（材料加工工程专业论文）强度匹配对低合金高强钢焊接接头断裂行为影响的综合研究.pdf

天津大学硕士论文摘要 摘要 本文依据b s 7 4 4 8 对不同强度匹配下的低合金高强钢焊接接头的断裂韧度 进行测试，研究强度匹配对其影响。同时，基于“合于使用”原则，通过宽板拉 伸试验评定了超细晶粒钢s s 4 0 0 及其焊接接头的断裂行为。在试验的基础上，采 用有限元数值模拟的方法分析强度匹配对三点弯曲试样和中心裂纹拉伸试样裂 尖应力场的影响。 f 三点弯曲试验和数值计算结果表明：高匹配使h a z 裂尖张开应力和应力三轴 、 度增大，若h a z 韧性储备足够时，考虑到高匹配对w e l d 裂纹试样有利，所以 一般选用高匹配对提高试样抗断性能有利。 宽板拉伸试验和数值计算结果表明：高匹配时，虽然裂尖张开应力和应力三 轴度增大，但如果热影响区的韧性储备足够，h a z 受到高匹配焊缝的保护，h a z 试样更容易发生全面屈服变形。 因此，对于低合金高强钢，如果h a z 的韧性储备足够，选用高匹配接头有 利于试样抗断性能的发挥。 关键词：! 吟金高强钢，焊接接头，不均匀性，断裂韧度，有b 睦元，“合于使用” 应力三轴度 天津大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ef r a c t u r et o u g h n e s so f h s l a ( h i g h s 仃e n g t ha n d l o w m l o y ) s t e e l w e l d e dj o i n tw i t hd i f f e r e n ts 仃e n g t hm i s m a t c h i n gh a sb e e nm e a s u r e di na c c o r d a n t w i t hb s 7 4 4 8t o i n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c eo fs t r e n g t hm i s - m a t c h i n g b a s e do nt h e “f i t n e s sf o rp u r p o s e ”p r i n c i p l e ，t h ef r a c t u r eb e h a v i o ro ft h eu l t r a f i n es t e e ls s 4 0 0a n d i t sw e l d e d j o i n ti sa s s e s s e dv i aw i d e - p l a t et e n s i l et e s t s t h es t r e s sf i e l d si nt h ev i c i n i t y o fc r a c kt i po f t h r e e - p o i n tb e n ds p e c i m e n sa n dc e n t r a lc r a c k e dt e n s i l es p e c i m e n sa r e i n v e s t i g a t e db yu s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) a c c o r d i n gt o t h e t h r e e p o i n t b e n dt e s t sa n dt h er e s u l to ff e ma n a l y s i s ， o v e r m a t c h i n ga u g m e n t st h ev a l u eo ft h ec r a c ko p e n i n gs t r e s sa n dt h es t r e s st r i a x i a l i t y o ft h eh a z c r a c k e ds p e c i m e n h o w e v e r , i ft h et o u g h n e s so fh a zi s g o o de n o u g h ， c o n s i d e r i n go v e r m a t c h i n gi sb e n e f i tf o rw e l d - c r a c k e ds p e c i m e n ，i ti sf a v o r a b l et o c h o o s eo v e r m a t c h i n g - j o i n tt oi m p r o v et h ef r a c t u r eb e h a v i o r o f w e l d e d j o i n t t h er e s u l to f w i d e p l a t et e n s i l ee x p e r i m e n ta n d i t sf e m a n a l y s i si n d i c a t et h a ti f t h et o u g h n e s so fh a