雙孔微剪切法評定焊接接頭局部力學(xué)性能.pdf

1、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，對接頭的強度及斷裂韌性有著重要的影響。近年來，研究的焦點都集中在接頭力學(xué)性能不均勻性對焊接構(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度設(shè)計及韌性評定的方法的研究較少。因此，開展

2、焊接接頭局部力學(xué)性能評定方法的研究，對于焊接接頭的強韌性設(shè)計和結(jié)構(gòu)可靠性評定具有重要的意義。
　　焊接接頭熱影響區(qū)是整個接頭最薄弱的環(huán)節(jié)，其寬度僅有零點幾個毫米，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)性能評價方法，如小沖桿法、微剪切法、壓痕法等，很難準(zhǔn)確對其進行評價。本文創(chuàng)新性的提出一種新型的檢測焊接接頭局部力學(xué)性能的方法—雙孔微

3、剪切法，該方法無須制備試樣，直接在待測區(qū)鉆兩孔，兩孔之間的區(qū)域形成小梁，對其進行剪切試驗，實現(xiàn)對接頭的局部強度和韌性進行評價。研制了試驗裝置，可對在線服役設(shè)備的局部力學(xué)性能進行現(xiàn)場測量，對這種測試方法進行相關(guān)的理論分析。
　　研究在以下幾個方面獲得了一些結(jié)果：
　　(1)根據(jù)雙孔微剪切試驗評價焊接接頭局部力學(xué)性能的要求，通過三種試驗執(zhí)行機構(gòu)的改進，研制了可實現(xiàn)自動化和現(xiàn)場測量的試驗裝置?；居沈?qū)動加載剪切單元、位移-載荷檢測

4、單元、裝置固定單元、電路控制單元四部分組成。可實現(xiàn)對焊接接頭各微區(qū)力學(xué)性能的檢測。
　　(2)研究剪切間隙、剪切厚度和加載速率三個參數(shù)對測量重復(fù)性的影響。一定范圍內(nèi)，加載速率對剪應(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，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的有限元模型，結(jié)合有限元模擬計算，得到與實驗相吻合的載荷-位移曲線。分析了雙孔微剪切從

5、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，可以預(yù)測初始裂紋的發(fā)生點。并利用有限元模擬，將不同剪切間隙和剪切厚度對小梁區(qū)域的測量精度的影響進行分析。
　　(4)結(jié)合有限元分析的方法，對材料的屈服強度、抗拉強度進行研究，給出了利用雙孔微剪切試驗直接獲得接頭屈服強度、抗拉強度的關(guān)系式。對關(guān)系的可靠性進行了驗證。雙孔微剪切實驗獲得屈服強度誤差

6、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技術(shù)，獲得以X70管線鋼不同強度和韌性的試樣，并結(jié)合U71鋼軌母材進行系列溫度下的韌性測量。利用設(shè)計的低溫雙孔微剪切試驗裝置獲得溫度—剪切功曲線，該曲線有上下平臺和明顯的韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)。將試樣剪切功與沖擊功進行對比分析，與溫度-沖擊功曲線有相似性。雙孔微剪切試驗的韌脆轉(zhuǎn)變溫度TDHM較沖擊試驗的韌脆轉(zhuǎn)變溫度TCVN(50%FATT)低。
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7、對X70管線鋼、U71Mn鋼軌的剪切斷口形貌進行分析，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，對剪切斷裂過程的微觀機理進行研究，預(yù)測了材料在剪應(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)間的微觀機理。論證了雙

8、孔微剪切試驗方法評價焊接接頭微區(qū)韌性的可行性，為雙孔微剪切試驗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X70管線鋼、430鐵素體不銹鋼進行焊接，對U71Mn鋼軌進行閃光對焊法焊接。對不同焊接方法下的焊接接頭進行雙孔微剪切試驗，得到接頭局部區(qū)域的強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