊接残余应力效应的预测效果,由此阐明了焊接残余应力对疲劳裂纹扩展速率的影响。建立了焊接残余应力场中含缺陷结构的损伤容限评估流程。
其他文献
氧化锌(ZnO)是一种新型的宽禁带直带隙n型半导体材料,它的室温禁带宽度为3.37 eV,激子激活能为60 meV,并且具有较强的自由激子跃迁发光特性,在发光器件、太阳能电池、抗菌、传感
美,人们一直孜孜不倦的追求,美也无时无刻存在我们的身边.建筑的美不仅是源远流长,而且还代表这一个民族的历史、文化、风土人情和社会变迁,我们可以说建筑就是人类历史上的
镁合金作为一种轻质金属结构材料,具有高的比刚度、比强度以及电磁屏蔽性等优良特性,其薄板构件具有很大的应用潜力。但由于镁合金耐腐蚀性差限制了其广泛应用,而铝合金具有
漫画作为一种为人们喜闻乐见的艺术传播形式,在互联网时代不仅能够给大众带来心灵的愉悦,而且可以向大众传播正确的价值观,是一种独特的艺术传播形式.互联网大背景下,漫画的
思维导图可使阅读抽取为有形的阅读思维,使无物的阅读变得具象化,平面转为多维.教师从课文预习、学习乃至复习环节都应将思维导图贯穿其中,以借此增强学生对知识点的把握和记