zi sg o o d e n o u g h ，o w i n g t ot h ed e f o r m a t i o ni nh a zi sp r o t e c t e d b ya d j a c e n to v e r m a t c h i n gw e l d - m e t a l ，t h eg e n e r a ly i e l d i n gi se a s i l yo c c u r r e di nh a z s p e c i m e n i ng e n e r a l ，i ft h et o u g h n e s so fh a zi sg o o de n o u g h ，o v e r m a t c h i n gi sb e n e f i tf o r t h e h s l a s t e e l ，c o n s i d e r i n g f r a c t u r e b e h a v i o r o f t h e w e l d e d j o i n t k e yw o r d s ： h s l as t e e l ，w e l d e dj o i n t ，h e t e r o g e n e i t y , f r a c t u r et o u g h n e s s ， f e m ，f i t n e s sf o rp u r p o s e ，s t r e s st r i a x i a l i t y i i 天津大学硕士学位论文 符号说明 符号说明 j ：j 积分参量 c t o d ：裂纹尖端张开位移参量 占：裂纹尖端张开位移参量 。m m ：平均应力分量，。= p ，+ 仃z 十吧) 彳 o e q ：m i s e s 等效应力，盯。= p 一盯z ) 2 + p ，一q ) 2 + ( 一) 2 髟 0 1 、a 2 、0 3 ：某一点主应力分量 r 。：应力三轴度参量 o 。：材料的屈服强度 ：材料的抗拉强度 e ：材料的弹性模量 a t 裂纹长度( 三点弯试件) ，裂纹半长( 中心裂纹板) a d ：裂纹扩展量 a o ：初始裂纹长度 b ：试件厚度 w ：试件高度 l ：试件长度 k c ：裂纹临界应力强度因子 巧。：临界裂纹尖端张开位移 5 。：最大载荷裂纹尖端张开位移 占。：脆性失稳裂纹尖端张开位移、 k 一：i 型加载应力强度因子 。y y ：垂直于裂纹方向( y 方向) 正应力 j ，：试样几何形状因子 ”：泊松比 ：p _ v 曲线上对应的夹式引伸计张开位移的塑性部分 p 。：p v 曲线上所对应的最大载荷值 z ：刀口的厚度 i i l 天津大学硕十学位论文符号说明 b ：试样塑性变形阶段的旋转因子 r ：工程应变 o 。8 、o 。“：分别表示母材和焊缝的屈服强度 f e m ：有限元分析 h a z ：热影响区 w e l d ：焊缝 s 。：等效应变 j 5 ：在裂纹尖端处5 m m 标距内测试的裂纹张开位移量 ：硬化指数 a ：硬化常数 天津大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 低合金高强钢的发展概述及其性能介绍 低合金高强钢是钢铁材料的重要组成部分。一般把合金元素总量在5 以下， 屈服强度在2 8 0 m p a 以上，具有优良的强韧性、耐磨性、耐蚀性和焊接性等优点， 通常以板、带、型管等钢材形式直接提供给用户使用的结构钢，称为低合金高强 钢。低合金高强钢包括一般低合金结构钢和其它一些优质低碳低合金高强钢， 其强度高于含碳量相当的碳素钢，但塑性、韧性和焊接性良好。适用于较重要的 钢结构，如压力容器、电站设备、管道、工程机械、海洋结构、桥梁、船舶、建 筑结构等。低合金高强钢是在低碳结构钢的基础上添加一定量的合金元素以强化 铁素体基体，控制晶粒长大，提高强度、塑性和韧性。一般在热轧条件下供货。 国外低合金高强钢标准，也规定了c 、s 和p 的上限，而且对碳当量的上限、 最高硬度及v 形夏比冲击吸收功的下限均有严格的规定。低合金高强钢根据屈服 点和热处理状态可分为两种：非热处理强化钢和热处理强化钢。 低合金高强钢品种的增多和性能的提高，推动了各个行业产品质量的提高 和品种的升级换代，促进了社会发展和人们生活水平的提高。所以，一个国家低 合金高强钢的开发、生产及应用能力是衡量该国现代化程度的重要标志之一。 国外的低合金高强钢始于1 9 世纪7 0 年代，至今已有1 3 0 多年的发展历史。 从低合金钢的合金系统设计方面来看，大体经历了三个阶段： 第一阶段：1 9 世纪7 0 年代到2 0 世纪2 0 年代。在这一时间内，钢结构采用 铆接方式连接，设计准则为抗拉强度，低合金钢主要采用c 、m n 、s i 等合金元素 强化，为了提高低合金钢的强度，碳含量在0 3 以上，其他合金元素的加入总 量也达到2 - - 3 ，个别钢种甚至更高。 第二阶段：2 0 世纪3 0 年代到6 0 年代之间。这一期间钢结构的设计准则采 用屈服强度，而钢结构的连接方式逐渐由铆接变为焊接。从钢的焊接性角度考虑， 为了防止焊接冷裂纹，要求降低钢的碳含量以及碳当量。