σ相析出对双相不锈钢力学性能影响及机理

发布时间：2018-04-23 17:39

本文选题：双相不锈钢 + σ相　；参考：《安徽工业大学》2017年硕士论文

【摘要】：Z3CN20.09M不锈钢和SAF2205双相不锈钢分别广泛应用于压水堆核电主管道和海水循环泵叶轮,两种不锈钢组织均为奥氏体相和铁素体相双相组织。铁素体相发挥着提高不锈钢的耐应力腐蚀、耐腐蚀疲劳和强度等重要作用,然而铁素体的存在也造成Z3CN20.09M和SAF2205不锈钢在热处理焊接过程析出金属间化合物,使材料塑韧性大大降低,其中σ相的影响最严重。传统观点将硬而脆的σ相阻碍位错的移动、位错在界面处塞积而产生应力集中视为不锈钢韧性显著下降、强度提高的原因,但相关工作缺少有力证据。本文利用ABAQUS有限元模拟计算和原位拉伸、断口分析等手段研究了σ相的影响机制。通过扩展有限元法(XFEM)研究了双相不锈钢中组织相各物理参数和不同初始裂纹位置对裂纹扩展路径的影响。主要研究内容和结论如下:(1)利用ABAQUS有限元软件模拟计算了Z3CN20.09M不锈钢和SAF2205双相不锈钢有无σ相时材料模型内的应力场分布。结果表明,无σ相时,两种双相不锈钢中应力最大值均出现在铁素体相中,而有σ相时,应力最大值出现在σ相中,且最大应力值均大幅升高。(2)模拟计算了Z3CN20.09M不锈钢和SAF2205双相不锈钢中σ相形态、数量和间距对周围应力场大小的影响。结果表明,越细长和数量越多的σ相产生的最大应力值越大;而σ相产生的应力最大值随其之间间距的增长呈先减小后增大的趋势。(3)通过扩展有限元法(XFEM)对单一材料进行裂纹扩展模拟,结果表明,裂纹尖端周围应力场均匀分布,其值随裂纹扩展的进行呈指数型增大,裂纹扩展速度逐渐变快。进一步模拟研究了材料最大主应力、临界能量释放率和弹性模量以及初始裂纹长度对裂纹扩展的影响规律。结果表明:材料最大主应力值越大,材料抗断能力越强;材料临界能量释放率越大,材料失稳后承载能力越弱;材料弹性模量越大,越易造成结构损伤,且损伤速度越快;裂纹起始应力值与初始裂纹长度呈线性关系,且拟合公式为σ=18.98+6.94L(MPa)但初始裂纹长度对整个裂纹扩展过程影响不大。(4)通过XFEM法模拟计算了初始裂纹在双相不锈钢中不同位置对裂纹扩展路径的影响。结果表明,初始裂纹位于组织相界面中时,裂纹尖端应力分布不均匀,裂纹会选择在较软相中进行扩展;初始裂纹位于组织相亚相界面中时,裂纹尖端应力分布不均匀,裂纹会在预先设置中的组织相中进行扩展;初始裂纹不管位于哪种位置,裂纹尖端应力值均会增加至所在扩展相材料的最大主应力左右,且其他组织相中的应力值也会逐渐增加至此。(5)通过XFEM法模拟研究了初始裂纹依次经过双相不锈钢中各组织相而产生的扩展情况。结果表明,初始裂纹穿过双相不锈钢各组织相时,σ相表现出的承载能力最强,裂纹尖端所需应力值最大,铁素体相其次,奥氏体相最弱;从粘性裂纹转变为真实裂纹时,σ相所消耗的能量最少,最易转变,铁素体相其次,奥氏体相最难转变。(6)研究了σ相对双相不锈钢抗拉强度和冲击韧性的影响,并利用原位拉伸、断口形貌等分析了其机理。结果表明:σ相使双相不锈钢抗拉强度有所提升而显著降低其冲击功。因为在铁素体相中时效析出的σ相使此时(σ+γ2)结构拥有更大的硬度,而与奥氏体相的变形协调性更差,更加明显阻碍滑移带的进一步扩展,使时效后的双相不锈钢抗拉强度得到提升;而在高应变速率的冲击过程中,σ相与及其周围的铁素体相相边界处会产生应力集中,由于较硬的(σ+γ2)结构难以在此短时间内完成塑性变形,释放出此位置的高应力,而只能通过断裂来释放这部分能量。
[Abstract]:In this paper , the effects of different physical parameters of Z3CN20 . 09M stainless steel and SAF2205 duplex stainless steel on crack propagation path are studied by using finite element method ( XFEM ) . ( 4 ) The influence of initial crack on crack propagation path in duplex stainless steel is simulated by XFEM method . The results show that the stress distribution of the crack tip is not uniform when the initial crack is located in the interface of tissue phase .

【学位授予单位】：安徽工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG142.71

【参考文献】