【摘要】：焊接接頭普遍存在力學(xué)性能的不均勻性。具體體現(xiàn)在焊縫金屬與母材金屬的高匹配和低匹配,以及細(xì)晶粒鋼熱影響區(qū)的局部軟化等。這種力學(xué)性能的差異與不均勻性,對(duì)接頭的強(qiáng)度及斷裂韌性有著重要的影響。近年來,研究的焦點(diǎn)都集中在接頭力學(xué)性能不均勻性對(duì)焊接構(gòu)件的斷裂韌度參數(shù)(CVN、CTOD和J)、力學(xué)斷裂行為、延-脆性轉(zhuǎn)變行為、結(jié)構(gòu)、缺陷評(píng)定及使用性能等方面的影響。有關(guān)用于工程上的力學(xué)性能不均勻焊接接頭的整體強(qiáng)度設(shè)計(jì)及韌性評(píng)定的方法的研究較少。因此,開展焊接接頭局部力學(xué)性能評(píng)定方法的研究,對(duì)于焊接接頭的強(qiáng)韌性設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)定具有重要的意義。焊接接頭熱影響區(qū)是整個(gè)接頭最薄弱的環(huán)節(jié),其寬度僅有零點(diǎn)幾個(gè)毫米,在這狹小區(qū)域內(nèi)的韌性又可分為粗晶區(qū)韌性和細(xì)晶區(qū)韌性。建立焊接接頭微區(qū)性能評(píng)定方法,需要獲得0.3 mm位置精度下的力學(xué)性能,而常規(guī)的微區(qū)力學(xué)性能評(píng)價(jià)方法,如小沖桿法、微剪切法、壓痕法等,很難準(zhǔn)確對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文創(chuàng)新性的提出一種新型的檢測(cè)焊接接頭局部力學(xué)性能的方法—雙孔微剪切法,該方法無須制備試樣,直接在待測(cè)區(qū)鉆兩孔,兩孔之間的區(qū)域形成小梁,對(duì)其進(jìn)行剪切試驗(yàn),實(shí)現(xiàn)對(duì)接頭的局部強(qiáng)度和韌性進(jìn)行評(píng)價(jià)。研制了試驗(yàn)裝置,可對(duì)在線服役設(shè)備的局部力學(xué)性能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量,對(duì)這種測(cè)試方法進(jìn)行相關(guān)的理論分析。研究在以下幾個(gè)方面獲得了一些結(jié)果:(1)根據(jù)雙孔微剪切試驗(yàn)評(píng)價(jià)焊接接頭局部力學(xué)性能的要求,通過三種試驗(yàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的改進(jìn),研制了可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的試驗(yàn)裝置。基本由驅(qū)動(dòng)加載剪切單元、位移-載荷檢測(cè)單元、裝置固定單元、電路控制單元四部分組成。可實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接接頭各微區(qū)力學(xué)性能的檢測(cè)。(2)研究剪切間隙、剪切厚度和加載速率三個(gè)參數(shù)對(duì)測(cè)量重復(fù)性的影響。一定范圍內(nèi),加載速率對(duì)剪應(yīng)力的影響作用較小,當(dāng)剪切間隙在0.3~0.8 mm之間,剪切厚度在0.1~0.52 mm之間時(shí),最大剪應(yīng)力和屈服剪應(yīng)力值比較穩(wěn)定。(3)建立了雙孔微剪切試驗(yàn)的有限元模型,結(jié)合有限元模擬計(jì)算,得到與實(shí)驗(yàn)相吻合的載荷-位移曲線。分析了雙孔微剪切從塑性變形直到斷裂的力學(xué)行為。得到了剪切變形過程的Mises、最大主應(yīng)力及斷裂階段的應(yīng)力三軸度值分布規(guī)律。根據(jù)最大主應(yīng)力、應(yīng)力三軸度分布特點(diǎn),可以預(yù)測(cè)初始裂紋的發(fā)生點(diǎn)。并利用有限元模擬,將不同剪切間隙和剪切厚度對(duì)小梁區(qū)域的測(cè)量精度的影響進(jìn)行分析。(4)結(jié)合有限元分析的方法,對(duì)材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度進(jìn)行研究,給出了利用雙孔微剪切試驗(yàn)直接獲得接頭屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度的關(guān)系式。對(duì)關(guān)系的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。雙孔微剪切實(shí)驗(yàn)獲得屈服強(qiáng)度誤差小于1.6%,加工硬化指數(shù)誤差小于6.6%。(5)借助不同熱輸入的熱模擬試驗(yàn)技術(shù),獲得以X70管線鋼不同強(qiáng)度和韌性的試樣,并結(jié)合U71鋼軌母材進(jìn)行系列溫度下的韌性測(cè)量。利用設(shè)計(jì)的低溫雙孔微剪切試驗(yàn)裝置獲得溫度—剪切功曲線,該曲線有上下平臺(tái)和明顯的韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)。將試樣剪切功與沖擊功進(jìn)行對(duì)比分析,與溫度-沖擊功曲線有相似性。雙孔微剪切試驗(yàn)的韌脆轉(zhuǎn)變溫度TDHM較沖擊試驗(yàn)的韌脆轉(zhuǎn)變溫度TCVN(50%FATT)低。(6)對(duì)X70管線鋼、U71Mn鋼軌的剪切斷口形貌進(jìn)行分析,隨著溫度的降低,圓角帶區(qū)域在減小,剪切帶面積下降,撕斷帶面積增加,韌脆轉(zhuǎn)變溫度TDHM對(duì)應(yīng)的撕斷帶面積約為60%,剪切帶面積約為40%。(7)應(yīng)用有限元法,對(duì)剪切斷裂過程的微觀機(jī)理進(jìn)行研究,預(yù)測(cè)了材料在剪應(yīng)力作用下的變形行為,材料在斷裂前三向應(yīng)力度-0.4~1.2之間,較缺口尖端的三向應(yīng)力度值大。解釋了利用雙孔微剪切斷裂帶的面積來判斷韌脆轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間的微觀機(jī)理。論證了雙孔微剪切試驗(yàn)方法評(píng)價(jià)焊接接頭微區(qū)韌性的可行性,為雙孔微剪切試驗(yàn)方法今后的研究和工程應(yīng)用提供參考。(8)選擇超窄間隙焊接方法對(duì)X70管線鋼、430鐵素體不銹鋼進(jìn)行焊接,對(duì)U71Mn鋼軌進(jìn)行閃光對(duì)焊法焊接。對(duì)不同焊接方法下的焊接接頭進(jìn)行雙孔微剪切試驗(yàn),得到接頭局部區(qū)域的強(qiáng)度及剪切功與溫度的關(guān)系曲線分布�？芍�,X70管線鋼窄間隙焊接接頭屬于低匹配接頭,焊縫中心的韌脆轉(zhuǎn)變溫度TDHM最低(-80℃),430不銹鋼母材與焊縫屬于高匹配,高溫?zé)嵊绊憛^(qū)韌性相對(duì)較低,TDHM最高(-50℃),鋼軌閃光對(duì)焊焊縫強(qiáng)度低于母材(接近等匹配),且經(jīng)感應(yīng)正火處理的接頭中熱影響區(qū)的TDHM(-12℃)最高。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TG407

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