低合金钢的发展逐渐由 增加合金含量的固溶强化技术路线，转变为采用低碳多合金元素，并辅以热处理 强化等工艺措施的方向发展。这样，低合金钢的含碳量一般在0 2 以下，并含 天津大学硕士论文第一章绪论 有2 - 4 个合金元素。 第三阶段：2 0 世纪7 0 年代到9 0 年代中期。低合金钢中的碳含量进一步降 低到0 1 以下，甚至到低碳范围，开始使用t i 、v 、n b 等微合金元素，并辅以 冶炼、轧制等工艺措施，进一步提高其力学性能并进一步改善其焊接性。 所以，随着低合金钢应用范围的扩大和种类、数量的增多，人们逐步认识 到仅靠合金化和单纯的热处理来提高钢的综合性能是有限度的。随着经济发展的 全球化和市场竞争的加剧，低合金高强钢的性能与价格比也显得日益重要。于是， 近十余年来，钢铁材料的科研和生产工作者便开始探索采用新型生产工艺与合金 化相结合的技术路线来提高低合金钢的综合性能，降低生产成本。并且在生产工 艺上取得了进步和发展。 我国的低合金高强钢生产始于1 9 5 7 年，自行研制成功的第一个低合金钢 是1 6 m n 。在此之前，一些大型钢结构多采用铆接，采用焊接施工的大型结构所 用的钢材主要依靠进口。为满足国民经济大发展和增强国际间竞争力需求，在 6 0 年代初，国家把发展低合金钢作为我国钢铁工业发展的战略任务之一。3 。经过 我国钢铁材料的科研和生产工作者的不懈努力，钢铁冶炼及加工工艺的技术水平 得到了不断改善和提高。我国钢铁的质量和水平与世界各国之间的差距正在不断 减小。3 ，并已达到了相当的水平，逐渐由钢铁小国发展为钢铁大国，但由于品种 和数量的限制，尤其是低合金钢的品种和性能还不能满足国内工程建设和设备制 造的需要，所以目前我国还不是钢铁强国“1 。 综观国# j 夕t - 低合金高强钢的发展过程可知，早期的低合金高强钢单纯依靠 少量元素合金化作用来提高和改善钢的的性能，不能满足现代化工程结构所需钢 材的综合性能。随着对低合金高强钢各项性能指标要求的提高，越来越体现出通 过生产设备和工艺技术进步提高低合金高强钢性能的重要性。大量新技术、新工 艺，如钢的微合金化、高纯度冶炼、连铸、控轧和控冷在钢铁生产中得到广泛的 应用，极大促进了低合金高强钢性能的提高。 低合金高强钢通过改变钢铁材料中的碳以及其他合金元素，通过固溶强化 相变强化等途径实现显微组织的强化，从而提高钢的强度。或者依靠晶粒超细化， 同时提高强度和韧性。 低合金高强钢性能的发展趋势是：钢的强度将显著提高；钢的韧脆转变温度 天津大学硕士论文第一章绪论 将大幅度降低；钢的焊接性将显著改善“1 。为了满足工程上对更高强度钢材的要 求、充分利用我国丰富的资源特点、减少环境和运输负担，以实现整个社会的可 持续发展；同时为了加速我国向钢铁强国的转变，必须大力发展我国新型的低合 金高强钢。 1 2 强度匹配对焊接接头性能影响研究的概述 强度匹配分为高强匹配、等强匹配和低强匹配三种情况，以下分别简称为 高匹配、等匹配和低匹配。其示意图见图1 1 。 9 b m l w m i b m 【 o v e r m a t c h i n gm a t c h i n gu n d e r m a t c h i n g l gw 口? 口? 口。8口，。 k 。等。结构抗塑性断裂的承载能力( l p ) 正比于材料的强度，而抗脆断破坏的承载能力( 厶劳正比于材料的韧性。保证结构 安全运行的条件显然是实际结构的载荷( ) 同时满足l l p 和l l b o 因此， 正比地增加材料的强度和韧度是提高结构承载能力并保证安全运行的最合理的 匹配。一般来讲实际材料和焊缝的韧度是随着强度的增加而不断下降，这就是实 际存在的矛盾。正是这个矛盾限制了具有更高强度材料的实际工程应用。 对焊接接头，由于存在宏观力学性能不均匀性，所以其变形行为和均质材 料不同，对接接头不同匹配状态下应力一应变关系如图1 2 所示。对于中低强度 钢，由于母材和焊缝都有较高的韧性储备，所以按等强度原则，选择高匹配的焊 接接头显然是合理的，因为焊缝韧性比母材即使有所降低，但并不会影响整个结 构的安全性。而且当垂直于焊缝的载荷使结构发生应变时，由于焊缝区比母材发 生较小的应变( 图1 2 a ) ，焊缝区相当于受到保护，高匹配焊接接头的抗脆断安 全性甚至更高”。 b 1 图1 2 对接接头不同匹配的应力应变关系 口) 超强匹配b ) 低强匹配( w 一焊缝b 一母材j 一接头) 对于超高强度钢，由于强度提高，韧性降低，超高强度钢的韧性储备显著 降低，如果仍然采用等强度原则，选用高匹配焊接接头，焊缝韧性进一步降低， 如此将可能导致由焊缝韧性不足引起的低应力脆性破坏。所以在超高强度钢焊接 天津夫学硕士论文第一章绪论 时采用等韧性原则，选择焊缝韧性不低于基体金属的低匹配焊接接头是合理的。 对于高强度和大型厚板结构，焊接时易产生焊接裂纹，并由此引起脆性断 裂。为避免焊接裂纹，有时采用低匹配接头也取得了较好效果。采用低强度焊缝 并不总是意味着焊接接头的强度低于母材，只要焊缝金属的强度不低于基体8 7 ， 仍可保证接头与母材等强，不过低强焊缝的焊接接头的整体伸长率将有所下降“0 【1 1 】 o 对于高韧性的低匹配焊接接头，在弹性应力区焊缝抗脆断能力显然高于母 材。