（化工过程机械专业论文）16mnr焊接接头疲劳性能与数值模拟.pdf

d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt oz h e j i a n gu n i v e r s i 够o f 1 1 e c h n o l o g y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e r t h e f a t i g u eb e h a v i o u ra n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fw e l d e d 1 6 m n rs t e e l c a n d i d a t e ：s h a oc h a n g z h e a d v i s o r ：g a oz e n g h a n g x i o n gy i n g c o l i e g eo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g z h e j i a n gu n i v e r s i 坶o ft e c h n o l o g y a p l 2 0 1 0 浙江工业大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名： 砖吕锈 f 日期：l 知年 彳月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：帝吕唔 导师签名：喜弓萨静梁 日期：劢埠 日期：加d 年 z 月勺日 | 白月 哆日 ， 浙江工业大学硕士学位论文 1 6 m n r 焊接接头疲劳性能与数值模拟 摘要 针对压力容器用钢1 6 m n r 焊接接头及各区域的疲劳问题，已经有了很多的研究。但 由于疲劳问题的复杂性和焊接接头材料的不均匀性，目前的研究还远远不够。焊接接头及 全焊缝金属的各种循环特性和疲劳行为规律还没有系统完备的试验数据。本文主要针对 1 6 m n r 焊接接头各区域的各种力学性能进行了试验研究，并采用有限元方法对全焊缝金属 的相关循环力学性能和疲劳性能进行了模拟。为工业中常用的1 6 m n r 压力设备焊接接头 提供疲劳特性参数和疲劳试验数据。有限元模拟计算为正确评估1 6 m 氓焊接接头的疲劳 寿命及结构设计提供数值预测依据。 本文的主要工作和研究结果如下： ( 1 ) 针对焊接接头和全焊缝金属在交变载荷作用下的循环性能，通过恒应变幅循环 试验得到：焊接接头和全焊缝金属呈现循环硬化特性，并显示出明显的非m a s i n g 特性。 ( 2 ) 针对焊接接头和全焊缝金属的疲劳性能，通过应变疲劳寿命试验得到：断在焊 接接头熔合区的试样疲劳持久极限最低，全焊缝金属试样的疲劳持久极限最高。 ( 3 ) 针对焊接接头母材和全焊缝金属在交变载荷作用下的棘轮特性，通过非对称应 力控制棘轮试验得到：母材和全焊缝金属材料在较高载荷水平下产生较高的棘轮应变率， 且棘轮效应均体现出对载荷历史的敏感性。 ( 4 ) 针对焊接接头母材和全焊缝金属在交变载荷作用下的疲劳裂纹扩展行为，通过 c t 试样疲劳裂纹扩展试验得到：全焊缝金属的裂纹扩展表现出一定程度的应力比效应； 不同轧制方向对母材裂纹扩展行为有较大的影响。 ( 5 ) 全焊缝金属的循环特性和疲劳行为的有限元模拟预测得到：j s 循环塑性本构模 型可以很好的描述全焊缝金属的循环稳定应力应变曲线，但还不能很好的描述全焊缝金属 的非m a s i n g 特性；j i 锄g 多轴疲劳损伤准则可以很好的预测材料的疲劳裂纹扩展速率。 