低合金高強(qiáng)鋼焊接過(guò)程固態(tài)相變力學(xué)行為研究.pdf

1、低合金高強(qiáng)鋼以其優(yōu)異的力學(xué)強(qiáng)度、延展性能以及焊接性能等，被廣泛應(yīng)用于船舶制造、汽車制造、核電工程等眾多工程領(lǐng)域。由于合金元素的影響，不同牌號(hào)低合金高強(qiáng)鋼焊接過(guò)程中固態(tài)相變的力學(xué)行為存在顯著差異，給焊接殘余應(yīng)力和變形預(yù)測(cè)帶來(lái)了一定的不確定性。因此，研究低合金高強(qiáng)鋼焊接過(guò)程中固態(tài)相變和接頭力學(xué)性能的建模方法，以及不同冷速條件下相變、組織和應(yīng)力應(yīng)變的耦合關(guān)系成為了近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。
　　對(duì)于成分復(fù)雜的低合金高強(qiáng)鋼，在焊接過(guò)程中通常會(huì)發(fā)生

2、多種不同類型的固態(tài)相變，這給相變模型的建立以及有限元仿真帶來(lái)了極大的困難。一方面，傳統(tǒng)的相變模型在描述多相組織轉(zhuǎn)變及混合相力學(xué)性能時(shí)，準(zhǔn)確性較差，且較難描述合金元素對(duì)固態(tài)相變速率的影響，同時(shí)，也無(wú)法針對(duì)不同材料進(jìn)行統(tǒng)一建模。另一方面，針對(duì)焊接過(guò)程中接頭界面性能的變化，傳統(tǒng)模型也較難有效描述溫度、組織和接頭界面性能之間的關(guān)系，無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)焊接過(guò)程中變形以及殘余應(yīng)力的演變過(guò)程。因此，如何建立多場(chǎng)耦合模型來(lái)有效描述低合金高強(qiáng)鋼的相變行為，并在

3、此基礎(chǔ)上研究焊接過(guò)程中溫度、組織和焊接接頭力學(xué)性能與焊接變形和殘余應(yīng)力之間的關(guān)系是本文的研究重點(diǎn)。
　　首先，本文采用Gleeble-3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)對(duì)多種低合金高強(qiáng)鋼材料進(jìn)行熱力學(xué)性能研究，結(jié)合光學(xué)顯微鏡（optical microscope，OM）和掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）的檢測(cè)分析，討論了不同低合金鋼在多種冷卻條件下的相變組織特征和力學(xué)行為。在試驗(yàn)結(jié)果和有限元模擬

4、的基礎(chǔ)上，通過(guò)誤差分析，提出了優(yōu)化的馬氏體相變模型并與 Koistinen-Marburger方程進(jìn)行了對(duì)比，證明了優(yōu)化的馬氏體相變模型能夠更加準(zhǔn)確的描述低合金鋼的馬氏體相變過(guò)程。為了進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化模型的準(zhǔn)確性和適用性，采用Gleeble-3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了單軸約束試驗(yàn)并進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬，討論了相變機(jī)制對(duì)單軸應(yīng)力應(yīng)變演變的影響。
　　以304L不銹鋼、16MND5和Weldox960材料為研究對(duì)象，采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相

5、結(jié)合的方法，深入研究了焊接過(guò)程中瞬態(tài)應(yīng)力應(yīng)變的演變規(guī)律。一方面，在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立了三維多場(chǎng)耦合模型，綜合考慮了力學(xué)熔點(diǎn)、加工硬化、固態(tài)相變以及混合相力學(xué)性能對(duì)焊接應(yīng)力應(yīng)變的影響，高效、準(zhǔn)確地模擬不同相變類型材料的焊接殘余應(yīng)力。另一方面，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的實(shí)驗(yàn)方案，測(cè)量了不同相變類型材料的焊接殘余應(yīng)力，并研究其分布特征，驗(yàn)證了數(shù)值模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，討論了材料力學(xué)性能、力學(xué)熔點(diǎn)、加工硬化、固態(tài)相變等對(duì)殘余應(yīng)力

6、形成的影響，并提出了基于相變和力學(xué)熔點(diǎn)的瞬態(tài)應(yīng)力應(yīng)變分布圖。
　　進(jìn)一步在多場(chǎng)耦合模型的基礎(chǔ)上，針對(duì)固態(tài)相變、焊縫熔合過(guò)程、有效熔深和焊腳尺寸等因素對(duì)焊接接頭力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度的影響，提出了熱-力界面單元模型，并研究了焊接順序?qū)型接頭焊接變形的影響。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)熱-力界面單元模型能夠更加準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)多條焊縫的大型結(jié)構(gòu)的焊接變形，證明了在進(jìn)行T型接頭焊接有限元模擬時(shí)，引入界面單元模型的必要性和準(zhǔn)確性。
　

7、　同時(shí)，針對(duì)微觀晶粒界面的力學(xué)性能描述，進(jìn)一步提出了溫度-組織-位移界面單元模型。通過(guò)對(duì)兩種不同多晶模型在不同約束和位移載荷條件下的開(kāi)裂行為進(jìn)行研究，驗(yàn)證了溫度-組織-位移界面單元模型在描述裂紋形成和擴(kuò)展過(guò)程中的適用性和有效性，并探討了裂紋萌生和擴(kuò)展的影響因素。
　　在模型探討的基礎(chǔ)上，將多場(chǎng)耦合模型和界面單元模型應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接變形和殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析了大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力及變形規(guī)律，并