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国产非调质CF钢焊接接头裂纹扩展速率的试验研究

刘国寿  
【摘要】:ADB610是国产新一代非调质焊接无裂纹低碳贝氏体钢,由于其良好的力学和焊接性能,在多个领域中得到了广泛运用,但目前对此类钢材性能的研究多数仅限于常规的力学性能、焊接性能以及冲击韧性等方面,然而,作为零件及焊接构件抗断设计及剩余寿命估算中的重要依据——断裂韧性和裂纹扩展速率的研究却很少见报道。 因此本文首先从试验的角度,对ADB610焊接接头的断裂韧性和恒幅载荷作用下的疲劳裂纹扩展速率进行研究;然后,再从数值方法的角度对其裂纹扩展速率进行研究,最终,根据试验和数值两种方法确定的疲劳裂纹扩展速率表达式,分别对试样的裂纹扩展寿命进行估算和比较。其中对疲劳裂纹扩展试验数据进行分析时,分别采用了四种常见的可靠性分析方法:(1)基于(a,N)数据统计分布的da/dN可靠性研究、(2)基于(da/dN,△K)数据统计分布的da/dN可靠性研究、(3)基于引入随机函数的da/dN可靠性研究、(4)蒙特卡罗法的da/dN可靠性研究。而数值方法的研究主要针对疲劳裂纹扩展速率的预测,其基本思路是基于经典疲劳损伤理论,通过对其疲劳损伤模型进行简化,同时结合有限元方法(计算循环加载过程中的弹塑性结果),然后以损伤速率来表征疲劳裂纹扩展速率。经过研究,本文通过试验测出了ADB610的断裂韧性的范围,确定了焊接线能量为25kJ/cm时,ADB610焊接接头的母材区、热影响区和焊缝区在不同可靠度下的裂纹扩展速率表达式参数及P-da/dN-△K曲线,得出了在常用的四种裂纹扩展速率可靠性研究中,基于(da/dN, AK)数据统计分布的da/dN可靠性研究方法适用性最广、合理性更高的结论;以数值的方法确定出了疲劳裂纹扩展速率的表达式,并在试验和数值方法研究的基础上分别确定了裂纹扩展寿命的估算值,比较试验与数值方法的裂纹扩展寿命结果,可以知道数值方法确定的裂纹扩展寿命估算值与可靠度为99.9%的试验方法确定的估算结果吻合较好,这就进一步证实了文章中所采用的简化损伤模型是有效的、合理的。另外通过焊接接头各个区域的试验结果及估算寿命结果的比较,可以看出ADB610焊接接头的焊缝区和热影响区的疲劳裂纹扩展寿命没有表现出明显低于母材区裂纹扩展寿命的统计规律。所以可以认定国产非调质焊接无裂纹钢——ADB610的焊接接头具有良好的抗裂纹扩展能力和抗疲劳性能,确实属于一种优良的焊接用钢种。


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