10Ni5Cr Mo V鋼是我國自主開發(fā)的一種屈服強(qiáng)度為785MPa級別的船體結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度高韌性調(diào)質(zhì)鋼,應(yīng)用于大剛性節(jié)點焊接時選用0Cr18Ni24Mo6N奧氏體焊條以避免產(chǎn)生焊接冷裂紋;疲勞是引起船體結(jié)構(gòu)失效的主要原因之一,一直以來都是船體結(jié)構(gòu)設(shè)計建造關(guān)注的重點;對于采用0Cr18Ni24Mo6N奧氏體焊條焊接10Ni5Cr Mo V鋼形成的 鐵素體-奧氏體-鐵素體‖異種材質(zhì)焊接接頭(簡稱 F-A-F異質(zhì)接頭‖),其疲勞行為一直未有研究。本文針對影響焊接接頭疲勞行為的材料和應(yīng)力應(yīng)變兩大因素開展了母材和焊縫金屬的循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系研究、平面應(yīng)力和平面應(yīng)變力學(xué)狀態(tài)下F-A-F異質(zhì)接頭疲勞特性研究、焊趾應(yīng)力應(yīng)變計算式推導(dǎo)等工作。試驗測定了系列應(yīng)變幅條件下10Ni5CrMo V鋼和0Cr18Ni24Mo6N焊縫金屬的循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線,分析揭示了兩者的循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變特性:(1)循環(huán)塑性應(yīng)變顯著降低材料的屈服強(qiáng)度;(2)應(yīng)變幅恒定條件下材料無明顯的循環(huán)硬化或循環(huán)軟化現(xiàn)象;(3)同一應(yīng)變幅條件下應(yīng)力增大階段和應(yīng)力較小階段的應(yīng)力應(yīng)變曲線旋轉(zhuǎn)對稱;(4)屈服強(qiáng)度隨應(yīng)變幅的增大呈線性降低特性;(5)表觀模量隨應(yīng)變幅的增大呈線性降低特性;(6)循環(huán)塑性變形階段屈服應(yīng)力和塑性應(yīng)變滿足單對數(shù)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上,提出了描述循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的單對數(shù)強(qiáng)化彈塑性本構(gòu)方程,并分別基于線性強(qiáng)化彈塑性模型、冪強(qiáng)化彈塑性模型和單對數(shù)強(qiáng)化彈塑性模型給出了10Ni5Cr Mo V鋼和配套0Cr18Ni24Mo6N奧氏體焊條焊縫金屬在循環(huán)塑性應(yīng)變條件下的本構(gòu)方程。采用數(shù)值模擬方法分析了平面應(yīng)力狀態(tài)F-A-F異質(zhì)接頭循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變特征,并設(shè)計了近似平面應(yīng)力力學(xué)狀態(tài)的薄片試件開展了F-A-F異質(zhì)接頭的疲勞試驗,獲得了10Ni5Cr Mo V鋼奧氏體接頭在平面應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞S-N曲線、探明了其疲勞特性:(1)F-A-F異質(zhì)接頭中奧氏體焊縫金屬的低屈服應(yīng)力使其對母材的約束較弱,與承受相同疲勞載荷的等強(qiáng)鐵素體焊縫接頭相比焊趾應(yīng)力參量值(峰值、谷值、平均值和幅值)低;(2)平面應(yīng)力F-A-F異質(zhì)接頭啟裂壽命占斷裂總壽命的比例較高,所試驗的各載荷條件下啟裂壽命占比均達(dá)到70%以上;(3)各種疲勞載荷作用下的F-A-F異質(zhì)接頭雖然緊貼熔合線的奧氏體焊縫一側(cè)應(yīng)變參量(峰值、谷值、平均值和幅值)均高于鐵素體一側(cè),但疲勞裂紋在焊趾處啟裂后均垂直載荷方向向母材內(nèi)部擴(kuò)展。采用數(shù)值模擬方法分析了平面應(yīng)變狀態(tài)F-A-F異質(zhì)接頭循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變特征,并設(shè)計了近似平面應(yīng)變力學(xué)狀態(tài)的管板封閉焊縫接頭試件開展F-A-F異質(zhì)接頭的疲勞試驗,探明了10Ni5CrMo V鋼奧氏體接頭在平面應(yīng)變狀態(tài)下的疲勞特性:(1)應(yīng)力集中部位的局部塑性變形會產(chǎn)生 應(yīng)力反向‖效應(yīng),使承受 拉-拉‖循環(huán)載荷或 壓-壓‖循環(huán)載荷的焊接接頭焊趾部位實際均承受 拉-壓‖循環(huán)應(yīng)力,引發(fā)疲勞裂紋在焊趾處啟裂并擴(kuò)展;(2)在平面應(yīng)變狀態(tài)的力學(xué)強(qiáng)拘束、奧氏體焊縫金屬彈性模量和屈服應(yīng)力遠(yuǎn)低于鐵素體母材及泊松比遠(yuǎn)高于鐵素體母材的綜合作用下,平面應(yīng)變F-A-F異質(zhì)接頭焊趾奧氏體一側(cè)沿載荷方向的應(yīng)力和應(yīng)變的峰值和幅值均高于鐵素體一側(cè)、致使疲勞裂紋在焊趾奧氏體一側(cè)啟裂并沿熔合面擴(kuò)展一段距離后才進(jìn)入母材繼續(xù)擴(kuò)展。在考慮初始?xì)堄鄳?yīng)力的前提下,分別針對循環(huán)承載中焊趾僅發(fā)生彈性變形、最大載荷下焊趾發(fā)生塑性變形但最小載荷下焊趾未發(fā)生二次塑性變形、最大載荷下焊趾發(fā)生塑性變形且最小載荷下焊趾發(fā)生二次塑性變形、最大載荷下接頭整體發(fā)生塑性變形但最小載荷下焊趾未發(fā)生二次塑性變形、最大載荷下接頭整體發(fā)生塑性變形且最小載荷下焊趾發(fā)生二次塑性變形等五種循環(huán)載荷條件推導(dǎo)建立了線性強(qiáng)化、冪強(qiáng)化和單對數(shù)強(qiáng)化等三種彈塑性材料焊接接頭在平面應(yīng)力狀態(tài)下的焊趾應(yīng)力應(yīng)變峰值和谷值的計算式;并針對F-A-F異質(zhì)接頭焊縫金屬和母材金屬彈性模量存在較大差異的特性、基于數(shù)值計算結(jié)果給出了焊趾理論應(yīng)力集中系數(shù)Kt的修正系數(shù)Km的計算式。本文研究結(jié)果 10Ni5Cr Mo V鋼和0Cr18Ni24Mo6N奧氏體焊縫金屬循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系‖、 10Ni5Cr Mo V鋼奧氏體接頭在平面應(yīng)力和平面應(yīng)變力學(xué)狀態(tài)的疲勞特性‖、 考慮初始?xì)堄鄳?yīng)力的平面應(yīng)力接頭焊趾應(yīng)力應(yīng)變計算式‖和 反映焊縫金屬和母材金屬彈性模量差異性的焊趾理論應(yīng)力集中系數(shù)的修正系數(shù)計算式‖可以為10Ni5Cr Mo V鋼焊接接頭的可靠性設(shè)計提供技術(shù)支撐。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TG407
【部分圖文】：

