TC4-DT钛合金电子束焊接接头裂纹萌生数值模拟及试验研究

摘要

结构疲劳研究中，广泛采用唯象模型。由于唯象模型无法揭示疲劳破坏的物理机制和过程，使得对疲劳的研究难以深入。近年来，从细观角度来研究材料的疲劳失效成为研究的新热点。本文以TC4-DT钛合金电子束焊接头为研究对象，针对接头不同区域的裂纹萌生展开数值模拟和试验研究，主要研究内容如下：
　　论文采用元胞自动机法模拟获得了焊接接头焊缝区柱状晶组织；采用泰森多边形法模拟获得了母材区及靠近母材处热影响区的等轴晶组织，经与对应区域的实际组织进行对比，证明模拟结果可以很好地描述所研究区域的组织特点。
　　论文基于组织模拟结果，利用自主开发的前处理程序，将所获得的微观组织转入Abaqus平台中；为研究不同晶粒取向对细观破坏的影响，在前处理中赋予晶粒不同的局部坐标系和滑移带，据此建立了TC4-DT钛合金电子束焊接头不同区域不同组织的有限元模型；通过Python语言对Abaqus进行二次开发，将Tanaka位错模型和有限元法结合，完成了对TC4-DT钛合金电子束焊接头不同区域裂纹萌生的过程的模拟，并完成了不同区域疲劳裂纹萌生寿命的模拟。模拟从多维度出发，分别考虑了不同区域、不同载荷水平作用以及晶粒取向不同时的裂纹萌生情况，并对比探索了对裂纹萌生的影响因素，建立了可用于材料细观组织裂纹萌生及循环寿命预测的分析方法和数值模拟模块。
　　论文对TC4-DT钛合金电子束焊接接头进行原位疲劳试验，实时观察了微观尺度上裂纹的萌生和扩展过程，研究了裂纹萌生的机制并探索了裂纹萌生与TC4-DT钛合金电子束焊接头微观组织的关系。论文将数值模拟结果与本试验及文献中的相关疲劳试验的寿命数据进行了对比，初步验证了数值模拟方法的合理性。
　　论文初步探索出了一种基于材料细观组织模拟裂纹萌生的计算模型，能够有效地模拟合金材料及焊接接头焊缝区域的裂纹萌生及寿命。相对传统的唯象模型，效率更高且经济性更好。此外，原位疲劳试验得出了TC4-DT焊接接头短裂纹萌生的过程，从本质上揭示了该材料疲劳的微观机理。

目录

声明

注释表

第一章 绪论

1.1工程及研究背景

1.2裂纹萌生机理

1.3裂纹萌生模拟现状及常用方法

1.4本文研究内容

第二章 TC4-DT电子束焊接接头组织模拟

2.1引言

2.2 TC4-DT电子束焊接接头熔池及组织特点

2.3常用材料微观组织数值模拟方法

2.4 TC4-DT钛合金电子束焊接接头焊缝柱状晶组织模拟

2.5 TC4-DT钛合金电子束焊接接头等轴组织模拟

2.6小结

第三章 TC4-DT电子束焊接接头裂纹萌生模拟

3.1引言

3.2理论介绍

3.3基于Tanaka-Mura理论的裂纹萌生计算模型

3.4 TC4-DT电子束焊接接头焊缝区域裂纹萌生模拟

3.5 TC4-DT电子束焊接接头母材区裂纹萌生模拟

3.6 TC4-DT电子束焊接接头靠近母材处热影响区裂纹萌生模拟

3.7小结

第四章 电子束焊接接头原位疲劳试验及Tanaka模型验证

4.1引言

4.2 TC4-DT钛合金电子束焊接接头原位疲劳试验

4.3 Tanaka模型验证

4.4小结

第五章 结 论

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的论文