关键词：焊接接头，循环特性，疲劳性能，棘轮效应，数值模拟 浙江工业大学硕士学位论文 t h el 硝l t i g u eb e h a v l o u ra n df i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o no f16 m n rw e l d e dj o i n t a b s t r a c t 16 m n rs t e e li sam o s t 埘d e l yu s e dm a t e r i a lo fp r e s s u r ev e s s e l s t h e r eh a v eb e e nm a l l y r e s e a c h e so nt 1 1 e16 m i l l 之w e l d e dj o i n t ，b u tt l l e ya r en o te n o u 曲b e c a u s eo ft i l ec o m p l i c a t i o no f f a t i g u e a n d l ei i l l l o m o g e n e i t yo f 、e l d m e n t t h ec y c l em e c h a n i c a lp r o p e n ya n df a t i g u e b e h a v i o u ro ft h el6 m n rw e l d e dj o i mw e r en o tr e s e a r c h e dc o m p l e t e d i n “sp a p e rt l l ef a t i g u e t e s ta i l dm e c h a i l i c a lp r o p e r 哆t e s tw e r ec 硎e do u tf o r16 m n rw e l d e dj o i n t ，a n dt l l er e s u i t so f f a t i u g et e s t sw e r ep r e s e n t e db ym e a n so ff e m 1 1 1 er e s u l to ft h er e s e a r c h e sp r o v i d e df a t i g u e p r o p e r t yp 猢e t e r sa n df 撕g u ee x p e r i m e n td a t af o rt h ew e l d e dj o i n to f16 m n rs t e e l t h em o s ti m p o r t 锄r e s u l t so fr e s e a 托h 、 r o r k sc a l lb es 啪撕z e di i l t ot t l ef o l l o 、析n gp o i i l t s ： ( 1 ) n ew e l d e dj o i n t 锄d 廿l ew e l dm e t a lh a v et l l ep r o p e 啊o fc y c l i ch 莉e n i n ga i l d n o n - m 嬲i n g ( 2 ) t h ef a t i g u ee n d u 砌c el i m i to fm e 觚i o nz o n ei sl o w e s t ，a l l dt h ef a t i g u ee n d u r a l l c el 曲i t o f t i l ew e l dl i n e 、糯l l i 曲e s t ( 3 ) n eb a s e dm a t 丽a l 锄d t l ew e l dm e t a jr e 、，e a lh i 曲e rr a t c h e t i n gr a t e 蚰d e rk 曲e rl o a d i i l g c o n d i t i o nt 1 1 e nm a tu 1 1 d e rl o w e rl o a