采用奧氏體型焊材焊接的10Ni5CrMoV鋼接頭疲勞特性研究.pdf

1、10Ni5CrMoV鋼是我國自主開發(fā)的一種屈服強(qiáng)度為785MPa級別的船體結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度高韌性調(diào)質(zhì)鋼，應(yīng)用于大剛性節(jié)點(diǎn)焊接時選用0Cr18Ni24Mo6N奧氏體焊條以避免產(chǎn)生焊接冷裂紋；疲勞是引起船體結(jié)構(gòu)失效的主要原因之一，一直以來都是船體結(jié)構(gòu)設(shè)計建造關(guān)注的重點(diǎn)；對于采用0Cr18Ni24Mo6N奧氏體焊條焊接10Ni5CrMoV鋼形成的―鐵素體-奧氏體-鐵素體‖異種材質(zhì)焊接接頭（簡稱―F-A-F異質(zhì)接頭‖），其疲勞行為一直未有研究。本文

2、針對影響焊接接頭疲勞行為的材料和應(yīng)力應(yīng)變兩大因素開展了母材和焊縫金屬的循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系研究、平面應(yīng)力和平面應(yīng)變力學(xué)狀態(tài)下 F-A-F異質(zhì)接頭疲勞特性研究、焊趾應(yīng)力應(yīng)變計算式推導(dǎo)等工作。
　　試驗(yàn)測定了系列應(yīng)變幅條件下10Ni5CrMoV鋼和0Cr18Ni24Mo6N焊縫金屬的循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線，分析揭示了兩者的循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變特性：（1）循環(huán)塑性應(yīng)變顯著降低材料的屈服強(qiáng)度；（2）應(yīng)變幅恒定條件下材料無明顯的循環(huán)硬化或循環(huán)軟化現(xiàn)象；（

3、3）同一應(yīng)變幅條件下應(yīng)力增大階段和應(yīng)力較小階段的應(yīng)力應(yīng)變曲線旋轉(zhuǎn)對稱；（4）屈服強(qiáng)度隨應(yīng)變幅的增大呈線性降低特性；（5）表觀模量隨應(yīng)變幅的增大呈線性降低特性；（6）循環(huán)塑性變形階段屈服應(yīng)力和塑性應(yīng)變滿足單對數(shù)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，提出了描述循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的單對數(shù)強(qiáng)化彈塑性本構(gòu)方程，并分別基于線性強(qiáng)化彈塑性模型、冪強(qiáng)化彈塑性模型和單對數(shù)強(qiáng)化彈塑性模型給出了10Ni5CrMoV鋼和配套0Cr18Ni24Mo6N奧氏體焊條焊縫金屬在循環(huán)塑性應(yīng)變

4、條件下的本構(gòu)方程。
　　采用數(shù)值模擬方法分析了平面應(yīng)力狀態(tài) F-A-F異質(zhì)接頭循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變特征，并設(shè)計了近似平面應(yīng)力力學(xué)狀態(tài)的薄片試件開展了F-A-F異質(zhì)接頭的疲勞試驗(yàn)，獲得了10Ni5CrMoV鋼奧氏體接頭在平面應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞S-N曲線、探明了其疲勞特性：（1）F-A-F異質(zhì)接頭中奧氏體焊縫金屬的低屈服應(yīng)力使其對母材的約束較弱，與承受相同疲勞載荷的等強(qiáng)鐵素體焊縫接頭相比焊趾應(yīng)力參量值（峰值、谷值、平均值和幅值）低；（2）平面應(yīng)

5、力 F-A-F異質(zhì)接頭啟裂壽命占斷裂總壽命的比例較高，所試驗(yàn)的各載荷條件下啟裂壽命占比均達(dá)到70％以上；（3）各種疲勞載荷作用下的F-A-F異質(zhì)接頭雖然緊貼熔合線的奧氏體焊縫一側(cè)應(yīng)變參量（峰值、谷值、平均值和幅值）均高于鐵素體一側(cè)，但疲勞裂紋在焊趾處啟裂后均垂直載荷方向向母材內(nèi)部擴(kuò)展。
　　采用數(shù)值模擬方法分析了平面應(yīng)變狀態(tài) F-A-F異質(zhì)接頭循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變特征，并設(shè)計了近似平面應(yīng)變力學(xué)狀態(tài)的管板封閉焊縫接頭試件開展 F-A-F異質(zhì)

6、接頭的疲勞試驗(yàn)，探明了10Ni5CrMoV鋼奧氏體接頭在平面應(yīng)變狀態(tài)下的疲勞特性：（1）應(yīng)力集中部位的局部塑性變形會產(chǎn)生―應(yīng)力反向‖效應(yīng)，使承受―拉-拉‖循環(huán)載荷或―壓-壓‖循環(huán)載荷的焊接接頭焊趾部位實(shí)際均承受―拉-壓‖循環(huán)應(yīng)力，引發(fā)疲勞裂紋在焊趾處啟裂并擴(kuò)展；（2）在平面應(yīng)變狀態(tài)的力學(xué)強(qiáng)拘束、奧氏體焊縫金屬彈性模量和屈服應(yīng)力遠(yuǎn)低于鐵素體母材及泊松比遠(yuǎn)高于鐵素體母材的綜合作用下，平面應(yīng)變 F-A-F異質(zhì)接頭焊趾奧氏體一側(cè)沿載荷方向的應(yīng)力

7、和應(yīng)變的峰值和幅值均高于鐵素體一側(cè)、致使疲勞裂紋在焊趾奧氏體一側(cè)啟裂并沿熔合面擴(kuò)展一段距離后才進(jìn)入母材繼續(xù)擴(kuò)展。
　　在考慮初始?xì)堄鄳?yīng)力的前提下，分別針對循環(huán)承載中焊趾僅發(fā)生彈性變形、最大載荷下焊趾發(fā)生塑性變形但最小載荷下焊趾未發(fā)生二次塑性變形、最大載荷下焊趾發(fā)生塑性變形且最小載荷下焊趾發(fā)生二次塑性變形、最大載荷下接頭整體發(fā)生塑性變形但最小載荷下焊趾未發(fā)生二次塑性變形、最大載荷下接頭整體發(fā)生塑性變形且最小載荷下焊趾發(fā)生二次塑性變形

8、等五種循環(huán)載荷條件推導(dǎo)建立了線性強(qiáng)化、冪強(qiáng)化和單對數(shù)強(qiáng)化等三種彈塑性材料焊接接頭在平面應(yīng)力狀態(tài)下的焊趾應(yīng)力應(yīng)變峰值和谷值的計算式；并針對 F-A-F異質(zhì)接頭焊縫金屬和母材金屬彈性模量存在較大差異的特性、基于數(shù)值計算結(jié)果給出了焊趾理論應(yīng)力集中系數(shù)Kt的修正系數(shù)Km的計算式。
　　本文研究結(jié)果―10Ni5CrMoV鋼和0Cr18Ni24Mo6N奧氏體焊縫金屬循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系‖、―10Ni5CrMoV鋼奧氏體接頭在平面應(yīng)力和平面應(yīng)變