低合金高强钢焊接过程固态相变力学行为研究

发布时间：2019-11-11 09:36

【摘要】：低合金高强钢以其优异的力学强度、延展性能以及焊接性能等,被广泛应用于船舶制造、汽车制造、核电工程等众多工程领域。由于合金元素的影响,不同牌号低合金高强钢焊接过程中固态相变的力学行为存在显著差异,给焊接残余应力和变形预测带来了一定的不确定性。因此,研究低合金高强钢焊接过程中固态相变和接头力学性能的建模方法,以及不同冷速条件下相变、组织和应力应变的耦合关系成为了近年来的研究热点。对于成分复杂的低合金高强钢,在焊接过程中通常会发生多种不同类型的固态相变,这给相变模型的建立以及有限元仿真带来了极大的困难。一方面,传统的相变模型在描述多相组织转变及混合相力学性能时,准确性较差,且较难描述合金元素对固态相变速率的影响,同时,也无法针对不同材料进行统一建模。另一方面,针对焊接过程中接头界面性能的变化,传统模型也较难有效描述温度、组织和接头界面性能之间的关系,无法准确预测焊接过程中变形以及残余应力的演变过程。因此,如何建立多场耦合模型来有效描述低合金高强钢的相变行为,并在此基础上研究焊接过程中温度、组织和焊接接头力学性能与焊接变形和残余应力之间的关系是本文的研究重点。首先,本文采用Gleeble-3500热模拟试验机对多种低合金高强钢材料进行热力学性能研究,结合光学显微镜(optical microscope,OM)和扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)的检测分析,讨论了不同低合金钢在多种冷却条件下的相变组织特征和力学行为。在试验结果和有限元模拟的基础上,通过误差分析,提出了优化的马氏体相变模型并与Koistinen-Marburger方程进行了对比,证明了优化的马氏体相变模型能够更加准确的描述低合金钢的马氏体相变过程。为了进一步验证优化模型的准确性和适用性,采用Gleeble-3500热模拟试验机进行了单轴约束试验并进行了有限元数值模拟,讨论了相变机制对单轴应力应变演变的影响。以304L不锈钢、16MND5和Weldox960材料为研究对象,采用实验和数值模拟相结合的方法,深入研究了焊接过程中瞬态应力应变的演变规律。一方面,在实验的基础上,建立了三维多场耦合模型,综合考虑了力学熔点、加工硬化、固态相变以及混合相力学性能对焊接应力应变的影响,高效、准确地模拟不同相变类型材料的焊接残余应力。另一方面,通过设计合理的实验方案,测量了不同相变类型材料的焊接残余应力,并研究其分布特征,验证了数值模拟计算的准确性。结合实验结果和数值模拟计算结果,讨论了材料力学性能、力学熔点、加工硬化、固态相变等对残余应力形成的影响,并提出了基于相变和力学熔点的瞬态应力应变分布图。进一步在多场耦合模型的基础上,针对固态相变、焊缝熔合过程、有效熔深和焊脚尺寸等因素对焊接接头力学性能和结构刚强度的影响,提出了热-力界面单元模型,并研究了焊接顺序对T型接头焊接变形的影响。通过对比试验结果和计算结果,发现热-力界面单元模型能够更加准确的预测多条焊缝的大型结构的焊接变形,证明了在进行T型接头焊接有限元模拟时,引入界面单元模型的必要性和准确性。同时,针对微观晶粒界面的力学性能描述,进一步提出了温度-组织-位移界面单元模型。通过对两种不同多晶模型在不同约束和位移载荷条件下的开裂行为进行研究,验证了温度-组织-位移界面单元模型在描述裂纹形成和扩展过程中的适用性和有效性,并探讨了裂纹萌生和扩展的影响因素。在模型探讨的基础上,将多场耦合模型和界面单元模型应用于复杂结构焊接变形和残余应力的预测。通过对实验结果和计算结果进行对比,分析了大型复杂结构焊接残余应力及变形规律,并进一步验证了多场耦合模型和界面单元模型的准确性。
【图文】：

耦合关系,焊接过程,中温,性能

验以及计算工作，提出了针对加工硬化、组织转变、相变应变、合相力学性能等的多种耦合模型，试图实现对多场耦合关系进行全于合金元素的影响，低合金钢的相变机制、力学性能以及“力学，采用传统的相变模型和“力学熔点”模型来描述会产生较大误差金高强钢焊接等热加工过程中耦合模型的建立，文献中较多针对合，很少有完整耦合模型的报道，而国内针对这方面的研究仍然

方程,公式,马氏体体积分数,低合金钢

K. Tsuzaki 等人则从热力学出发，考虑了马氏体形核的概率 ρprob，建立了马氏体相变动力学方程[124, 125]。然而，对于成分更加复杂的低合金钢，K-M 方程并不能准确的描述马氏体的体积分数。Lee 等人通过对 29 种低合金钢进行试验分析，提出了基于合金元素和晶粒尺寸的马氏体相变模型[126, 127]，如公式（1-12）所示： 22.240.191.320.576.933.420.246.3599.01762.889.271.080.761bCCaCCCNiCrMoGMTKKVVdTdVsbMaMM（1-12）式中，VM为马氏体体积分数，C 为碳当量，T 为温度。相比 K-M 方程来说，采用公式（1-8）能够更为准确的预测不同温度下马氏体的体积分数，如图 1-2 所示，，M50和 M90分别是马氏体体积分数为 50%和 90%时的温度。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG457.11

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