301L冷轧不锈钢点焊接头疲劳断裂分析

摘要

冷轧301L系列不锈钢是制造不锈钢轨道轻量客车的主材，具有冷轧硬化及无淬硬性特点，其点焊结构的疲劳断裂行为和机理与稳态合金有很大不同，目前，针对冷轧301L点焊结构疲劳行为的研究很少，与工程应用的迫切需求形成了极大的反差。本论文基于等效应力强度因子及有限元缺口应力，以实现对点焊试件疲劳寿命的预测评估为目标，对多种301L点焊接头及其多点焊结构的疲劳寿命进行了系统分析，研究了等效应力强度因子及缺口应力与疲劳寿命分布的关系和规律。通过对301L点焊疲劳断裂试件剖面、疲劳断口以及疲劳裂纹扩展路径的分析，研究了点焊接头及多点焊试件的疲劳断裂机理和疲劳裂纹在板内的扩展规律，以及焊接缺陷对疲劳断裂行为的影响。
　　研究结果显示，等效应力强度因子及缺口应力可以作为基础应力参数对不同形式的301L板点焊接头进行疲劳寿命分析，分析值与试验数据体现了良好的相关性。301L不锈钢点焊随着应力强度因子减小，点焊试件的平均疲劳寿命呈现相同规律的增大趋势。应用Pook和S.Zhang提出的两种等效应力强度因子分析方法可实现对301L板不同结构的点焊接头平均疲劳寿命的评估和预测。通过粗网格有限元分析计算，得到301L单点焊接头以及多点焊试件在平均疲劳极限载荷作用下发生疲劳断裂的最大缺口应力为230-270Mpa。点焊接头板间最大应力值随着板厚增大或熔核直径的增加而减小、疲劳载荷升高，多点焊结构中由于焊点之间的相互作用会增加焊点前沿的缺口应力、疲劳载荷降低。
　　301L点焊接头为双面和单面穿板疲劳断裂，裂纹始于熔核外热影响区最大缺口应力处，呈半椭球面向板厚和板宽方向扩展，断口无典型疲劳辉纹；疲劳断口由中心平滑区和两侧脊状条纹台阶区组成，脊状台阶与疲劳裂纹垂直，其上可见窄弧形疲劳辉纹；被焊接板平整低会导致热影响区出现折叠缺陷，增大缺口应力。多点焊试件焊点间的作用应力会改变裂纹后期扩展路径，在加载方向焊点间无或约束应力较小的焊点排布具有更高的疲劳载荷。