d i n gc o n d i t i o n ，a l l dt h er a t c h e t i n go fm eb a s e dm a t e r i a l 锄d t 1 1 ew e l dm e t a lw a ss e n s i t i v et ot l l eh i s t o r yo fl o a 小n g ( 4 ) 1 1 1 ef a t i g u ec r a c k 铲o w t l lo ft h ew e l dm e t a lr e v e a ls t r e s sr a t i oe 毹c t s ，锄dm ef a t i g u e c r a c kg r o w c l lo ft 1 1 eb a s e dm 舢砸砒w a si n f l u e n c e db yr o l l i n gd i r e c t i o n ( 5 ) j sc y c l i cp l a s t i c 时m o d e lc a l ld e s c r i b ec y c l i cs 舵s s s 妇i nm a r v e l o u s l y ，b u ti tw a sn o t g o o de n o u 曲a td e s c 舶i n gm en o n - m a s i n go f 、阮l dm e t a l j i a j l gm u l t i - a ) 【i mf a t i g u ed 锄a g e c r i t e r i o nc a n p r e d i c tt h ef a t i g u ec r a c k 伊d w t l lr a t em a r v e l o u s l y k e y w o r d s ：w e l d e dj o 缸，c y c l ep r o p e 啊，f a t i g u eb e h a v i o w ，r a t c h e t i n ge 能c t ，f e ms i m u l a t i o n 浙江工业大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t 。 目录 第l 章绪 论 i l 1 研究背景与意义。l 1 2 焊接结构疲劳简述2 1 2 1 疲劳特征与破坏机理2 1 2 2 焊接结构疲劳研究的目的3 1 3 1 6 m n r 焊接接头疲劳的研究3 1 4 材料棘轮特性的试验研究4 1 5 循环本构和疲劳准则的研究一5 1 6 本文的主要研究内容6 第2 章1 6 m n r 焊接接头疲劳特性试验及模拟方法 8 2 1 试验设备与试样取材。8 2 2 试验方法1 1 2 2 1 单轴拉伸试验1 1 2 2 2 应变控制下的循环疲劳试验1 2 2 2 - 3 应力控制下的棘轮特性试验1 4 2 2 4 疲劳裂纹扩展试验一1 6 2 3 数值模拟方法l8 2 3 1数值模拟用本构及准则的参数拟合。1 8 2 3 2 有限元计算2 l 2 4 本章小结。2 3 第3 章1 6 m n r 焊接接头单轴拉伸和恒应变循环疲劳特性。 3 1 单轴拉伸性能2 4 3 2 轴向恒应变幅下循环性能2 6 3 2 1 焊接接头轴向恒应变幅下循环性能试验结果。2 6 3 2 2 全焊缝金属轴向恒应变幅循环性能试验结果3 0 3 2 3 全焊缝金属恒应变循环力学性能模拟结果3 4 3 3 应变疲劳性能3 6 3 3 1 焊接接头和全焊缝金属疲劳寿命试验结果3 6 浙江工业大学硕士学位论文 3 3 2 全焊缝金属疲劳寿命模拟结果。3 7 3 4 轴向恒应变幅循环疲劳性能试验结果分析3 8 3 5 本章小结4 1 第4 章1 6 m n r 焊接接头恒应力循环棘轮特性4 2 4 1 母材恒应力循环棘轮特性4 2 4 1 1 应力幅对棘轮应变的影响4 2 4 1 2 平均应力对棘轮应变的影响。