但在塑性区内，由于焊缝比母材承受更大的工作应变( 图1 2 b ) ，这个因素 将导致低强匹配接头抗脆断能力下降。因此在结构的高应变区使用低强匹配焊缝 时，应使焊缝具有比母材足够商的韧性，方能保证结构整体的抗脆断能力提高。 1 2 2 焊接接头宏观力学性能不均匀性对断裂韧度测试的影响 在评定断裂韧度中，由于焊接接头在焊缝和热影响区( h a z ) 表现出不同的 组织变化，因而将出现特殊的问题。因此任何评价焊接接头韧度的试验都应当考 虑这些不同组织的影响，如果可能的话，对每种组织给定一个韧度因子。这些结 构因子的建立可针对最重要性、薄弱环节以及各区的相对行为来定。然而也不能 完全确定薄弱环节在服役过程中就优先失效。例如，在一些钢中，热影响区的韧 度要比母材或焊缝低，然而此区相当窄，并且很不规则，断裂也许就不局限于此 区，结果断裂行为可能就不反映此区的独立韧度。 由于缺口可以定位于要评价的区域，因而断裂韧度试样适合于特定区域的韧 度测试，然而在特定区域定位初始缺口的位置并不能控制疲劳裂纹的扩展路径， 可能希望在焊接热影响区进行的试验也许最后在焊缝或母材断裂。 试验中的另一个问题是这些区域的复杂特性，热影响区实际上是一系列区。 进一步讲，热影响区不是独立存在的，就如同焊缝和母材一样。热影响区的试验 必须在所在区域进行，或者采用经过模拟热循环处理的试样进行试验。 由于这些原因，大多数焊件的断裂韧度研究包括一系列不同的试验，用于测 定复杂接头区的断裂抗力。 天津大学硕士论文第一章绪论 1 2 3 焊接接头宏观力学性能不均匀性对拉伸强度的影响 设焊缝熔敷金属的屈服点为o 。w ，母材的屈服强度为as b , 在进行焊接接头 拉伸试验时，如果焊缝方向与载荷平行，此时t 7 。”对接头强度的影响不大，断裂 将起源于塑性值最低的焊缝、热影响区或母材部位。如果载荷垂直于焊缝，焊缝 金属的一。w 将对接头强度取重要影响。当接头形式为高匹配时，在弹塑性变形阶 段焊缝金属受母材的保护不易产生变形；当焊接接头为低匹配时，变形将主要集 中在焊缝金属上，因而将对焊接接头的承载能力起重要影响。 焊接接头力学性能不均匀性对拉伸强度的影响还要受到焊缝宽度与试样厚 度的影响。 1 2 4 强度匹配及焊缝宽度对断裂参量c o d 、j 积分的影响n 2 。1 7 3 尽管人们在焊缝及热影响区的断裂力学试验中考虑到了力学性能不均匀 性的影响，但在评估焊接结构的可靠性时，按传统方法计算断裂参量时常常忽略 焊接接头力学性能的不均匀性。我国天津大学、哈尔滨工业大学、清华大学和西 安交通大学等单位对此进行了多年的研究，取得了相当的成果。 根据裂纹在焊接接头的位置和方向，可将其简化成如图1 3 所示的三种模 型，并且以前两种模型最为常用。在用数值法对模型i 进行c o d 和j 积分分析时， 发现j 积分的路径无关性及能量率表达式依然成立。在研究高匹配( 即所谓的软 夹硬接头，简称s h s ) 类型时，当名义应力大到使母材发生局部塑性变形时，c o d 和j 积分值均随焊缝宽度的减小而增大；而对于低匹配( 即所谓的硬夹软接头， 简称h s h ) 的接头类型，c o d 和j 积分值随焊缝宽度的减小而减小。 在研究模型i i 的断裂参量时，r i c e 定义的j 积分路径无关性不再成立。 在用试验方法研究高、低匹配对断裂参量的影响过程中，在研究模型i 的高 强匹配的疲劳裂纹扩展速率时，发现疲劳裂纹扩展速率随焊缝宽度的减小而减 小，这是由于在相同交变载荷条件下，c o d 和j 积分幅值随焊缝宽度的减小而减 小的缘故。 根据全面屈服准则“，天津大学对q 2 3 5 ( 1 6 m n ) 、a 1 3 1 和a 5 3 7 等钢焊接接 头在高匹配情况下的l 临界裂纹长度c l c r ( 对于一种材料，在韧带屈服断裂与全面 屈服断裂之间，存在一极限裂纹尺寸，当构件中的裂纹尺寸a 小于a c t 时，发 天津大学硕士论文第一章绪论 生全面屈服断裂，当a 大于劬值时，则发生韧带屈服断裂) 进行了研究( 模型 i ) ，发现要比等强匹配接头的a 。要大。同时在对非等强匹配焊接接头进行了广 泛系统的研究后，霍立兴教授和张玉风教授等指出，对于静载、动载等各种实际 状况下的焊接接头，在焊缝与母材塑性相同的状况下适当提高焊缝金属的强度有 利于改善焊接接头的抗断裂及止裂性能。”1 9 - 2 1 。 图1 , 3 三种力学不均匀体模型 与等强接头比较，尽管高匹配接头具有较低的韧度，但因焊缝金属受到母材 的屈服保护不易产生塑性变形，其接头的整体性能仍能满足要求；而对于低匹配 接头，由于焊缝中的塑性应变集中作用，即使具有很高的韧度，焊接接头也可能 产生低应力的韧带屈服破坏。 然而，叟田等系统研究强度匹配对接头不同区域断裂韧度的影响，指出当 裂纹存在于h a z 时，由于高匹配焊缝对裂纹尖端变形的拘束作用，使其断裂韧度 降低，并且匹配程度越高，降低越严重o “。 综上所述，强度匹配对焊接接头整体变形行为、抗脆断能力及断裂韧度均 有很大影响。 1 3 本课题的研究意义、目的及主要内容 1 3 1 本课题的研究意义及目的 随着低合金高强钢应用范围的扩大和种类、数量的增多，尤其是低合金高 天津大学硕士论文第一章绪论 强钢广泛用于压力容器、桥梁、工程机械和塔式结构等重要的结构中，研究其抗 断裂性能具有重要意义。