双孔微剪切法评定焊接接头局部力学性能

发布时间：2018-11-05 08:52

【摘要】：焊接接头普遍存在力学性能的不均匀性。具体体现在焊缝金属与母材金属的高匹配和低匹配,以及细晶粒钢热影响区的局部软化等。这种力学性能的差异与不均匀性,对接头的强度及断裂韧性有着重要的影响。近年来,研究的焦点都集中在接头力学性能不均匀性对焊接构件的断裂韧度参数(CVN、CTOD和J)、力学断裂行为、延-脆性转变行为、结构、缺陷评定及使用性能等方面的影响。有关用于工程上的力学性能不均匀焊接接头的整体强度设计及韧性评定的方法的研究较少。因此,开展焊接接头局部力学性能评定方法的研究,对于焊接接头的强韧性设计和结构可靠性评定具有重要的意义。焊接接头热影响区是整个接头最薄弱的环节,其宽度仅有零点几个毫米,在这狭小区域内的韧性又可分为粗晶区韧性和细晶区韧性。建立焊接接头微区性能评定方法,需要获得0.3 mm位置精度下的力学性能,而常规的微区力学性能评价方法,如小冲杆法、微剪切法、压痕法等,很难准确对其进行评价。本文创新性的提出一种新型的检测焊接接头局部力学性能的方法—双孔微剪切法,该方法无须制备试样,直接在待测区钻两孔,两孔之间的区域形成小梁,对其进行剪切试验,实现对接头的局部强度和韧性进行评价。研制了试验装置,可对在线服役设备的局部力学性能进行现场测量,对这种测试方法进行相关的理论分析。研究在以下几个方面获得了一些结果:(1)根据双孔微剪切试验评价焊接接头局部力学性能的要求,通过三种试验执行机构的改进,研制了可实现自动化和现场测量的试验装置。基本由驱动加载剪切单元、位移-载荷检测单元、装置固定单元、电路控制单元四部分组成。可实现对焊接接头各微区力学性能的检测。(2)研究剪切间隙、剪切厚度和加载速率三个参数对测量重复性的影响。一定范围内,加载速率对剪应力的影响作用较小,当剪切间隙在0.3~0.8 mm之间,剪切厚度在0.1~0.52 mm之间时,最大剪应力和屈服剪应力值比较稳定。(3)建立了双孔微剪切试验的有限元模型,结合有限元模拟计算,得到与实验相吻合的载荷-位移曲线。分析了双孔微剪切从塑性变形直到断裂的力学行为。得到了剪切变形过程的Mises、最大主应力及断裂阶段的应力三轴度值分布规律。根据最大主应力、应力三轴度分布特点,可以预测初始裂纹的发生点。并利用有限元模拟,将不同剪切间隙和剪切厚度对小梁区域的测量精度的影响进行分析。(4)结合有限元分析的方法,对材料的屈服强度、抗拉强度进行研究,给出了利用双孔微剪切试验直接获得接头屈服强度、抗拉强度的关系式。对关系的可靠性进行了验证。双孔微剪切实验获得屈服强度误差小于1.6%,加工硬化指数误差小于6.6%。(5)借助不同热输入的热模拟试验技术,获得以X70管线钢不同强度和韧性的试样,并结合U71钢轨母材进行系列温度下的韧性测量。利用设计的低温双孔微剪切试验装置获得温度—剪切功曲线,该曲线有上下平台和明显的韧脆转变区。将试样剪切功与冲击功进行对比分析,与温度-冲击功曲线有相似性。双孔微剪切试验的韧脆转变温度TDHM较冲击试验的韧脆转变温度TCVN(50%FATT)低。(6)对X70管线钢、U71Mn钢轨的剪切断口形貌进行分析,随着温度的降低,圆角带区域在减小,剪切带面积下降,撕断带面积增加,韧脆转变温度TDHM对应的撕断带面积约为60%,剪切带面积约为40%。(7)应用有限元法,对剪切断裂过程的微观机理进行研究,预测了材料在剪应力作用下的变形行为,材料在断裂前三向应力度-0.4~1.2之间,较缺口尖端的三向应力度值大。解释了利用双孔微剪切断裂带的面积来判断韧脆转变温度区间的微观机理。论证了双孔微剪切试验方法评价焊接接头微区韧性的可行性,为双孔微剪切试验方法今后的研究和工程应用提供参考。(8)选择超窄间隙焊接方法对X70管线钢、430铁素体不锈钢进行焊接,对U71Mn钢轨进行闪光对焊法焊接。对不同焊接方法下的焊接接头进行双孔微剪切试验,得到接头局部区域的强度及剪切功与温度的关系曲线分布。可知,X70管线钢窄间隙焊接接头属于低匹配接头,焊缝中心的韧脆转变温度TDHM最低(-80℃),430不锈钢母材与焊缝属于高匹配,高温热影响区韧性相对较低,TDHM最高(-50℃),钢轨闪光对焊焊缝强度低于母材(接近等匹配),且经感应正火处理的接头中热影响区的TDHM(-12℃)最高。
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【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG407

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