超声冲击对P355NL1钢焊接接头超高周疲劳性能的影响

发布时间：2020-05-05 10:37

【摘要】：本文通过超声疲劳实验、模拟应力集中、探测残余应力及焊接接头表面晶粒细化来探究超声冲击对P355NL1钢焊接接头超高周疲劳性能的影响。试验将试样分成5组,分别是圆柱状母材试样、板状母材试样、圆柱状焊接接头试样、板状焊接接头试样和超声冲击态试样。五组试样进行超声疲劳试验,获得五组疲劳试验数据和S-N曲线,对比五组试验数据,得到超声冲击对P355NL1钢焊接接头的超高周疲劳性能影响。利用扫描电镜(SEM)观察五组试样的疲劳失效断口形貌,探究其疲劳失效模式。通过ANSYS有限元软件、残余应力测试仪、金相显微镜及透射电镜(TEM)探究应力集中、残余应力、焊根表面晶粒细化的作用下,超声冲击影响焊接接头超高周疲劳性能的机理。试验结果表明:1.由试验数据拟合S-N曲线,得到曲线方程。板状母材试样:lgN+34.72lgΔσ=90.654×10~5"fN"f4.54×10~8;板状焊态试样:lgN+10.64lgΔσ=30.954×10~5"fN"f4.40×10~8;圆柱状母材试样:lgN+14.29lgΔσ=44.044×10~5"fN"f3.09×10~8;圆柱状焊态试样:lgN+14.93lgΔσ=44.794×10~5"fN"f5.79×10~8;超声冲击态试样:lgN+13.55lgΔσ=39.344×10~5"fN"f4.30×10~7,lgN+76.22lgΔσ=186.22 4.30×10~7"fN"f5.42×10~8。2.在同等疲劳寿命情况下,圆柱状试样的疲劳强度要远高于板状试样。在1.0×10~6周次疲劳寿命下,圆柱母材的疲劳强度是板状母材的1.68倍,圆柱状焊态的疲劳强度更是板状焊态的1.80倍。超声冲击态试样与板状焊态试样相比较,疲劳性能有很大的提升。在1.0×10~8周次疲劳寿命下,超声冲击试样的疲劳强度为217MPa,而板状焊态试样则是143MPa,疲劳强度提升了51.7%。在试验中可以发现试样在超高周寿命区间("g10~7周次)还是会发生疲劳失效,所以不存在传统意义上的疲劳极限和无限寿命。3.在220MPa的应力载荷下,超声冲击态试样的疲劳寿命为3.98×10~7周次,而板状焊态的则为1.06×10~6周次,疲劳寿命提高了37倍,所以超声冲击可以大幅延长焊接接头的疲劳寿命。4.板状焊接接头的裂纹扩展路径平直,而超声冲击态的则比较曲折。裂纹扩展的过程中呈现的是穿晶断裂,伴有塑性变形的痕迹。5.对于圆柱状母材试样和焊接接头试样,裂纹源大多位于试样表面的机械加工微痕,少量试样位于次表面的夹杂物处,并没有发现疲劳裂纹源位于试样的内部,没有出现典型的“鱼眼”形貌。扩展区断口面平坦,均能够观察到河流花样和撕裂棱,同时伴有二次裂纹和解理台阶。瞬断区都是呈现韧窝形貌,这表明圆柱状母材和焊接接头的疲劳断裂机制为准解理断裂。6.对于板状焊接接头试样与超声冲击态试样,断裂机制差别不大,大部分裂纹都是萌生于焊跟处,区别在于板状焊接接头试样裂纹萌生于表面,而冲击态试样则萌生于次表面,裂纹扩展区呈现撕裂棱和二次裂纹形貌。瞬时断裂区呈现韧窝形貌,且底部有第二相粒子。这说明超声冲击态试样和板状焊接接头试样疲劳失效为准解理断裂。这说明超声冲击处理并不会改变焊接接头高周及超高周的疲劳失效机理。7.超声冲击作用在焊接接头焊根处表面,能够增大母材与焊缝之间的圆弧过渡半径。焊态试样应力集中系数K_(t1)=1.82,冲击态试样应力集中系数K_(t2)=1.35,应力集中系数下降了25.8%。所以,超声冲击可以明显改善焊接接头的应力集中状况。8.焊态试样焊根处的X方向残余拉应力达到11.1MPa,Y方向残余拉应力则为20.2MPa。经过超声冲击处理以后,焊根处的残余拉应力被残余压应力所取代,冲击态试样X方向残余压应力达到-40.5MPa,Y方向残余压应力则为-23.6MPa。超声冲击将焊根处的残余拉应力转变成残余压应力,这将使得裂纹尖端的临界应力因子ΔK_(th)值增大,延长试样的疲劳寿命。9.超声冲击参数为5min/1.5A、10min/1.5A、20min/1.5A的条件下,其晶粒平均尺寸分别大约为400nm,300nm,200nm。三组试样的冲击变形层的厚度分别约为300μm、460μm、600μm。在冲击电流一定的情况下,冲击时间越长其塑性变形层厚度越深。10.超声冲击细化焊跟表层晶粒组织大概是如下几个过程:一、超声冲击产生高频能量作用在焊接接头焊根表面,表层组织发生剧烈塑性变形,原始晶粒内部产生大量位错;二、随着冲击时间的增加,位错间会产生相互作用,互相纠缠形成位错缠结和位错墙;三、冲击时间的增加使得应变量在逐渐增加,位错之间的距离在不断减小,位错墙和位错缠结会逐步转变成小角度亚晶界;四、高密度的位错在亚晶界处继续相互作用,使得晶界两侧的取向越来越大,小角度亚晶界逐步转化成大角度晶界,形成亚晶。
【学位授予单位】：华东交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG407

【参考文献】