而熔焊连接是钢材制成结构时主要的连接方法之一。熔 焊时，由于晶粒长大驱动力与晶粒尺寸成反比，将导致h a z 晶粒的严重粗化，当 h a z 中粗化晶粒区较宽时，焊接接头的性能，尤其是韧性将会恶化 2 n - 2 6 3 。此时不 同匹配条件会对热影响区的断裂韧性产生影响。强度匹配对焊缝及整体性能的影 响研究较多，而很少注意h a z 抗断裂性能的变化。本课题将综合研究强度匹配对 接头抗断裂性能的影响，尤其是强度匹配对h a z 断裂行为的影响，对于评价低合 金高强钢焊接结构的断裂行为具有较重要的经济和社会意义。 1 3 2 本课题研究的主要内容 ( 1 ) 选取几种典型低合金高强钢：6 0 万k w 核电站压力容器用钢a 5 0 8 - i i i 和 2 0 m n h r 、船舶结构用钢e h 3 6 不同匹配接头进行不同温度下的断裂韧度测试，研 究了不同匹配对焊缝、h a z 和母材的断裂韧度的影响。 ( 2 ) 针对母材和h a z 有足够韧性储备的钢种一s s 4 0 0 超细晶粒钢，通过宽板拉 伸试验，基于“全面屈服准则”，研究匹配对接头整体性能的影响。 ( 3 ) 通过有限元数值模拟的方法，研究强度匹配对低合金高强钢焊接接头裂纹 尖端应力场的影响，同时通过对试验结果进行讨论说明，来阐明强度匹配对接头 抗断裂行为的综合影响。 天津大学硕士学位论文第= 章供试材料及试验方法 2 1 供试材料 第二章供试材料及试验方法 本试验使用了新型钢材a 5 0 8 一i i i 、2 0 m n h r 、e h 3 6 和s s 4 0 0 超细晶粒钢等 低合金高强钢。试验对a 5 0 8 一i i i 、2 0 m n h r 、e h 3 6 不同匹配接头，通过三点弯 曲试验研究匹配对不同区域断裂韧度的影响；对韧性良好的超细晶粒钢s s 4 0 0 接头，进行宽板拉伸试验，研究匹配对结构主体性能的影响。它们的力学性能 及化学成分如下。其中a 5 0 8 一i i i 钢选用低匹配接头，2 0 m n h r 、e h 3 6 和s s 4 0 0 超细晶粒钢选用为高匹配接头。 a 5 0 8 i i i 核电站压力容器用钢。低匹配接头。其化学成分及力学性能为： 表2 1a 5 0 8 i l l 钢及熔敷金属的化学成分( w t ) cs ipsm on im n 母材 0 2 00 2 70 0 0 60 0 0 3o 5 30 7 51 4 6 焊缝 0 0 50 1 6o 0 0 50 0 0 60 4 60 8 11 2 9 表2 2a 5 0 8 - i i i 钢及熔敷金属的力学性能 o b f 伸长率 冲击韧性a k v ( j c m 2 ( m p a )( m p a 、( )舀( ) 2 0 1 8 一1 3 0 1 0 母材 6 7 55 4 07 02 32 2 02 1 12 0 0 焊缝 6 0 04 9 07 42 31 8 02 0 5 2 0 m n h r 核容器用钢。高匹配接头。其母材及其熔敷金属的力学性能如 下： 表2 32 0 m n h r 钢熔敷金属的基本力学性能 。t , ( m p a lo a e ( m p a ) 1 71 5 0 2 ( m p a ) 扩 巧j正k 尸c 【经6 0 0 c 6 h ) r 5 2 04 4 03 9 57 6 3 0 1 3 l 天津大学硕士学位论文第二章供试材料及试验方法 表2 42 0 m n h r 钢母材的基本力学性能 l o b ( m p a ) o o2 ( m v 小口7 如2 ( 毋a ) 扩 占ja k v 2 0 。( 经6 0 0 c 6 h ) 【s 4 53 8 02 9 07 6 3 0 1 2 4 s s 4 0 0 超细晶粒钢。高匹配接头。其母材和熔敷金属的化学成分及力 学性能为： 表2 5s s 4 0 0 钢材的化学成分( w t ) c s ipsa 1n bm nt i io 1 7o 0 90 0 1 30 0 1 3o 0 2 5 ，o 3 6， 表2 6s s 4 0 0 钢材的力学性能 o * ( m p 钔“m p a ) h y o2伸长率冲击韧性a k r ( j c m z ) 西( ) 0 2 0 c4 0 6 0 。c 4 8 03 6 51 5 33 19 29 3 8 98 8 熔敷金属的化学成分、力学性能。 表2 7s s 4 0 0 钢熔敷金属( j s 4 0 c u a ) 的化学成分( w t ) l cs im nps n ic uc r m 。1 lo 0 40 3 51 2 l 0 0 1 0 0 l0 6 5o 3 30 0 2o 0 i l 表2 8钢熔敷金属的力学性能 屈服强度抗拉强度断面收缩率a k v ( 一3 0o c l 伸长率 d ，( m p a )0 6 ( m p a ) pj 西( ) 5 2 06 1 07 8 1 2 02 6 e h 3 6 钢。高匹配接头。