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新型低碳贝氏体钢焊接接头疲劳裂纹扩展可靠性研究

张天会  
【摘要】:焊接接头中不可避免地会存在各种形式的焊接缺陷,使焊接接头成为整个焊接结构中最薄弱部位,易产生裂纹起裂、扩展甚至失稳断裂。焊接接头的疲劳断裂性能是焊接结构损伤容限分析、保证结构安全可靠运行,以及抗断裂设计的重要依据。新型低碳贝氏体钢是采用微合金化控轧控冷工艺生产的新一代焊接无裂纹低合金高强度结构钢,被称为当今“绿色钢材”。合金结构钢的发展方向越来越注重提高其使用的可靠性和经济性,即在满足结构强度要求的前提下提高安全性和寿命。因此,对新一代低碳贝氏体钢焊接接头疲劳裂纹扩展可靠性研究具有重要的理论意义和应用价值。本文对新型低碳贝氏体焊接接头进行了常规力学性能及其微观金相试验研究、焊接缺陷及其尺寸分布研究、疲劳裂纹扩展试验及其可靠性分析研究。 本文的主要工作有: 从常规力学性能和金相试验角度对新型低碳贝氏体钢焊接接头焊接工艺进行试验研究。采用不同的焊接方法和不同的焊接工艺参数对新型焊接无裂纹低碳贝氏体钢B610CF、ADB610和WDB620钢焊接接头进行焊接,对焊接接头进行常规力学性能和金相试验。对试验结果进行分析发现:采用合适的焊接工艺参数,焊接接头中不容易产生裂纹,焊接接头的抗裂性能优良,可以得到具有优良综合机械性能的焊接接头;焊接工艺参数对焊接接头抗拉强度、塑性以及对热影响区的组织和常规力学性能的影响不明显,但大的焊接工艺参数会使焊缝区的组织发生变化,冲击韧性明显降低。 对新型低碳贝氏体钢焊接接头焊接缺陷及尺寸概率分布模型进行研究。通过对焊接缺陷在焊缝长度区间上产生的缺陷数符合泊松分布过程、焊接缺陷在一定的焊缝长度内缺陷产生的比率为常数的物理背景,推导建立了焊接缺陷尺寸的概率模型为指数分布。随机抽取ADB610钢焊接接头X射线检测出的焊接缺陷,进行概率分布拟合检验研究,发现:焊接缺陷尺寸以服从指数分布为最佳,从实验数据上验证了焊接缺陷尺寸较好地服从指数分布。通过排列图的绘制与分析,ADB610钢和WDB620钢焊接接头绝大多数焊接缺陷是气孔和夹渣,焊接接头中产生的裂纹缺陷很少。 提出了基于两步七点递增多项式的成组计算方法(本文简称为成组法)用于疲劳裂纹扩展试验数据的计算,在多试样疲劳裂纹扩展试验过程中各个试样数据记录的裂纹长度不相同时,可以计算相同裂纹长度下各个试样的裂纹扩展速率和同组试样不同存活率下的裂纹扩展速率。 针对ADB610钢焊接接头母材区、热影响区和焊缝区进行多试样疲劳裂纹扩展试验,并采用成组法计算三区域不同存活率下的裂纹扩展速率和基于Paris公式的裂纹扩展速率表达式,从可靠性角度研究焊接接头疲劳裂纹扩展性能。在常规力学性能和金相试验以及焊接缺陷研究基础上,选用CHE62CFLH焊条,采用手工电弧焊对ADB610钢进行焊接,在对焊接接头三区域取多试样进行了裂纹扩展试验的基础上,采用本文提出的成组法,计算各区域存活率为50%、90%、95%、99%和99.9%下的裂纹扩展速率,分别与应力强度因子范围△K拟合,得到不同存活率下Paris公式。 对三区域考虑存活率条件下的裂纹扩展速率表达式Paris公式进行分析,发现:在相同存活率下,母材区参数C最大,焊缝区的C最小;而母材区参数m最小,焊缝区m最大。随着存活率的增大,母材区参数C呈递减、m呈递增趋势,热影响区和焊缝区参数C呈递增、m呈递减的趋势;而且母材区C递减速度最小,热影响区C递增速度最快;热影响区m递减速度最快,母材区m递增速度与焊缝区m递减的速度相差不大。 