【摘要】：本文通過超聲疲勞實(shí)驗(yàn)、模擬應(yīng)力集中、探測殘余應(yīng)力及焊接接頭表面晶粒細(xì)化來探究超聲沖擊對(duì)P355NL1鋼焊接接頭超高周疲勞性能的影響。試驗(yàn)將試樣分成5組,分別是圓柱狀母材試樣、板狀母材試樣、圓柱狀焊接接頭試樣、板狀焊接接頭試樣和超聲沖擊態(tài)試樣。五組試樣進(jìn)行超聲疲勞試驗(yàn),獲得五組疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)和S-N曲線,對(duì)比五組試驗(yàn)數(shù)據(jù),得到超聲沖擊對(duì)P355NL1鋼焊接接頭的超高周疲勞性能影響。利用掃描電鏡(SEM)觀察五組試樣的疲勞失效斷口形貌,探究其疲勞失效模式。通過ANSYS有限元軟件、殘余應(yīng)力測試儀、金相顯微鏡及透射電鏡(TEM)探究應(yīng)力集中、殘余應(yīng)力、焊根表面晶粒細(xì)化的作用下,超聲沖擊影響焊接接頭超高周疲勞性能的機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果表明:1.由試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合S-N曲線,得到曲線方程。板狀母材試樣:lgN+34.72lgΔσ=90.654×10~5"fN"f4.54×10~8;板狀焊態(tài)試樣:lgN+10.64lgΔσ=30.954×10~5"fN"f4.40×10~8;圓柱狀母材試樣:lgN+14.29lgΔσ=44.044×10~5"fN"f3.09×10~8;圓柱狀焊態(tài)試樣:lgN+14.93lgΔσ=44.794×10~5"fN"f5.79×10~8;超聲沖擊態(tài)試樣:lgN+13.55lgΔσ=39.344×10~5"fN"f4.30×10~7,lgN+76.22lgΔσ=186.22 4.30×10~7"fN"f5.42×10~8。2.在同等疲勞壽命情況下,圓柱狀試樣的疲勞強(qiáng)度要遠(yuǎn)高于板狀試樣。在1.0×10~6周次疲勞壽命下,圓柱母材的疲勞強(qiáng)度是板狀母材的1.68倍,圓柱狀焊態(tài)的疲勞強(qiáng)度更是板狀焊態(tài)的1.80倍。超聲沖擊態(tài)試樣與板狀焊態(tài)試樣相比較,疲勞性能有很大的提升。在1.0×10~8周次疲勞壽命下,超聲沖擊試樣的疲勞強(qiáng)度為217MPa,而板狀焊態(tài)試樣則是143MPa,疲勞強(qiáng)度提升了51.7%。在試驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)試樣在超高周壽命區(qū)間("g10~7周次)還是會(huì)發(fā)生疲勞失效,所以不存在傳統(tǒng)意義上的疲勞極限和無限壽命。3.在220MPa的應(yīng)力載荷下,超聲沖擊態(tài)試樣的疲勞壽命為3.98×10~7周次,而板狀焊態(tài)的則為1.06×10~6周次,疲勞壽命提高了37倍,所以超聲沖擊可以大幅延長焊接接頭的疲勞壽命。4.板狀焊接接頭的裂紋擴(kuò)展路徑平直,而超聲沖擊態(tài)的則比較曲折。裂紋擴(kuò)展的過程中呈現(xiàn)的是穿晶斷裂,伴有塑性變形的痕跡。5.對(duì)于圓柱狀母材試樣和焊接接頭試樣,裂紋源大多位于試樣表面的機(jī)械加工微痕,少量試樣位于次表面的夾雜物處,并沒有發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋源位于試樣的內(nèi)部,沒有出現(xiàn)典型的“魚眼”形貌。擴(kuò)展區(qū)斷口面平坦,均能夠觀察到河流花樣和撕裂棱,同時(shí)伴有二次裂紋和解理臺(tái)階。瞬斷區(qū)都是呈現(xiàn)韌窩形貌,這表明圓柱狀母材和焊接接頭的疲勞斷裂機(jī)制為準(zhǔn)解理斷裂。6.對(duì)于板狀焊接接頭試樣與超聲沖擊態(tài)試樣,斷裂機(jī)制差別不大,大部分裂紋都是萌生于焊跟處,區(qū)別在于板狀焊接接頭試樣裂紋萌生于表面,而沖擊態(tài)試樣則萌生于次表面,裂紋擴(kuò)展區(qū)呈現(xiàn)撕裂棱和二次裂紋形貌。瞬時(shí)斷裂區(qū)呈現(xiàn)韌窩形貌,且底部有第二相粒子。這說明超聲沖擊態(tài)試樣和板狀焊接接頭試樣疲勞失效為準(zhǔn)解理斷裂。這說明超聲沖擊處理并不會(huì)改變焊接接頭高周及超高周的疲勞失效機(jī)理。7.超聲沖擊作用在焊接接頭焊根處表面,能夠增大母材與焊縫之間的圓弧過渡半徑。焊態(tài)試樣應(yīng)力集中系數(shù)K_(t1)=1.82,沖擊態(tài)試樣應(yīng)力集中系數(shù)K_(t2)=1.35,應(yīng)力集中系數(shù)下降了25.8%。所以,超聲沖擊可以明顯改善焊接接頭的應(yīng)力集中狀況。8.焊態(tài)試樣焊根處的X方向殘余拉應(yīng)力達(dá)到11.1MPa,Y方向殘余拉應(yīng)力則為20.2MPa。經(jīng)過超聲沖擊處理以后,焊根處的殘余拉應(yīng)力被殘余壓應(yīng)力所取代,沖擊態(tài)試樣X方向殘余壓應(yīng)力達(dá)到-40.5MPa,Y方向殘余壓應(yīng)力則為-23.6MPa。超聲沖擊將焊根處的殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變成殘余壓應(yīng)力,這將使得裂紋尖端的臨界應(yīng)力因子ΔK_(th)值增大,延長試樣的疲勞壽命。9.超聲沖擊參數(shù)為5min/1.5A、10min/1.5A、20min/1.5A的條件下,其晶粒平均尺寸分別大約為400nm,300nm,200nm。三組試樣的沖擊變形層的厚度分別約為300μm、460μm、600μm。在沖擊電流一定的情況下,沖擊時(shí)間越長其塑性變形層厚度越深。10.超聲沖擊細(xì)化焊跟表層晶粒組織大概是如下幾個(gè)過程:一、超聲沖擊產(chǎn)生高頻能量作用在焊接接頭焊根表面,表層組織發(fā)生劇烈塑性變形,原始晶粒內(nèi)部產(chǎn)生大量位錯(cuò);二、隨著沖擊時(shí)間的增加,位錯(cuò)間會(huì)產(chǎn)生相互作用,互相糾纏形成位錯(cuò)纏結(jié)和位錯(cuò)墻;三、沖擊時(shí)間的增加使得應(yīng)變量在逐漸增加,位錯(cuò)之間的距離在不斷減小,位錯(cuò)墻和位錯(cuò)纏結(jié)會(huì)逐步轉(zhuǎn)變成小角度亞晶界;四、高密度的位錯(cuò)在亞晶界處繼續(xù)相互作用,使得晶界兩側(cè)的取向越來越大,小角度亞晶界逐步轉(zhuǎn)化成大角度晶界,形成亞晶。
【學(xué)位授予單位】：華東交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG407