4 3 4 1 3 载荷历史对棘轮应变的影响。4 4 4 2 全焊缝金属恒应力循环棘轮特性4 5 4 2 1 应力幅对棘轮应变的影响。4 5 4 2 2 平均应力对棘轮应变的影响。4 6 4 2 3 载荷历史对棘轮应变的影响。4 8 4 2 4 较大载荷条件下载荷历史对棘轮应变率的影响4 8 4 2 5 棘轮应变率衰减模拟结果5 0 4 3单轴恒应力幅棘轮特性试验结果分析5l 4 4 本章小结5 2 第5 章1 6 m n r 焊接接头裂纹扩展与数值模拟5 4 5 1 母材的疲劳裂纹扩展5 4 5 1 1 应力比对母材裂纹扩展速率的影响。5 4 5 1 2 厚度对母材裂纹扩展速率的影响。5 6 5 2 焊缝的疲劳裂纹扩展5 7 5 2 1 应力比对焊缝裂纹扩展的影响。5 7 5 2 2 母材与焊缝疲劳裂纹扩展比较5 8 5 2 3 全焊缝金属疲劳裂纹扩展的数值模拟。5 9 5 3 疲劳裂纹扩展试验结果分析6 0 5 4 本章小结6 1 第6 章讨论 6 1 全焊缝金属的棘轮效应6 2 6 2 全焊缝金属疲劳裂纹扩展的应力比效应6 5 6 3 本章小结6 8 第7 章结论与展望 6 9 7 1结论6 9 7 2 展望7 0 参考文献 致谢7 5 攻读学位期间参加的科研项目和成果7 6 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景与意义 飞机结构、螺旋桨元件、发动机、铁路、桥梁、管道和压力容器等各种机械设备和结 构常常受到交变载荷作用，导致疲劳破坏甚至爆炸，引起人员伤亡和重大财产损失。国际 上，每年因结构疲劳的原因，大量产品在其有效寿命期内报废，由于疲劳破坏而造成的恶 性事故也时有出现。据统计，欧洲每年早期断裂造成的损失达8 0 0 亿欧元，而美国每年早 期断裂造成损失达1 1 9 0 亿美元，其中9 5 是由于疲劳引起的断裂【l 】。目前材料和结构的疲 劳破坏的研究已经引起了广泛的重视，国内外不少学者开展了大量的研究，取得了一些成 果，但疲劳的主要问题仍旧没有很好地解决。 我国经济正处在高速发展时期，能源、动力、化工等重工业成为拉动经济发展的重要 产业，这些产业的发展又使设备的需求量大增，其中压力容器和管道是被广泛应用的设备 之一，它们的安全性和使用寿命关系到生产的社会效益和经济效益。因此，研究材料的疲 劳失效行为，建立可靠的疲劳寿命预测法，对确保机械设备和结构的安全性具有重大意义。 而目前我国材料和构件的疲劳研究还远远不够，与快速的经济发展很不相适应。 压力容器制造工业中普遍使用焊接工艺，焊接过程具有加热温度高、加热快、冷却快、 温度梯度大的工艺特点，使得焊接区金属材料组织产生变化，从而引起材料力学性能的不 均匀性，因此对焊接接头的疲劳性能研究是非常必要的【2 】。我国常用的压力容器材料为 1 6 m 娥，目前国内的一些学者对1 6 m n r 焊接接头的疲劳性能已经做过一些研究，但这些 研究仍多集中于试验研究，且还非常不完备，比如对焊接接头各区域的循环性能和棘轮特 性的研究以及疲劳裂纹扩展特性的研究还比较缺乏。 针对上述情况，本文对1 6 m i 承焊接接头以及母材和全焊缝金属进行了详尽的试验研 究，包括单轴拉伸性能、恒应变幅下循环性能、恒应力幅下棘轮特性和疲劳裂纹扩展行为 等。利用含循环塑性本构的数值方法和基于损伤参量的预测方法模拟焊接接头的各循环性 能，并预测其断裂寿命和裂纹扩展速率。本课题的研究不仅为工业中常用的1 6 m n r 压力 设备焊接接头提供疲劳特性参数和疲劳试验数据，还为正确评估1 6 m 氓焊接接头的疲劳 寿命及结构设计提供数值预测依据。 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 焊接结构疲劳简述 1 2 1 疲劳特征与破坏机理 疲劳是指对材料或构件在循环载荷作用下，经过一段时间发生突然脆性断裂的现象。 