其母材和熔敷金属的化学成分及力学性能晗7 3 为 天津大学硕士学位论文第二章供试材料及试验方法 表2 9e h 3 6 钢材及熔敷金属的化学成分( w t ) cm ns ipsa ln b v 母材 o 1 8o 9 00 1 00 0 4 000 4 0o 0 1 5o 0 1 50 0 3 0 熔敷金属 0 1 21 0 0o _ 3 00 0 3 5 ，| 表2 1 0e h 3 6 及熔敷金属钢材的机械性能 屈服强度抗拉强度爿k r伸长率 口：( m p a ) o 6 ( m p a )( j ) 蠡( ) 母材3 5 54 9 0 6 2 0 2 9 ( 4 0 。c 1 2 1 熔敷金属 4 5 05 4 0 5 0 ( 2 0 。c 、 1 7 2 2三点弯曲c t o d 试验方法刎”剐1 本试验通过对a 5 0 8 i i i 钢、2 0 m n h r 核容器用钢和e h 3 6 船舶结构用钢进行 c t o d 测试，研究不同强度匹配条件下，焊缝和热影响区的断裂韧度。现将c t o d 的测试方法介绍如下。 2 2 1 试样形状 试样是采用带预制疲劳裂纹的单边裂纹三点弯试样，见图2 1 。 天津大学硕士学位论文第二章供试材料及试验方法 图2 1试样的形状 2 2 2 疲劳预制裂纹 试验中先用直径不超过o 1 5 m m 的钼丝线切割起始切口。后在疲劳试验机上 开疲劳裂纹约3 m m ，保证满足a w 的比值在o 4 5 0 5 5 之间。为了保证裂纹前缘 清晰和裂纹扩展区留印效果良好，采取必要措施保证疲劳裂纹不受污染。疲劳预 制裂纹时的加载跨距s = 4 w ，并使同一组试样的矽尽可能一致。在疲劳预制裂 纹的整个过程中应保证尸胁。满足( 2 1 ) 式和( 2 2 ) 式。 p 廓。o 5 p l ( 2 - 1 ) p r m 。o 0 1 e b 矿y( 2 - 2 ) 式中王，作为a o w 的函数查于上述标准中。 2 2 3 试验设备 试验在3 0 0 k n 的万能材料试验机上进行。三点弯曲加载装置采用支承辊来 支承试样，试样和支承辊之间保持滚动接触。为获得准确的试验跨距，使用低张 力橡皮筋固定支承辊的初始位置。试验系统配备了相应的电测载荷传感机构。由 于试验在不同的温度下进行，所以将试样放入保温槽中，通过调节保温槽中溶液 温度保证其与目标值偏差不超过士1 。试验时自动记录了载荷( p ) 与裂纹嘴张 开位移( 矿) 曲线( 见图2 2 ) ，按上述标准计算对应载荷时的殖。试验装置见图 23 。 天津大学硕士学位论文第二章供试材料及试验方法 t 2 2 4 试验数据处理 对试验过的试样进行氧化发蓝，使裂纹稳定扩展区留印。留印后压断试样并 在工具显微镜下测量a 和出的值，精确到0 5 a 。 试样原始裂纹长度a d 的测量：是沿断裂试样的厚度方向，在0 、1 4 b 、2 4 b 、 3 4 b 和b 位置上用工具显微镜测量裂纹长度a o ，、口、a 0 3 、a w 和0 0 5 。取口俨 ( a 0 2 + a + 口w ) 3 作为原始裂纹长度，用于计算c o d 值。口咖a 0 3 和a 0 4 中最大 值和最小值之差不应超过3 w ，同时应使a a o 2 r a m 。a c t 的测量：a c t 等于试 样有效厚度内裂纹真实扩展的面积除以该厚度。有效厚度取3 4 b 。测量在工具 显微镜下进行。按上述标准在( 1 8 7 8 ) b 范围内等间隔取七个点，每一个点的 测量均按“等面积”法取值，以这七个测量值的平均值作为a a ，即a a = ( , d a 2 + a a 3 + a a 4 + a a s + a a 6 + 加7 + a a 8 ) 7 。总的裂纹长度应满足下述要求：e d w 的 比值应在0 4 5 o 5 5 之间。取每一个试样停机点时所对应的载荷p 和位移的塑性 部分诈。其中阼由载荷( p ) 与裂纹嘴张开位移( 矿) 曲线得到( 见图2 2 ) 。 获得必要的测量数据后，依据g b 2 3 5 8 8 0 采用式( 2 - 3 ) 计算各试样的艿值： 天津大学硕士学位论文第二章供试材料及试验方法 万= 絮e + 毋r p 岽a z 2 盯( 阡7 一d ) + + k l = 熹 ( 2 3 ) 式中 j p 。：p v 曲线上所对应的最大载荷值( 1 n ) ； 口：试样的厚度( m m ) ： ：试样的宽度( m m ) ； e ：弹性模量，取2 0 1 1 0 5 m p a ； y 试样几何形状因子，可从标准中查表获得； p ：泊松比，取o 3 ； ：p v 曲线上对应的夹式引伸计张开位移的塑性部分： 盯。：材料的屈服强度( m p a ) ； z ：刀口的厚度( m m ) ； ：试样塑性变形阶段的旋转因子( 取旋转因子为0 4 5 ) 。 低温下占的计算公式中的口。和o6 由公式2 4 式1 得到。 吒= p ( 4 8 1 4 - 6 6 5 i n e r g o ) ( + 2 ，。) 一1 2 9 3 ) ( z - 4 ) 特征c t o d 是指启裂、失稳或最大载荷c t o d 值，它们表征材料抵抗裂纹 启裂或扩展的能力。 万。