激光冲击作用下船用厚板低合金钢疲劳裂纹扩展数值模拟及试验研究

摘要

随着我国陆地和近海石油资源紧缺，深海石油开发载体高端海工装备成为当前国家战略核心领域。EH36和Q345B低合金钢因综合机械性能优良，被广泛应用于深海高端海工装备和船舶，但由于海浪、洋流、海冰、潮汐等恶劣工作环境，使船用厚板EH36和Q345B低合金钢常因疲劳断裂而提前失效。激光冲击改善船用厚板表层冶金质量和疲劳寿命对海工制造意义重大。
　　基于金属物理学，弹塑性理论和疲劳断裂力学，以船用厚板EH36和Q345B低合金钢为研究对象，采用有限元数值模拟和试验相结合的方法，分析激光冲击EH36焊件疲劳裂纹扩展特性和激光冲击强化前后Q345B表层质量以及宏观和微观疲劳裂纹扩展特性，旨在验证数值模拟预测激光冲击EH36焊件疲劳裂纹扩展的可行性和揭示激光冲击Q345B疲劳延寿机理，主要研究内容及结果如下:
　　(1)基于ABAQUS和MSC.Fatigue疲劳分析软件，首次将焊接、激光冲击和疲劳裂纹扩展相结合，数值分析激光冲击EH36焊件疲劳裂纹扩展特性，并进行试验验证。(a)焊接经历金属熔化、凝固和冷却相变，温度变化梯度大，焊缝区产生高幅残余拉应力;(b)激光冲击EH36焊件工艺参数为2-2.5HEL（材料最高弹性应力）峰值压力、脉宽20ns、光斑直径2.6mm、激光能量12J和50％搭接率时，EH36焊件表面获得高幅、稳定和低应力梯度的残余压应力，并消除和弥补激光单点冲击造成光斑中心“残余应力洞”现象;(c)激光冲击次数与EH36焊件CT（紧凑拉伸）试样疲劳裂纹尖端残余压应力和疲劳寿命呈正相关关系，与疲劳裂纹扩展速率呈负相关关系。模拟结果和试验结果基本吻合表明数值模拟激光冲击EH36焊件疲劳裂纹扩展特性是可行的。
　　(2)试验研究激光冲击Q345B低合金钢表层质量及其对疲劳性能的影响。(a) Q345B焊件热影响区具有低的力学性能和焊缝具有良好的力学性能;激光冲击诱导Q345B低合金钢表层晶粒细化、位错、层错和形变孪晶，降低了试样表面和缺口敏感性;(b) Q345B焊件表面不同区域显微硬度与激光冲击次数呈正相关关系;(c) Q345B焊件正面和背面不同区域表面残余压应力与激光冲击次数呈正相关关系;(d)表面凹坑深度与激光冲击次数呈正相关关系，表面粗糙度与激光冲击次数呈负相关关系。
　　(3)试验研究不同激光冲击方式下Q345B低合金钢宏观和微观疲劳裂纹扩展特性。(a)与未冲击试样相比，单面1次、双面1次和双面3次激光冲击试样的疲劳裂纹扩展速率逐渐降低和疲劳寿命逐渐增大;(b)当a/W（CT试样疲劳裂纹长度与宽度比值）较小时，相同疲劳裂纹张开位移(COD)对应的疲劳裂纹长度与激光冲击试样塑性变形程度（不同激光冲击方式）呈正相关关系;(c)随着激光冲击试样塑性变形程度增加，激光冲击试样疲劳裂纹稳定扩展区尺寸逐渐增大和宏观疲劳断口凹凸不平更加明显;(d)随着激光冲击试样塑性变形程度增加，微观疲劳断口放射状台阶逐渐增多、疲劳裂纹扩展路径更加曲折、疲劳台阶增大、平均疲劳条带间距逐渐降低、二次裂纹逐渐增多、过渡区分界线越不明显、韧窝更大更深和更多的撕裂玲。
　　数值分析激光冲击焊件疲劳裂纹扩展特性既能在设计阶段获得焊件合理的应力分布和理想的疲劳寿命又能为激光冲击和疲劳裂纹扩展试验参数优化选取和实际应用提供基本数据。激光冲击Q345B低合金钢表层质量研究为解释激光冲击Q345B低合金钢疲劳延寿提供参考依据。宏观疲劳试验研究为激光冲击强化CT试样疲劳裂纹扩展特性的工艺参数优化和工艺准则选取提供了基本的试验数据。微观疲劳断口分析揭示了激光冲击试样宏观疲劳裂纹扩展延寿机理。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 激光冲击基本原理及工艺特点

1．3 激光冲击改善材料疲劳性能国内外研究现状

1．4 本课题研究意义与主要研究内容

1．4．1 研究意义

1．4．2 主要研究内容及研究思路

1．5 本章小结

第二章 激光冲击作用下材料疲劳裂纹扩展理论分析

2．1 引言

2．2 激光冲击作用下材料表层残余压应力产生机理

2．3 激光冲击作用下材料疲劳裂纹扩展数值理论分析

2．4 激光冲击作用下材料疲劳裂纹扩展机理分析

2．4．1 疲劳裂纹扩展微观机理

2．4．2 疲劳裂纹张开位移准则

2．4．3 激光冲击作用下材料疲劳裂纹扩展特性

2．5 本章小结

第三章 激光冲击作用下EH36焊件疲劳裂纹扩展数值模拟及试验验证

3．1 引言

3．2 EH36焊件温度场和应力场数值分析

3．2．1 模型建立与网格划分

3．2．2 热源模型与生死单元技术

3．2．3 材料属性与边界条件

3．2．4 温度场和应力场分析

3．3 激光冲击EH36焊件残余应力场数值分析

3．3．1 激光冲击波压力加载

3．3．2 动态分析求解时间和增量步设置

3．3．3 焊缝网格大小与边界条件设置

3．3．4 残余应力场参数优化数值分析

3．4 激光冲击EH36焊件疲劳裂纹扩展数值分析和试验验证

3．4．1 激光冲击CT试样疲劳裂纹尖端残余应力数值分析和试验验证

3．4．2 激光冲击CT试样疲劳裂纹扩展数值分析和试验验证

3．5 本章小结

第四章 激光冲击作用下Q345B低合金钢表层质量试验研究

4．1 引言

4．2 试验材料

4．3 试验和测量设备

4．3．1 激光冲击强化试验

4．3．2 微观组织观测

4．3．3 显徽硬度测量

4．3．4 残余应力测量

4．3．5 表面宏观形貌测量

4．4 激光冲击Q345B低合金钢表层质量

4．4．1 表层微观组织

4．4．2 表面显微硬度

4．4．3 表面残余应力

4．4．4 表面宏观形貌

4．5 本章小结

第五章 激光冲击作用下Q345B低合金钢疲劳裂纹扩展试验研究

5．1 引言

5．2 激光冲击Q345B低合金钢疲劳裂纹扩展性能分析

5．2．1 试验方法及测量设备

5．2．2 激光冲击CT试样裂纹件疲劳裂纹扩展特性分析

5．2．3 激光冲击CT试样裂纹件疲劳裂纹张开位移分析

5．3 激光冲击Q345B低合金钢疲劳断口形貌分析

5．3．1 试验方法及测量设备

5．3．2 激光冲击CT试样裂纹件的宏观和微观断口形貌分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文与专利

攻读硕士学位期间参加的科研项目