采用奥氏体型焊材焊接的10Ni5CrMoV钢接头疲劳特性研究

摘要

10Ni5CrMoV钢是我国自主开发的一种屈服强度为785MPa级别的船体结构用高强度高韧性调质钢，应用于大刚性节点焊接时选用0Cr18Ni24Mo6N奥氏体焊条以避免产生焊接冷裂纹；疲劳是引起船体结构失效的主要原因之一，一直以来都是船体结构设计建造关注的重点；对于采用0Cr18Ni24Mo6N奥氏体焊条焊接10Ni5CrMoV钢形成的―铁素体-奥氏体-铁素体‖异种材质焊接接头（简称―F-A-F异质接头‖），其疲劳行为一直未有研究。本文针对影响焊接接头疲劳行为的材料和应力应变两大因素开展了母材和焊缝金属的循环应力应变本构关系研究、平面应力和平面应变力学状态下 F-A-F异质接头疲劳特性研究、焊趾应力应变计算式推导等工作。
　　试验测定了系列应变幅条件下10Ni5CrMoV钢和0Cr18Ni24Mo6N焊缝金属的循环应力应变曲线，分析揭示了两者的循环应力应变特性：（1）循环塑性应变显著降低材料的屈服强度；（2）应变幅恒定条件下材料无明显的循环硬化或循环软化现象；（3）同一应变幅条件下应力增大阶段和应力较小阶段的应力应变曲线旋转对称；（4）屈服强度随应变幅的增大呈线性降低特性；（5）表观模量随应变幅的增大呈线性降低特性；（6）循环塑性变形阶段屈服应力和塑性应变满足单对数关系。在此基础上，提出了描述循环应力应变关系的单对数强化弹塑性本构方程，并分别基于线性强化弹塑性模型、幂强化弹塑性模型和单对数强化弹塑性模型给出了10Ni5CrMoV钢和配套0Cr18Ni24Mo6N奥氏体焊条焊缝金属在循环塑性应变条件下的本构方程。
　　采用数值模拟方法分析了平面应力状态 F-A-F异质接头循环应力应变特征，并设计了近似平面应力力学状态的薄片试件开展了F-A-F异质接头的疲劳试验，获得了10Ni5CrMoV钢奥氏体接头在平面应力状态下的疲劳S-N曲线、探明了其疲劳特性：（1）F-A-F异质接头中奥氏体焊缝金属的低屈服应力使其对母材的约束较弱，与承受相同疲劳载荷的等强铁素体焊缝接头相比焊趾应力参量值（峰值、谷值、平均值和幅值）低；（2）平面应力 F-A-F异质接头启裂寿命占断裂总寿命的比例较高，所试验的各载荷条件下启裂寿命占比均达到70％以上；（3）各种疲劳载荷作用下的F-A-F异质接头虽然紧贴熔合线的奥氏体焊缝一侧应变参量（峰值、谷值、平均值和幅值）均高于铁素体一侧，但疲劳裂纹在焊趾处启裂后均垂直载荷方向向母材内部扩展。
　　采用数值模拟方法分析了平面应变状态 F-A-F异质接头循环应力应变特征，并设计了近似平面应变力学状态的管板封闭焊缝接头试件开展 F-A-F异质接头的疲劳试验，探明了10Ni5CrMoV钢奥氏体接头在平面应变状态下的疲劳特性：（1）应力集中部位的局部塑性变形会产生―应力反向‖效应，使承受―拉-拉‖循环载荷或―压-压‖循环载荷的焊接接头焊趾部位实际均承受―拉-压‖循环应力，引发疲劳裂纹在焊趾处启裂并扩展；（2）在平面应变状态的力学强拘束、奥氏体焊缝金属弹性模量和屈服应力远低于铁素体母材及泊松比远高于铁素体母材的综合作用下，平面应变 F-A-F异质接头焊趾奥氏体一侧沿载荷方向的应力和应变的峰值和幅值均高于铁素体一侧、致使疲劳裂纹在焊趾奥氏体一侧启裂并沿熔合面扩展一段距离后才进入母材继续扩展。
　　在考虑初始残余应力的前提下，分别针对循环承载中焊趾仅发生弹性变形、最大载荷下焊趾发生塑性变形但最小载荷下焊趾未发生二次塑性变形、最大载荷下焊趾发生塑性变形且最小载荷下焊趾发生二次塑性变形、最大载荷下接头整体发生塑性变形但最小载荷下焊趾未发生二次塑性变形、最大载荷下接头整体发生塑性变形且最小载荷下焊趾发生二次塑性变形等五种循环载荷条件推导建立了线性强化、幂强化和单对数强化等三种弹塑性材料焊接接头在平面应力状态下的焊趾应力应变峰值和谷值的计算式；并针对 F-A-F异质接头焊缝金属和母材金属弹性模量存在较大差异的特性、基于数值计算结果给出了焊趾理论应力集中系数Kt的修正系数Km的计算式。
　　本文研究结果―10Ni5CrMoV钢和0Cr18Ni24Mo6N奥氏体焊缝金属循环应力应变本构关系‖、―10Ni5CrMoV钢奥氏体接头在平面应力和平面应变力学状态的疲劳特性‖、―考虑初始残余应力的平面应力接头焊趾应力应变计算式‖和―反映焊缝金属和母材金属弹性模量差异性的焊趾理论应力集中系数的修正系数计算式‖可以为10Ni5CrMoV钢焊接接头的可靠性设计提供技术支撑。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

主要符号

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 焊接冷裂纹是制约高强度结构钢应用的一大难题

1.3 奥氏体焊材焊接是解决高强钢焊接冷裂纹的有效途径

1.4 疲劳是焊接接头主要的失效形式

1.5 铁素体钢应用奥氏体焊接接头的疲劳特性研究不足

1.6 本文的主要研究内容

第2章 母材和焊缝循环应力应变本构关系研究

2.1 引言

2.2 试验方法与材料

2.3 10Ni5CrMoV钢的循环应力应变本构关系

2.4 0Cr18Ni24Mo6N焊缝金属的循环应力应变本构关系

2.5 循环应力应变的单对数强化本构模型

2.6 循环塑性变形对材料力学行为的影响机理分析

2.7 本章小结

第3章 平面应力F-A-F接头疲劳特性研究

3.1 引言

3.2 平面应力F-A-F接头循环应力应变特征分析

3.3 平面应力疲劳试验

3.4 本章小结

第4章 平面应变F-A-F接头疲劳特性研究

4.1 引言

4.2 平面应变F-A-F接头循环应力应变特征分析

4.3 平面应变F-A-F接头的疲劳试验

4.4 本章小结

第5章 F-A-F接头焊趾应力应变计算式推导

5.1 引言

5.2 交变载荷下平面应力均质接头焊趾应力应变计算式的推导

5.3 F-A-F异质接头理论应力集中系数修正

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢

个人简历