疲劳主要分为两个阶段，对于疲劳的研究也主要针对这两个阶段进行。对于不含缺陷结构 的疲劳研究主要针对其裂纹萌生阶段，为疲劳启裂寿命研究，对于已含微裂纹等含缺陷结 构主要研究其疲劳裂纹扩展速率，称为全寿命研究。 材料或构件的疲劳失效有其区别于静强度失效的的特征【3 】： ( 1 ) 载荷的交变性：发生疲劳破坏的材料或构件内部一定承受着循环交变的应力应 变； ( 2 ) 失效过程的渐变性：疲劳破坏是一个材料损伤累积的过程，从疲劳启裂到裂纹 扩展直至断裂都需要经历一定的时间和应力应变交变过程； ( 3 ) 断口的脆性和断裂的突然性：不管是脆性材料还是塑性材料，疲劳发生的过程 往往没有表现出宏观的塑性变形，疲劳断裂是突然发生的，其断口为脆性断口； ( 4 ) 应力和应变的缺口敏感性：含缺陷结构或有几何突变的结构在会在缺陷处或几 何结构突变处产生应力和应变局部增大，疲劳失效多发生在这些地方； ( 5 ) 疲劳断口的独特性：疲劳裂纹断口可以看到明显的裂纹源、裂纹扩展区和瞬时 断裂区，其它断口没有这种特征。 疲劳破坏的机理主要针对疲劳裂纹萌生和裂纹扩展两个阶段。疲劳裂纹萌生被考虑为 循环载荷作用下金属材料晶粒内的细滑移造成的，垂直材料表面看，滑移是一些平行的线， 随着循环数的增加，这些滑移线越来越密集，最终连接在一起造成宏观裂纹的出现，这就 是延性材料的滑移开裂机理。另外还有局部脆断机理、空位聚合机理、滑移面分离机理、 晶界成核机理等疲劳裂纹萌生机理。 在循环载荷作用下，由滑移线形成的微裂纹沿4 5 度最大剪应力作用面继续扩展或相 互连接。此后有少数几条微裂纹达到几十微米的长度，逐步汇聚成一条主裂纹，并由沿最 大剪应力面扩展逐步转向沿垂直于载荷作用线的最大拉应力面扩展。用于描述疲劳裂纹扩 展的塑性钝化机理为：随着循环应力的增加，裂纹逐步张开，裂纹尖端材料由于高度的应 力集中而沿最大剪应力方向滑移；应力进一步增大，裂纹充分张开，裂尖钝化成半圆形， 开创出新的表面；卸载时已张开的裂纹要收缩，但新开创的裂纹面却不能消失，它将在卸 载引入的压应力作用下失稳而在裂尖形成凹槽形；最后，在最大循环压应力作用下，又成 为尖裂纹，但其长度增加了一个妇。下一个循环，重复上述过程【4 1 。 2 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 2 焊接结构疲劳研究的目的 焊接是许多重大结构的主要连接方式，焊接结构在航空航天、电力、机械、船舶及海 洋工程中得到广泛应用。通常许多焊接结构都受交变载荷的作用，疲劳断裂失效成为焊接 结构的主要失效形式。焊接结构受交变载荷作用时，在结构几何变化处产生应力集中、尤 其是在焊缝附近存在气孔、咬边、微裂纹等几何缺陷，这些地方的应力集中程度更高。由 于应力集中使得焊接结构局部范围内的应力达到较高水平，从而使得这些部位首先出现裂 纹并扩展直至结构破坏。 对于焊接结构的疲劳性能的研究是十分重要的，研究的主要目的是考察焊接接头在循 环载荷作用下的循环性能、抗疲劳启裂和扩展能力，为工业中焊接结构的设计、操作实施 和事故分析提供必要的试验数据支撑和预测方法参考。 1 3 1 6 m n r 焊接接头疲劳的研究 由于1 6 m n r 钢具有良好的综合机械性能、焊接性能、工艺性能，该材料在压力容器及 铁路转向架焊接构件等领域得到了广泛的应用，目前已有许多学者已经对1 6 m r 浓钢焊接接 头进行了疲劳性能研究。 由于焊接接头区域材料性能的复杂性，到目前为止许多学者的研究仍多集中于试验研 究。对不含缺陷结构，程光旭【5 j 对1 6 m n r 焊接接头的熔合区和焊缝区的低周疲劳特性进行 了试验研究，得到了焊接接头和焊缝金属的单轴应力应变曲线、循环应力应变曲线、m a s i n g 特性曲线及应变寿命曲线等结果。