超声冲击对P355NL1钢焊接接头疲劳性能影响的研究

摘要

结构（构件）与机械（零件）失效的主要原因是断裂尤其是疲劳断裂，其造成的事故往往是灾难性的。据相关资料显示，焊接接头的疲劳断裂占整个焊接结构失效的70％~90%左右，疲劳破坏常始于接头焊缝表面。我国机车车辆的转向架构架大多采用钢焊接结构，伴随着铁路朝高速重载的方向发展，对焊接转向架的疲劳性能提出了更高的要求。因此，研究转向架焊接接头的疲劳性能及其表面性能的提高具有重要的理论意义和实际价值。
　　本文主要的研究内容有以下两个方面：一是研究对比了超声冲击处理前后P355NL1对接接头的疲劳性能。
　　P355NL1对接接头焊态的条件疲劳极限值为227MPa，超声冲击态的条件疲劳极限为293MPa。与处理前相比较，疲劳极限提高了30%左右。
　　在相同应力水平条件下，超声冲击态P355NL1对接接头的疲劳寿命是焊态接头的12～15倍。超声冲击处理可细化焊缝金属晶粒，消除焊趾部位的焊接缺陷及表面微观裂纹，延缓疲劳裂纹开裂；增大焊趾过渡半径，降低应力集中；调整焊缝区域的残余应力场。
　　疲劳断口扫描电镜观察，超声冲击处理前后P355NL1钢对接接头断口都存在比较连续、清晰的疲劳辉纹，大量高密度短而弯曲的撕裂棱线条、点状裂纹源和由准解理断面中部向四周放射的河流花样。在断口不同区域可看到一些大小不一的二次裂纹，瞬断区出现了许多通过塑性撕裂方式连接形成的撕裂韧窝。表明P355NL1钢对接接头的疲劳断裂是一种以准解理为主的半塑性断裂，超声冲击处理并不会影响焊接接头的疲劳断裂机理。
　　另一方面研究了超声冲击处理使P355NL1钢对接接头焊趾表面晶粒细化的机理。P355NL1对接接头焊趾经超声冲击表面纳米化处理后，可获得具有一定厚度的变形层。在相同的冲击电流下，冲击时间为5min、10min及20min所对应的变形层厚度分别为60μm、100μm和150μm。试验结果表明：变形层尺寸随冲击时间的延长而增大。
　　利用透射电镜对超声冲击纳米化后焊趾变形层截面观察发现，在三种冲击工艺参数5min/1.5A，10min/1.5A，20min/1.5下，超声冲击处理后接头焊趾表面均获得了纳米晶粒组织，其晶粒平均尺寸分别约为100~150nm、60nm和30 nm。
　　超声冲击导致P355NL1对接接头焊趾晶粒细化的过程：1、原始晶粒或已细化的晶粒内出现高位错密度的位错墙和位错缠结结构；2、位错墙或位错缠结随变形应变量的增加而逐渐演变成小角度取向差的亚晶粒；3、当变形应变量进一步加剧时，亚晶粒逐步演化成大角度晶界，形成均匀、等轴、随机取向的纳米晶粒。
　　超声冲击导致焊趾表面纳米化的过程中，高应变量、高应变速率和温度对晶粒细化至纳米量级起到了重要的作用。

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第一章 绪论

1.1 研究课题背景及目的意义

1.2 影响焊接结构疲劳强度的主要因素

1.3 改善焊接结构疲劳强度的措施和方法

1.4 金属材料表面纳米化技术

1.5 金属材料表面纳米化机理研究的现状

1.6 本课题研究的主要内容

第二章 试验原理及装置

2.1 超声冲击技术发展概述

2.2 超声冲击装置的的结构与工作原理

2.3 超声冲击方法特点

第三章 试验材料及方法

3.1 试验材料

3.2 焊接工艺试验

3.3 超声冲击试验

3.4 疲劳试验

3.5 分析和测试方法

第四章 超声冲击P355NL1对接接头疲劳试验及结果分析

4.1 疲劳试验数据分析方法

4.2 疲劳试验结果及分析

4.3 超声冲击改善焊接接头疲劳强度的机理

4.4 疲劳断口分析

4.5 本章小结

第五章 超声冲击P355NL1焊接接头焊趾表面晶粒细化机理研究

5.1 P355NL1焊接接头表面纳米化后的扫描电镜分析

5.2 P355NL1焊接接头表面纳米化后的透射电镜分析

5 . 3 超声冲击P3 55N L1焊接接头表面纳米化的微观结构特征

5 . 4超声冲击P35 5N L1焊接接头表面纳米化的微观机理

5.5 塑性应变量和应变速率对晶粒细化的影响

5.6 本章小结

第六章 总结

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文

致谢