对考虑存活率下三区域裂纹扩展速率及计算的相对差值进行分析,发现:三区域裂纹扩展速率分散性有明显差异,基本上母材区的最小,焊缝区的最大。在相同存活率下,裂纹扩展前期母材区裂纹扩展明显最快,焊缝区的明显最慢,母材区与热影响区的裂纹扩展差异明显比热影响区与焊缝区的差异大;在裂纹扩展中后期,三个区域的裂纹扩展快慢差异相对较小。随着存活率的增大,基本上母材区与热影响区、母材区与焊缝区裂纹扩展快慢相对差异逐渐递减,在裂纹扩展前期递减明显,裂纹扩展中后期递减相对前期不明显;热影响区与焊缝区裂纹扩展快慢相对差异变化不明显。 采用统计假设检验方法对三区域对数裂纹扩展速率的数字特征进行分析,发现:三区域的对数裂纹扩展速率方差(即分散性)有显著性差异,基本上母材区的最小,焊缝区的最大。在裂纹扩展速率均值方面:基本上,在裂纹扩展中前期,母材区的显著大于热影响区和焊缝区的,裂纹扩展后期母材区与热影响区和焊缝区的相当,没有显著性差异;对于热影响区与焊缝区,裂纹扩展前期热影响区的显著大于焊缝区的,但裂纹扩展中期后两区域的相当。 从金相组织角度对ADB610钢焊接接头母材区、热影响区和焊缝区裂纹扩展机理进行研究,发现:在裂纹扩展的中前期,晶界间的阻力提高疲劳裂纹扩展的抗力,因此在裂纹扩展中前期,晶粒细小的焊缝区和有网状组织的热影响区的裂纹扩展慢于晶粒粗大的母材区的,焊缝区的慢于热影响区;在裂纹扩展中后期,晶界间阻力的影响逐渐减小后,三个区域之间的裂纹扩展速率差异相比前期较小。而且相对于热影响区和焊缝区而言,母材区各部位的金相组织差异性较小。 采用基于ΔK-da/dN一次七点递增多项式的方法(本文简称为单试样法)计算ADB610钢焊接接头考虑存活率的裂纹扩展速率及Paris公式,并采用直观分析和统计对比分析方法,与采用成组法得到的结果进行误差分析,发现相同区域之间采用单试样法计算的结果误差大,得到的焊接接头不同区域之间裂纹扩展快慢的规律也与采用成组法的不相一致。单试样法是在单独地、各个试样之间互不相关地计算出每个试样的Paris公式后,然后取一系列的△K带入每个试样的Paris公式中,计算每个试样在相同△K下的裂纹扩展速率后,再计算同组试样不同存活率下的裂纹扩展速率和Paris公式来研究裂纹扩展的可靠性问题。认为基于一次七点递增多项式的单试样法从物理意义上不符合根据裂纹扩展试验数据的分散性来分析材料固有的分散性问题。 本文的主要创新点: (1)在计算方法方面提出了采用两步七点递增多项式的专用于疲劳裂纹扩展速率可靠性分析的成组方法,并指出应用一次七点递增多项式的单试样法在裂纹扩展可靠性分析中具有较大的计算误差。 (2)在统计意义上发现了ADB610钢焊接接头三个区域(母材区、热影响区和焊缝区)疲劳裂纹扩展速率数字特征的差异性,并从焊接接头金相组织的机理上解释了这种统计现象。 (3)在研究成果方面得到了ADB610钢焊接接头不同存活率下基于Paris公式的疲劳裂纹扩展速率表达式,并发现了ADB610钢焊接接头疲劳裂纹扩展速率Paris公式的两个参数(C和m)随存活率改变而变化的规律。 (4)在数学模型方面从泊松过程出发进行了理论推导,建立了新型低碳贝氏体钢焊接接头焊接缺陷尺寸分布的概率模型,并进一步通过ADB610钢焊接接头x射线检测的缺陷尺寸数据的分布拟合,实验数据验证了这个数学模型的合理性。


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