陈剧6 】对手弧焊、c 0 2 气体保护焊和6 屹体保护焊3 种焊 接方式的1 6 m i 瓜钢焊接接头进行了低周疲劳试验比较，表明焊材比母材有较大的强化，3 种方法的低周疲劳寿命没有明显的差异。杜俊杰7 1 对1 6 m n r 钢母材和焊接接头的循环特性 和疲劳寿命做了对比，指出焊接接头的疲劳寿命低于母材，且裂纹多出现在熔合区。另一 些学者从微观角度对1 6 m 氓焊件的疲劳断裂机制及疲劳裂纹萌生与扩展机理进行了研究。 李金泉0 1 指出1 6 m n 钢焊接接头处疲劳裂纹的萌生与扩展一般在铁素体内，并存在一定程 度的择优取向，在疲劳断裂各个阶段，其断裂机制是变化的，为沿晶和穿晶混合型断裂， 焊缝中的夹杂物对疲劳裂纹的萌生有重要影响。还有学者f l l ，1 2 1 从可靠性分析角度提出了 1 6 m n r 焊接接头的疲劳失效概率模型。 到目前为止，国内对1 6 m n r 焊接接头疲劳性能的研究还远远不够，焊接接头母材区、 焊缝区和熔合区的疲劳性能试验数据还不充足，焊接接头的相关疲劳行为还有待更深入的 研究。 3 浙江工业大学硕士学位论文 1 4 材料棘轮特性的试验研究 棘轮效应是指金属材料在非对称载荷条件下的循环塑性应变逐步积累的现象。目前国 内外已有许多学者对多种材料的棘轮行为作了研究。 康国政【1 3 1 在对u 7 1 m l l 轨道钢和31 6 l 不锈钢室温下单轴循环试验研究中指出，平均应力 和应力幅值的大小及其历史对两种材料应力循环下的棘轮应变行为都有显著影响，先前较 大的平均应力历史和应力幅值历史将抑制后续较小平均应力或应力幅值循环的棘轮应变 行为。罗秀芳【1 4 j 在对a z 9 l d 镁合金的棘轮行为研究中指出，峰值应力一定时，随着应力比 的增大，棘轮应变不断累积；其它条件不变的情况下，峰值应力越大，每一循环周次内的 最大塑性应变越大，饱和棘轮应变水平越高，棘轮行为存在峰值应力门槛值。董亚伟【1 5 j 对室温下2 0 钢的高周次单轴棘轮行为进行了研究，并发现材料的屈服平台对材料棘轮行为 有明显影响。 l i mc 【16 】对单周循环载荷下一种铜合金的棘轮行为进行了试验研究，发现棘轮应变对 于循环数的曲线与常规蠕变曲线是相似的，可以分为初级阶段、稳定阶段和第三阶段。c h e n g 【1 7 1 在对一种高氮钢循环载荷下的棘轮特性研究中指出，不同的应力加载速率对棘轮应变 率有较大的影响，较低的应力加载速率会产生较大的棘轮应变速率，较高的应力加载速率 会产生较小的棘轮应变速率。 另外有一些学者对多轴应力状态下材料的棘轮特性进行了研究，j i a n gy 【l8 】等首次对多 载荷步1 0 7 0 钢的棘轮效应进行了试验研究，指出在比例加载路径下，主应力方向是不变的， 棘轮在平均应力方向产生，在非比例加载路径下，棘轮方向由载荷路径决定，且不同于平 均应力方向。g a oh 【1 9 】研究了轴向棘轮变形对扭转低周疲劳寿命的影响，发现疲劳寿命与 棘轮应变率有很大关系。z h a l l gz 刚在对室温下聚四氟乙烯的棘轮行为研究中发现，循环 对称剪应变幅和恒轴向应力条件下，轴向棘轮应变率随剪应变幅或轴应力的增大而增大， 并且表现出明显的载荷历史效应。 到目前为止，国内外对材料在循环载荷作用下的棘轮特性已经有了各方面的研究，包 括单轴和多轴状态下的棘轮特性，应力幅、平均应力、载荷历史和加载速率等各种载荷条 件对材料棘轮特性的影响，并已经提出了一些可以描述材料棘轮特性的本构模型。但目前 仍然缺少对焊接接头焊缝金属棘轮特性的研究，由于焊接结构微观组织的复杂性和力学性 能的不均匀性，焊缝金属在承受循环载荷时可能会表现出不同的棘轮应变特性。 4 浙江工业大学硕士学位论文 1 5 循环本构和疲劳准则的研究 从连续介质力学的角度研究疲劳问题仍是当前的热点，而研究材料本身的塑性本构特 征成为研究疲劳问题的理论前提。循环塑性是指材料承受循环载荷时的非线性应力应变响 应，而塑性模型或本构方程是某种材料施加循环载荷时的应力应变响应的数学表达。 