：脆性启裂c t o d 值，即产生脆性失稳断裂或突进行为之前发生稳定裂纹扩 展量a a 天津大学硕士学位论文第四章强度珏配对裂纹尖端应力场的影响 口，= 9 8 ( h v 3 ) ( o 1 6 ) ” a b = 9 8 ( h v 3 ) f n o 2 1 7 ) ” 表4 1接头各区域材料的性能 ( 4 3 ) ( 4 4 ) 口。( m p a ) o 6 ( m p a ) ”口 一 低高低司低月低局 焊缝 4 9 01 0 1 16 0 01 0 9 00 1 4 3o 1 1 300 1 4 10 0 1 8 8 热影响区 5 3 35 3 36 3 06 3 0o ，1 3 lo 1 3 l0 0 1 5 lo ，0 1 5 1 母材 5 4 05 4 06 7 56 7 50 1 3 00 1 3 00 0 0 9 20 0 0 9 2 由上面计算得到的”和a 值，通过公式 o = ep( 口0 ； 口= 口。( 1 + p a ) 4 ( 盯口0 。 ( 4 5 ) ( 4 6 ) 分别得到焊缝、热影响区和母材的真应力一真应变的关系。这就是本次有限 元计算的本构关系。计算中焊缝、母材和h a z 所用材料常数均取为弹性模量e = 2 1 1 0 5 m p a ，泊松比v = o 3 。 4 3f e b l 计算结果 4 3 1 强度匹配对试样整体变形行为的影响 4 3 1 1 焊缝裂纹试样 首先通过有限元计算得到高、低匹配下的p v 曲线( 即载荷。裂纹嘴张开位 移曲线) 。整个计算过程经过弹性变形和塑性变形两个阶段，加载过程大约分为 2 0 个加载步。其中弹性部分的加载步较少，塑性变形部分的加载步较多，主要 是考虑弹性阶段的p v 曲线为线性，无须较多加载步：塑性阶段的p v 曲线为 非线性，为使计算结果收敛，需用较多的加载步。计算结束后记录下每- a n 载步 结束后的载荷值和裂纹嘴张开位移的大小。最后通过描点绘出焊缝裂纹试样高、 低匹配下的p v 曲线。见图4 6 。 天津大学硕士学位论文第四章强度匹配对裂纹尖端应力场的影响 c 1 1 pg t l 蚪d i s p l a c e m e n t v ( m ) 图4 6由f e m 得到焊缝裂纹试样的高、低匹配下的p v 曲线 可以看出，不同匹配焊接接头的p v 曲线有明显的差异，在同等裂纹嘴张 开位移水平下，与低匹配相比，高匹配接头的受力增大。即在同样大小的受力水 平下，高匹配下裂纹嘴张开位移大小比低匹配时要小。 由图4 6 ，利用公式( 2 3 ) 计算出每一加载步的裂尖张开位移占值。为后面 在相同裂尖张开位移水平下，讨论强度匹配对裂尖的应力场的影响作准备。 4 3 1 2h a z 裂纹试样 同w e l d 裂纹试样的分析方法相同，首先通过有限元计算得到h a z 裂纹试 样高、低匹配下的p v 曲线( 即载荷一裂纹嘴张开位移曲线) 。见图4 7 。 c 1 i pg a g ed i s p l a c e m e n t v ( m ) 图4 7 由f e m 得到的h a z 裂纹试样高、低匹配下的p v 曲线 天津大学硕士学位论文第四章强度匹配对裂纹尖端应力场的影响 可以看出，h a z 裂纹试样高、低匹配下的p v 曲线分布规律同w e l d 裂纹 试样相同，也就是在同等裂纹嘴张开位移水平下，与低匹配相比，高匹配接头的 受力增大。这是因为对于焊缝裂纹试样高匹配焊缝的强度较母材高，要获得相同 的变形，高匹配试样就需要较大的受力。对于h a z 裂纹试样，高、低匹配下h a z 的性能没有改变，而是焊缝的强度发生变化。如果要获得相同的裂纹嘴张开位移 高匹配较低匹配需要较大的载荷。 同w e l d 裂纹试样一样，由图4 7 ，利用公式( 2 3 ) 计算出每一加载步的 裂尖张开位移占值。为后面在相同裂尖张开位移水平下，讨论强度匹配对裂尖的 应力场的影响作准备。 4 3 2 强度匹配对裂纹尖端应力场的影响 本节主要讨论强度匹配对焊缝和h a z 两种裂纹试样裂尖应力场分布的影 响。主要是比较裂尖韧带区的应力分布和应力三轴度r 。的大小。下面对r 。作一 下解释。 在外载荷作用下，材料内部任一点应力状态的三轴程度可用参量r 。表示， 即 r 。= 口m ，口e q ( 4 1 ) 由塑性理论【4 4 - 4 5 1 可知，o 。为平均应力分量，只能引起材料体积的变化，而 对材料的塑性变形无任何贡献，一。为m i s e s 等效应力，标志着材料塑性程度的 大小。由此可见，r 。是表征材料内部三向拉应力状态严重程度的有效参量，如 极限静水应力状态下( 一l = 0 2 = 一3 ) ：r 。= 一，此时，即使对于韧性很好的的材 料也将产生严重的脆性破坏趋势，而纯剪切状态下( 口l = 一o3 ，o 2 = 0 o ) ：r 。= 0 ， 金属材料大多表现出塑性剪切断裂特征。 4 3 2 1 焊缝裂纹试样 由于高、低匹配情况下焊缝的强度不同，为了有效地分析强度匹配对焊缝裂 纹试样裂尖应力场的影响，将沿垂直于裂纹方向的应力口y y 按屈服点无量纲化， 即比较a o 。的分布。 取裂尖张开位移j 一定时，比较高、低匹配下沿裂纹方向的0 y y o 。