【摘要】：低合金高強鋼以其優(yōu)異的力學(xué)強度、延展性能以及焊接性能等,被廣泛應(yīng)用于船舶制造、汽車制造、核電工程等眾多工程領(lǐng)域。由于合金元素的影響,不同牌號低合金高強鋼焊接過程中固態(tài)相變的力學(xué)行為存在顯著差異,給焊接殘余應(yīng)力和變形預(yù)測帶來了一定的不確定性。因此,研究低合金高強鋼焊接過程中固態(tài)相變和接頭力學(xué)性能的建模方法,以及不同冷速條件下相變、組織和應(yīng)力應(yīng)變的耦合關(guān)系成為了近年來的研究熱點。對于成分復(fù)雜的低合金高強鋼,在焊接過程中通常會發(fā)生多種不同類型的固態(tài)相變,這給相變模型的建立以及有限元仿真帶來了極大的困難。一方面,傳統(tǒng)的相變模型在描述多相組織轉(zhuǎn)變及混合相力學(xué)性能時,準(zhǔn)確性較差,且較難描述合金元素對固態(tài)相變速率的影響,同時,也無法針對不同材料進行統(tǒng)一建模。另一方面,針對焊接過程中接頭界面性能的變化,傳統(tǒng)模型也較難有效描述溫度、組織和接頭界面性能之間的關(guān)系,無法準(zhǔn)確預(yù)測焊接過程中變形以及殘余應(yīng)力的演變過程。因此,如何建立多場耦合模型來有效描述低合金高強鋼的相變行為,并在此基礎(chǔ)上研究焊接過程中溫度、組織和焊接接頭力學(xué)性能與焊接變形和殘余應(yīng)力之間的關(guān)系是本文的研究重點。首先,本文采用Gleeble-3500熱模擬試驗機對多種低合金高強鋼材料進行熱力學(xué)性能研究,結(jié)合光學(xué)顯微鏡(optical microscope,OM)和掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)的檢測分析,討論了不同低合金鋼在多種冷卻條件下的相變組織特征和力學(xué)行為。在試驗結(jié)果和有限元模擬的基礎(chǔ)上,通過誤差分析,提出了優(yōu)化的馬氏體相變模型并與Koistinen-Marburger方程進行了對比,證明了優(yōu)化的馬氏體相變模型能夠更加準(zhǔn)確的描述低合金鋼的馬氏體相變過程。為了進一步驗證優(yōu)化模型的準(zhǔn)確性和適用性,采用Gleeble-3500熱模擬試驗機進行了單軸約束試驗并進行了有限元數(shù)值模擬,討論了相變機制對單軸應(yīng)力應(yīng)變演變的影響。以304L不銹鋼、16MND5和Weldox960材料為研究對象,采用實驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,深入研究了焊接過程中瞬態(tài)應(yīng)力應(yīng)變的演變規(guī)律。一方面,在實驗的基礎(chǔ)上,建立了三維多場耦合模型,綜合考慮了力學(xué)熔點、加工硬化、固態(tài)相變以及混合相力學(xué)性能對焊接應(yīng)力應(yīng)變的影響,高效、準(zhǔn)確地模擬不同相變類型材料的焊接殘余應(yīng)力。另一方面,通過設(shè)計合理的實驗方案,測量了不同相變類型材料的焊接殘余應(yīng)力,并研究其分布特征,驗證了數(shù)值模擬計算的準(zhǔn)確性。結(jié)合實驗結(jié)果和數(shù)值模擬計算結(jié)果,討論了材料力學(xué)性能、力學(xué)熔點、加工硬化、固態(tài)相變等對殘余應(yīng)力形成的影響,并提出了基于相變和力學(xué)熔點的瞬態(tài)應(yīng)力應(yīng)變分布圖。進一步在多場耦合模型的基礎(chǔ)上,針對固態(tài)相變、焊縫熔合過程、有效熔深和焊腳尺寸等因素對焊接接頭力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)剛強度的影響,提出了熱-力界面單元模型,并研究了焊接順序?qū)型接頭焊接變形的影響。通過對比試驗結(jié)果和計算結(jié)果,發(fā)現(xiàn)熱-力界面單元模型能夠更加準(zhǔn)確的預(yù)測多條焊縫的大型結(jié)構(gòu)的焊接變形,證明了在進行T型接頭焊接有限元模擬時,引入界面單元模型的必要性和準(zhǔn)確性。同時,針對微觀晶粒界面的力學(xué)性能描述,進一步提出了溫度-組織-位移界面單元模型。通過對兩種不同多晶模型在不同約束和位移載荷條件下的開裂行為進行研究,驗證了溫度-組織-位移界面單元模型在描述裂紋形成和擴展過程中的適用性和有效性,并探討了裂紋萌生和擴展的影響因素。在模型探討的基礎(chǔ)上,將多場耦合模型和界面單元模型應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接變形和殘余應(yīng)力的預(yù)測。通過對實驗結(jié)果和計算結(jié)果進行對比,分析了大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力及變形規(guī)律,并進一步驗證了多場耦合模型和界面單元模型的準(zhǔn)確性。
【圖文】：

驗以及計算工作，提出了針對加工硬化、組織轉(zhuǎn)變、相變應(yīng)變、合相力學(xué)性能等的多種耦合模型，試圖實現(xiàn)對多場耦合關(guān)系進行全于合金元素的影響，低合金鋼的相變機制、力學(xué)性能以及“力學(xué)，采用傳統(tǒng)的相變模型和“力學(xué)熔點”模型來描述會產(chǎn)生較大誤差金高強鋼焊接等熱加工過程中耦合模型的建立，文獻中較多針對合，很少有完整耦合模型的報道，而國內(nèi)針對這方面的研究仍然

K. Tsuzaki 等人則從熱力學(xué)出發(fā)，考慮了馬氏體形核的概率 ρprob，建立了馬氏體相變動力學(xué)方程[124, 125]。然而，對于成分更加復(fù)雜的低合金鋼，K-M 方程并不能準(zhǔn)確的描述馬氏體的體積分?jǐn)?shù)。Lee 等人通過對 29 種低合金鋼進行試驗分析，提出了基于合金元素和晶粒尺寸的馬氏體相變模型[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為馬氏體體積分?jǐn)?shù)，C 為碳當(dāng)量，T 為溫度。相比 K-M 方程來說，采用公式（1-8）能夠更為準(zhǔn)確的預(yù)測不同溫度下馬氏體的體積分?jǐn)?shù)，如圖 1-2 所示，，M50和 M90分別是馬氏體體積分?jǐn)?shù)為 50%和 90%時的溫度。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG457.11

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本文編號：2559194