组织不均匀性对碳锰钢焊缝金属力学性能的影响

摘要

碳锰钢焊缝金属主要由晶界铁素体和针状铁素体组织组成，这两种组织具有不同的力学性能，因此焊缝金属组织具有不均匀性，这种不均匀性会显著影响焊缝金属的力学性能。 本文采用小试样拉伸试验和扫描电子显微镜观察研究了焊缝金属组织不均匀性对焊缝金属细观变形和裂纹起裂行为的影响，采用仪器化压痕实验对焊缝金属中不同组织的力学性能进行表征，并采用基于组织的有限元模拟定量分析了组织不均匀性焊缝金属拉伸过程中细观应力应变分布情况及应力三轴度局部集中的影响，探讨了采用塑性应变集中理论预测焊缝金属失效行为的可行性，最后研究了组织不均匀性对热处理状态焊缝金属力学性能的影响，结果表明： （1）焊缝金属中晶界铁素体的屈服强度和加工硬化系数均小于针状铁素体，晶界铁素体是焊缝金属中较“软”的组织，针状铁素体是焊缝金属中较“硬”的组织，焊缝金属组织具有力学性能差异； （2）焊缝金属组织分布情况显著影响拉伸过程细观变形情况和裂纹起裂，焊缝金属的细观变形和裂纹起裂具有各向异性，纵向试样失效模式为劈开型失效，而横向试样失效模式为劈开型和剪切型混合失效；焊缝金属组织不均匀性导致其细观应力应变分布不均匀，针状铁素体承受较高的应力而晶界铁素体承受较高的应变，在晶界铁素体中形成的塑性应变集中带可以预测焊缝金属的失效行为； （3）焊缝金属组织不均匀性导致局部应力三轴度集中，且在拉伸过程中应力三轴度发生变化，在颈缩开始前应力三轴度变化过程可分为初始阶段、转变阶段和稳定阶段三个阶段； （4）焊后热处理会显著影响焊缝金属不同组织的力学性能，进而影响焊缝金属的强度和塑性，热处理后晶界铁素体强度降低，针状铁素体在400℃和700℃热处理后强度降低，在600℃热处理后强度略有上升；在400℃和600℃热处理后焊缝金属塑性应变集中程度显著上升，导致焊缝金属拉伸断裂应变下降。

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