结果 3 4 天律大学硕士学位论文第四章强度匹配对裂纹尖端应力场的影响 如下 图4 , 8w e l d 裂纹试样沿裂纹方向a y y 。的分布 由图4 8 可以看出，在相同占水平下，焊缝裂纹试样高匹配下的a 。，口。比 低匹配小，而且最大值不位于裂尖处，而是位于距裂尖一定的距离。随着距离裂 尖越远，a y y a 。比值会越来越小。高、低匹配下的( 口y y g s ) - x 曲线近乎平行 分布。 下面比较在同一占水平下，不同匹配条件下，w e l d 裂纹试样沿裂纹方向 应力三轴度r 。的分布特性，结果见图4 9 。 图4 9w e l d 裂纹试样沿裂纹方向r 。的分布 天津大学硕士学位论文第四章强度匹配对裂纹尖端应力场的影响 由图4 9 所示的结果表明在裂尖张开位移一定的情况下，裂纹尖端沿裂纹方 向的应力三轴度是低匹配较高匹配高。应力三轴度的最大值不位于裂尖处，而是 在距裂尖一定距离的位置，三轴度先是急剧的升高，过了最高点后比较缓慢地降 低。 通过整理其他载荷水平下的应力场发现，均具有图4 8 和图4 9 的特性。因 此高匹配焊缝裂纹试样的裂尖应力场的分布较低匹配有利，按照现有关于断裂韧 度与裂端应力三轴性的关系的研究成果【4 7 郴l 表明：较低的裂尖应力三轴性，其断 裂抗力较高，即可以认为，焊缝裂纹试样高匹配接头抗断性能优于低匹配接头。 4 3 2 2h a z 裂纹试样 与焊缝裂纹试样不同，h a z 裂纹试样高、低匹配情况下h a z 的性能不变， 所以无须将沿垂直于裂纹方向的应力o y y 按屈服点无量纲化，即只需比较o y y 就 可以。取占一定时，比较h a z 裂纹试样高、低匹配下沿裂纹方向的o y y 大小。 结果见图4 1 0 。 图4 1 0h a z 裂纹试样沿裂纹方向口y y 的分布 可以看出，无论是高匹配还是低匹配，最大张开应力不是位于裂尖处，且随 着距离裂尖越远，张开应力越低。相同占水平下，高匹配时的张开应力值高于低 匹配。 下面比较在同一万水平下，不同匹配条件下，h a z 裂纹试样沿裂纹方向应 力三轴度r 。的分布特性。结果见4 1 l 。 天津大学硕士学位论文第四章强度匹配对裂纹尖端应力场的影响 2 6 2 4 2 2 2 0 18 16 14 12 10 08 图4 11h a z 裂纹试样沿裂纹方向r 。的分布 可见，在相同的6 水平下，h a z 裂纹试样高匹配时的三轴度高于低匹配。 同w e l d 裂纹试样的r 。的变化趋势相同，先是急剧升高后再比较缓慢的下降。 由图4 1 0 和图4 1 1 所示的结果表明在裂尖张开位移一定的情况下，裂纹尖 端沿裂纹方向的张开应力和应力三轴度是高匹配高于低匹配。表明从应力场的角 度看高匹配对h a z 区域的抗断性能不利。 4 4 小结 本章通过对以第三章试验用a 5 0 8 试样为基础，进行三点弯曲的数值模拟 分析，以讨论强度匹配对裂纹尖端应力场的影响。由计算结果可以知道： ( 1 )当裂纹开在w e l d 上时，高匹配时抗断的能力优于低匹配。 ( 2 )当裂纹开在h a z 上时，高匹配不利于h a z 的抗断裂行为。 而第三章的试验结果表明：无论是高匹配还是低匹配，热影响区的i 晦界 c t o d 值和占r 阻力曲线均高于其焊缝的临界c t o d 值和占r 阻力曲线。对高匹 配接头的h a z 裂纹试样，虽然匹配造成的应力场分布不利于h a z 抗断裂性能 的发挥，但由于h a z 本身的韧性很好，使得h a z 试样的万。值高于焊缝试样。 由试验结果和计算结果可以知道：高匹配会导致h a z 裂纹试样裂尖应力场 较低匹配变差，但若h a z 韧性储备足够时，考虑到高匹配对w e l d 裂纹试样有 利，所以一般选高匹配对试样的抗断性能有利。 天津大学硕士学位论文第五章 强度匹配对结构整体行为的影响 第五章强度匹配对结构整体断裂行为的影响 第三章通过试验主要讨论了强度匹配对低合金高强钢焊接接头的影响，第四 章利用有限元数值模拟的方法分析了强度匹配对裂纹尖端应力场的影响，得到高 匹配对焊缝裂纹试样的抗断性能有利，而对h a z 裂纹试样的抗断性能不利。本 章选用h a z 韧性储备足够的超细晶粒钢s s 4 0 0 1 5 2 1 进行宽板拉伸试验，采用“全 面屈服”准则，研究了强度匹配对结构整体断裂行为的影响。再对s s 4 0 0 的宽 板拉伸试验进行数值模拟，观察其裂纹尖端的受力情况，以验证试验结果。 5 1 宽板拉伸试验 5 1 1 “合于使用”原则与全面屈服准则介绍 “合于使用”原则是针对“完美无缺”原则而言的。在焊接结构发展初期， 要求结构在制造和使用过程中均不能有任何缺陷存在，即结构完美无缺，否则就 要返修或者报废；后来曾任英国焊接研究所所长之职的e d g a r f u c h s 通过大量试 验证明：在铝合金焊接接头中，纵然有大量的气孔，对该接头的强度无任何不利 影响，而返修却会造成结构或接头的使用性能的降低。基于这一研究，英国焊接 研究所首先提出了“合于使用”的概念。在断裂力学出现和广泛应用后，这概 念更受到人们的注意与重视，成为焊接结构长期研究的中心课题之一。现已经逐 渐发展成为原则，内容也逐渐得到充实，并且有了明确的定义。 目前，“合于使用”原