基于红外热像法的4003铁素体不锈钢及其焊接接头疲劳裂纹扩展行为研究

发布时间：2017-07-25 17:07

  本文关键词：基于红外热像法的4003铁素体不锈钢及其焊接接头疲劳裂纹扩展行为研究

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【摘要】：4003铁素体不锈钢因其优良的耐腐蚀性能、相对较好的力学性能以及十分低廉的价格而被广泛的应用于各行各业,这其中就包含承受交变载荷的应用领域,而其焊接结构承受疲劳循环载荷时,焊接接头成为限制其广泛使用的瓶颈。疲劳裂纹扩展性能可以反映材料在疲劳循环载荷下阻碍裂纹扩展的能力;目前对于裂纹扩展的研究主要基于断裂力学理论,使用应力强度因子对裂纹扩展速率进行描述。红外热像法由于其实时、快速等优点被应用于裂纹扩展的研究当中,并可以从能量耗散的角度对材料裂纹扩展进行本质的分析,因而使用红外热像法对4003铁素体不锈钢及其焊接接头进行裂纹扩展研究具有一定的科学意义与应用价值。利用红外热像仪对4003铁素体不锈钢及其MIG(Metal Inert-gas Welding)焊焊接接头在疲劳裂纹扩展过程中的表面温度变化进行了研究。结果表明:在初始应力强度因子范围ΔK较小时,疲劳裂纹扩展过程中试件表面温度演化可以分为5个阶段:初始温度下降阶段Ⅰ,温度平衡阶段Ⅱ,温度缓慢上升阶段Ⅲ,温度快速上升阶段Ⅳ和失效后冷却阶段Ⅴ。对试件在疲劳过程中的产热机理进行了探讨,发现裂纹尖端循环塑性区是裂纹扩展过程中的移动热源;并同时建立了温度变化与应力强度因子变化之间的关系,可以发现试件表面温度的变化主要受应力强度因子范围和裂纹扩展速率的影响。利用扫描电镜对4003铁素体不锈钢及其接头的裂纹扩展断口形貌进行了分析,结果表明:母材、焊缝、HAZ三者的疲劳断裂机理在初始扩展阶段,分别为准解理断裂、解理断裂、准解理断裂的脆性断裂特征;稳定扩展阶段三者均呈现出以疲劳条带为主的塑性断裂特征。当微观断裂机理为解理、准解理断裂的脆性断裂机制时,裂纹处于初始缓慢扩展阶段时,试件表面的宏观温度没有明显变化;当微观断裂机理为疲劳条带的塑性断裂机制时,裂纹处于稳定扩展阶段时,试件表面的宏观温度表现为快速上升;而在温度变化的转折点,微观断裂机理表现为准解理与塑性条带的混合断裂机制。微观断裂机理的变化验证了宏观温度的变化,表明疲劳载荷作用下,试件表面的温度变化是研究裂纹扩展过程的一种有效手段。
【关键词】：铁素体不锈钢 MIG焊 疲劳裂纹扩展 红外热像法 应力强度因子 断裂机理
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG405;TG142.71
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 研究背景及意义11-12
• 1.2 4003铁素体不锈钢及其焊接概述12-13
• 1.3 疲劳裂纹扩展行为研究综述13-17
• 1.3.1 断裂力学简介13-14
• 1.3.2 裂纹扩展研究简介14-16
• 1.3.3 裂纹扩展影响因素16-17
• 1.4 红外热像法概述17-19
• 1.4.1 红外热像仪介绍17-18
• 1.4.2 疲劳热像法介绍18-19
• 1.4.3 红外热像法研究裂纹扩展现状19
• 1.5 本论文研究内容与技术路线19-21
• 第二章 试验材料、方法及设备21-31
• 2.1 引言21
• 2.2 4003铁素体不锈钢的焊接21-26
• 2.2.1 4003铁素体不锈钢MIG焊接21-23
• 2.2.2 焊接接头组织观测以及显微硬度测量23-26
• 2.3 4003不锈钢红外拉伸试验26-27
• 2.4 基于红外热像法的疲劳裂纹扩展速率试验27-28
• 2.5 断口分析设备28-31
• 第三章 疲劳过程中的产热分析31-37
• 3.1 引言31
• 3.2 疲劳过程的热效应分析31-33
• 3.2.1 热弹性效应31-32
• 3.2.2 非弹性效应32-33
• 3.2.3 热传导效应33
• 3.3 裂纹尖端区域的产热分析33-37
• 第四章 基于红外热像法的疲劳裂纹扩展行为分析37-57
• 4.1 引言37
• 4.2 传统疲劳裂纹扩展速率试验结果及分析37-43
• 4.2.1 母材疲劳裂纹扩展速率分析37-39
• 4.2.2 焊缝疲劳裂纹扩展速率分析39-40
• 4.2.3 HAZ疲劳裂纹扩展速率分析40-42
• 4.2.4 传统裂纹扩展速率试验结果对比分析42-43
• 4.3 疲劳裂纹扩展过程中的温度演化分析43-55
• 4.3.1 拉伸过程中的温度演化分析43-44
• 4.3.2 裂纹扩展过程中母材温度演化研究44-51
• 4.3.3 焊缝和热影响区温度演化分析51-54
• 4.3.4 温度演化对比分析54-55
• 4.4 本章小结55-57
• 第五章 疲劳裂纹扩展断口分析57-67
• 5.1 引言57
• 5.2 母材疲劳断口分析57-60
• 5.3 焊缝断口分析60-62
• 5.4 HAZ断口分析62-64
• 5.5 本章小结64-67
• 第六章 结论67-68
• 问题与展望68-69
• 参考文献69-75
• 致谢75-77
• 攻读学位期间发表的学术论文和参加科研情况77

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本文编号：572333