采用奧氏體型焊材焊接的10Ni5CrMoV鋼接頭疲勞特性研究.pdf

1、10Ni5CrMoV鋼是我國自主開發(fā)的一種屈服強度為785MPa級別的船體結構用高強度高韌性調質鋼，應用于大剛性節(jié)點焊接時選用0Cr18Ni24Mo6N奧氏體焊條以避免產(chǎn)生焊接冷裂紋；疲勞是引起船體結構失效的主要原因之一，一直以來都是船體結構設計建造關注的重點；對于采用0Cr18Ni24Mo6N奧氏體焊條焊接10Ni5CrMoV鋼形成的―鐵素體-奧氏體-鐵素體‖異種材質焊接接頭（簡稱―F-A-F異質接頭‖），其疲勞行為一直未有研究。本文

2、針對影響焊接接頭疲勞行為的材料和應力應變兩大因素開展了母材和焊縫金屬的循環(huán)應力應變本構關系研究、平面應力和平面應變力學狀態(tài)下 F-A-F異質接頭疲勞特性研究、焊趾應力應變計算式推導等工作。
　　試驗測定了系列應變幅條件下10Ni5CrMoV鋼和0Cr18Ni24Mo6N焊縫金屬的循環(huán)應力應變曲線，分析揭示了兩者的循環(huán)應力應變特性：（1）循環(huán)塑性應變顯著降低材料的屈服強度；（2）應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、3）同一應變幅條件下應力增大階段和應力較小階段的應力應變曲線旋轉對稱；（4）屈服強度隨應變幅的增大呈線性降低特性；（5）表觀模量隨應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力和塑性應變滿足單對數(shù)關系。在此基礎上，提出了描述循環(huán)應力應變關系的單對數(shù)強化彈塑性本構方程，并分別基于線性強化彈塑性模型、冪強化彈塑性模型和單對數(shù)強化彈塑性模型給出了10Ni5CrMoV鋼和配套0Cr18Ni24Mo6N奧氏體焊條焊縫金屬在循環(huán)塑性應變

4、條件下的本構方程。
　　采用數(shù)值模擬方法分析了平面應力狀態(tài) F-A-F異質接頭循環(huán)應力應變特征，并設計了近似平面應力力學狀態(tài)的薄片試件開展了F-A-F異質接頭的疲勞試驗，獲得了10Ni5CrMoV鋼奧氏體接頭在平面應力狀態(tài)下的疲勞S-N曲線、探明了其疲勞特性：（1）F-A-F異質接頭中奧氏體焊縫金屬的低屈服應力使其對母材的約束較弱，與承受相同疲勞載荷的等強鐵素體焊縫接頭相比焊趾應力參量值（峰值、谷值、平均值和幅值）低；（2）平面應

5、力 F-A-F異質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到70％以上；（3）各種疲勞載荷作用下的F-A-F異質接頭雖然緊貼熔合線的奧氏體焊縫一側應變參量（峰值、谷值、平均值和幅值）均高于鐵素體一側，但疲勞裂紋在焊趾處啟裂后均垂直載荷方向向母材內部擴展。
　　采用數(shù)值模擬方法分析了平面應變狀態(tài) F-A-F異質接頭循環(huán)應力應變特征，并設計了近似平面應變力學狀態(tài)的管板封閉焊縫接頭試件開展 F-A-F異質

6、接頭的疲勞試驗，探明了10Ni5CrMoV鋼奧氏體接頭在平面應變狀態(tài)下的疲勞特性：（1）應力集中部位的局部塑性變形會產(chǎn)生―應力反向‖效應，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)應力，引發(fā)疲勞裂紋在焊趾處啟裂并擴展；（2）在平面應變狀態(tài)的力學強拘束、奧氏體焊縫金屬彈性模量和屈服應力遠低于鐵素體母材及泊松比遠高于鐵素體母材的綜合作用下，平面應變 F-A-F異質接頭焊趾奧氏體一側沿載荷方向的應力

7、和應變的峰值和幅值均高于鐵素體一側、致使疲勞裂紋在焊趾奧氏體一側啟裂并沿熔合面擴展一段距離后才進入母材繼續(xù)擴展。
　　在考慮初始殘余應力的前提下，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

8、等五種循環(huán)載荷條件推導建立了線性強化、冪強化和單對數(shù)強化等三種彈塑性材料焊接接頭在平面應力狀態(tài)下的焊趾應力應變峰值和谷值的計算式；并針對 F-A-F異質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)值計算結果給出了焊趾理論應力集中系數(shù)Kt的修正系數(shù)Km的計算式。
　　本文研究結果―10Ni5CrMoV鋼和0Cr18Ni24Mo6N奧氏體焊縫金屬循環(huán)應力應變本構關系‖、―10Ni5CrMoV鋼奧氏體接頭在平面應力和平面應變