应变强化装置研制及应变强化对06Cr19Ni10焊接接头中疲劳裂纹扩展影响的研究

发布时间：2020-02-03 02:21

【摘要】：随着工业规模的增大和科学技术的发展,在深冷、高温高压或强腐蚀等极端条件下服役的压力容器越来越多。另一方面,在激烈的市场竞争中,在确保容器使用安全的前提下通过减小壁厚的方式实现压力容器的轻量化,对降低设备成本、提高产品的竞争力具有十分重要的意义。在低温设备中,应变强化技术通过对奥氏体不锈钢压力容器整体加载使其产生一定塑性变形以提高材料的屈服强度和许用应力,从而达到减小压力容器的厚度、减轻压力容器重量的目的。与欧美发达国家相比,目前我国的应变强化技术还处于起步阶段,有许多问题尚待研究。06Cr19Ni10是中国牌号的奥氏体不锈钢,常用于制造低温储罐。本论文研制立式压力容器应变强化装置,研究应变强化对06Cr19Ni10焊接接头疲劳裂纹扩展性能的影响及其机理。主要完成的工作如下:(1)压力容器应变强化装置的研发。根据奥氏体不锈钢压力容器应变强化工艺要求,确定下位机PLC、数据转换模块、执行模块、传感器模块的具体参数;通盘考虑压力容器应变强化的控制流程,采用梯形图编写应变强化流程的PLC程序,采用组态软件设计上位机动态监控画面;针对现阶段环向应变测量技术的不足,设计开发出立式压力容器应变强化环向应变自动化测量技术及配套立式应变强化工装;搭建压力容器应变强化装置,通过试验验证装置的功能参数。(2)应变强化对06Cr19Ni10焊接接头疲劳裂纹扩展特性影响的研究。通过对不同应变强化程度的06Cr19Ni10焊接接头母材试样(BM)、焊缝金属试样(WM)以及热影响区(HAZ)试样进行疲劳拉伸试验,研究应变强化对奥氏体不锈钢焊接接头不同区域复合型裂纹疲劳扩展特性的影响;通过观察裂纹扩展宏观路径和数值化裂纹扩展轨迹分析应变强化对复合型裂纹转型方式以及裂纹扩展方向的影响;运用有限元分析软件ANSYS模拟裂纹计算裂纹扩展时裂纹尖端应力强度因子△KI,结合疲劳试验得到的疲劳裂纹扩展速率da/dN,在双对数坐标下对da/dN与△K,进行线性拟合,得到不同试样的Paris-Erdogan公式,分析应变强化对疲劳裂纹扩展速率的影响;对比分析焊接接头不同部位疲劳裂纹扩展速率的差别。(3)应变强化对06Cr19Ni10焊接接头残余应力影响的研究。从残余应力角度分析应变强化对焊接接头疲劳性能的影响机理。运用有限元分析软件MSC.MARC对06Cr19Ni10焊接接头的焊接过程和焊后应变强化过程进行了有限元数值模拟,得出应变强化前后焊接接头不同区域焊接残余应力分布,分析应变强化对焊接残余应力的影响。采用X射线法对不同应变强化程度06Cr19Ni10焊接接头试样进行残余应力测量,验证数值模拟结果的准确性。(4)应变强化后06Cr19Ni10焊接接头金相组织研究和断口形貌分析。从组织相变行为角度分析应变强化对焊接接头疲劳性能的影响机理;对不同应变强化程度06Cr19Ni10焊接接头母材试样、热影响区试样以及焊缝金属试样金相进行金相检测和X射线衍射,分析应变强化对奥氏体不锈钢焊接接头金相组织的影响;分析应变强化对奥氏体不锈钢焊接接头宏观断口形貌和微观断口形貌的影响;另外,对焊接接头母材试样、热影响区试样和焊缝金属试样进行疲劳寿命断口定量反推,并与实际实验测定值进行比较。
【图文】：

将应变强化技术收录到ＥＮ１３５３０－２：邋２００２附录Ｃ标准，国际标准化组织（ＩＳＯ）逡逑收录至ＩＳＯ邋２０４２１－１：邋２００６标准。２００８年，美国机械工程师学会（ＡＳＭＥ）也将应变逡逑强化强化技术收入相应的压力容器标准。图１－１为应变强化压力容器与普通容器逡逑对比。逡逑目前，我国尚未制定应变强化技术的国家标准甚至行业标准。国家质量监督逡逑检验检疫总局己逐步开展了该技术的立项评审工作。同时，，浙江大学、华东理工逡逑大学、合肥通用机械研宄所、北京化工大学等科研机构也陆续开展了关于应变强逡逑化技术的研究［６＿７］。逡逑ｙ邋懌逡逑图１－１应变强化压力容器与普通容器对比逡逑Ｆｉｇ．邋１－ｌＣｏｍｐａｒｉｓｏｎ邋ｂｅｔｗｅｅｎ邋ｓｔｒａｉｎ－ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ邋ｐｒｅｓｓｕｒｅ邋ｖｅｓｓｅｌ邋ａｎｄ邋ｃｏｍｍｏｎ邋ｖｅｓｓｅｌ逡逑，逦对于无明显屈服现象的金属材料，通常人为地将非比例延伸强度Ｏ０．２作为材逡逑料的屈服强度。对于奥氏体不锈钢材料而言，在施加超过屈服强度ＣＴ０．２的应力ＣＴｋ，逡逑然后卸载。当再次对试样进行加载时，只有应力大于Ｏｋ时试棒才会产生新的塑逡逑性变形（如图１－２所示）。因此，通常将加载应力ＣＴｋ认为是材料新的屈服强度逡逑实际工程应用中

将应变强化技术收录到ＥＮ１３５３０－２：邋２００２附录Ｃ标准，国际标准化组织（ＩＳＯ）逡逑收录至ＩＳＯ邋２０４２１－１：邋２００６标准。２００８年，美国机械工程师学会（ＡＳＭＥ）也将应变逡逑强化强化技术收入相应的压力容器标准。图１－１为应变强化压力容器与普通容器逡逑对比。逡逑目前，我国尚未制定应变强化技术的国家标准甚至行业标准。国家质量监督逡逑检验检疫总局己逐步开展了该技术的立项评审工作。同时，浙江大学、华东理工逡逑大学、合肥通用机械研宄所、北京化工大学等科研机构也陆续开展了关于应变强逡逑化技术的研究［６＿７］。逡逑ｙ邋懌逡逑图１－１应变强化压力容器与普通容器对比逡逑Ｆｉｇ．邋１－ｌＣｏｍｐａｒｉｓｏｎ邋ｂｅｔｗｅｅｎ邋ｓｔｒａｉｎ－ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ邋ｐｒｅｓｓｕｒｅ邋ｖｅｓｓｅｌ邋ａｎｄ邋ｃｏｍｍｏｎ邋ｖｅｓｓｅｌ逡逑，逦对于无明显屈服现象的金属材料，通常人为地将非比例延伸强度Ｏ０．２作为材逡逑料的屈服强度。对于奥氏体不锈钢材料而言，在施加超过屈服强度ＣＴ０．２的应力ＣＴｋ，逡逑然后卸载。当再次对试样进行加载时，只有应力大于Ｏｋ时试棒才会产生新的塑逡逑性变形（如图１－２所示）。因此，通常将加载应力ＣＴｋ认为是材料新的屈服强度逡逑实际工程应用中
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG407

【参考文献】

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本文编号：2575851