Fig.1-1 Weld cold crack sensitivity of 10Ni5CrMoV steel[6]表 1-3 0Cr18Ni24Mo6N 焊縫金屬化學(xué)成分[11]le1-3 Chemical compositions of 0Cr18Ni24Mo6N weld meta)錳Mn (%)鉻Cr (%)鎳Ni (%)鉬Mo (%)釩V (%)P 1.51 16.73 22.30 6.17 0.286 表 1-4 0Cr18Ni24Mo6N 焊縫金屬力學(xué)性能[11]le1-4 Mechanical parameters of 0Cr18Ni24Mo6N weld meta抗拉強(qiáng)度Rm(MPa)斷后延伸率A (%)斷面收縮率Z (%)室694 40.5 58

幾個小時甚至幾天后才發(fā)生，因而又稱的產(chǎn)生是淬硬組織、拉應(yīng)力和擴(kuò)散氫綜接冷裂紋的關(guān)鍵因素，1946 年 Mallet 等的電弧氣氛中氫含量對焊道下裂紋發(fā)生如圖 1-4 所示）[37]。

圖 1-5 氫在液態(tài)鐵中的溶解度Fig.1-5 Solubility of hydrogen in liquid iron（2）焊縫冷卻階段氫大量逸出的氫在鐵基合金中的溶解度和擴(kuò)散系數(shù)隨在 BCC 結(jié)構(gòu)的 α-Fe 中的溶解度小、擴(kuò)[43]

本文編號：2807613