【參考文獻(xiàn)】

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4 何柏林;魏康;;高強(qiáng)度鋼超高周疲勞試樣設(shè)計(jì)[J];材料導(dǎo)報(bào);2015年22期

5 賀文雄;肖昌輝;史菲;趙洪運(yùn);李思昊;易傳佩;;實(shí)時(shí)超聲沖擊消減焊接殘余應(yīng)力[J];焊接學(xué)報(bào);2015年08期

6 馮璐璐;李全通;尹志朋;高星偉;;表面激光沖擊強(qiáng)化對(duì)鈦合金超高周彎曲疲勞性能的影響[J];機(jī)械工程材料;2015年08期

7 馬婧;趙子華;聶寶華;鄭志騰;張崢;;TC21鈦合金電子束焊接接頭超高周疲勞行為研究[J];機(jī)械工程學(xué)報(bào);2015年12期

8 朱海洋;劉川;鄒家生;;超聲沖擊對(duì)海洋工程大厚度高強(qiáng)鋼焊接殘余應(yīng)力的影響[J];江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2015年03期

9 解瑞軍;邱小明;陳芙蓉;史志銘;;超聲沖擊實(shí)現(xiàn)7A52鋁合金焊接接頭表面納米化[J];焊接學(xué)報(bào);2014年12期

10 陶傳琦;吳向陽;王秋影;楊曉益;;SMA490BW耐候鋼激光-MAG復(fù)合焊與MAG焊對(duì)比研究[J];電焊機(jī);2014年12期

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4 丁然;認(rèn)知不確定性下高速鐵道客車轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架疲勞可靠性研究[D];電子科技大學(xué);2013年

5 龔寶明;金屬超聲表面滾壓加工納米化研究[D];天津大學(xué);2008年

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本文編號(hào)：2649995