s e m t 0 酉uh 【2 1 】指出循环塑性本构模型对于复杂加载下材料和结构件的弹塑性应力应变分 析相当重要。屈服面概念推动了塑性理论的发展。使用屈服面概念相关理论主要可分成两 大类别：m r 6 z 类硬化准则和知m s 仃o n g f r e d e r i c k ( a f ) 类硬化准则。j i a i l gy 和k u r a ：t l lp 【2 2 j 在研究中指出m r 6 z 类硬化准则在预测具体载荷历史时的一些不足，并认为a f 类硬化准则 是更优越的。c h a b o c h ej 对a f 类硬化准则作了修改，提出将背应力分成几部分，每部分 都遵循a f 类硬化准则。o h on 和、锄gj 在这个基础上提出了一个门槛值的概念，使模型 可以描述棘轮效应。j i a i l gy ：和s e h i t 0 9 1 uh f 2 3 。2 9 】在研究多步棘轮实验和o h n o w 抽g 模型的基 础上，指出o l l i l o w 抽g 模型不能很好地预测多轴应力状态下的棘轮效应，并提出了一种克 服了o h n o w 觚g 模型缺点的硬化准则。通过验证1 3 0 1 ，j i 2 u l g s e k t o g l u 弹塑性本构模型可以很 好的预测裂纹尖端的应力应变响应。 疲劳的研究目的是为了能准确预测材料及构件的使用寿命，对于含缺陷结构，疲劳裂 纹扩展速率是寿命预测的主要参量，而从疲劳损伤角度估算疲劳裂纹扩展速率是当前主要 的预测方法。疲劳损伤通常可以描述成裂纹启裂、裂纹扩展和最终失效三个过程。裂纹启 裂和扩展这两个阶段可以定性区分但定量很困难。目前，一些研究者试图利用数值应力分 析和疲劳损伤准则定量地把裂纹启裂特性和裂纹扩展行为联系起来，并利用有限元法来获 取裂纹尖端附近的循环塑性。o l i v av 【3 1 】采用简单的随动硬化材料模型进行有限元分析获得 了应力应变，并使用m a i l s o n c o m n 关系来预测铝合金过载下的疲劳裂纹扩展速率。 d o u 曲e n yj 【3 2 1 和z h a i l gj 【3 3 】也基于有限元分析研究了疲劳裂纹扩展行为。z h a n gj 使用了 肼锄d t l - r u e s s 关系的材料模型，而d o u 曲e n yj 使用了同向硬化材料模型。徐鹏【3 4 】研究了 1 6 m n r 材料应变疲劳损伤并计算了疲劳裂纹扩展速率。王正【3 5 】对1 6 m 1 1 r 带缺口圆柱试样进 行了轴对称三维应力状态下的高温低周疲劳实验，并采用有限元方法计算了缺口附近的循 环应力应变，利用当量塑性应变能密度评价了该材料三维应力状态下的疲劳寿命。这种方 法能考虑缺口边裂纹、变幅加载、过载峰的影响。该预测疲劳裂纹扩展的方法从最基本的 裂尖应力应变关系出发，确定裂纹尖端的损伤和裂纹扩展速率，因此这种方法所采用的材 料模型和损伤模型可以比较准确的预测疲劳裂纹扩展速率以及评估构件疲劳寿命。 目前，多位研究者【3 “7 1 对疲劳开裂行为开展了理论研究，提出了多个疲劳损伤模型， 浙江工业大学硕士学位论文 绝大部分模型难以反映加载历史和平均应力的影响。j i 锄gy 最近提出的融合循环塑性和 材料记忆行为为一体的多轴疲劳损伤准则克服了其它疲劳准则存在的缺点，可以准确地预 测不同材料的疲劳开裂行为，提出一种能预测疲劳启裂和疲劳裂纹扩展的统一方法，提高 了对疲劳损伤机理的根本认识。经过后来几位研究者【4 9 ，5 川的多次验证，利用j i a l l gy 提出的 多轴疲劳损伤准则，可以通过裂纹尖端区域的应力应变场，准确的预测裂纹扩展速率。 1 6 本文的主要研究内容 本文通过对1 6 m n r 母材、垂直焊缝取样焊接接头和平行焊缝取样全焊缝金属的疲劳 特性研究，获得1 6 m n r 焊接接头和全焊缝金属的静态拉伸和疲劳力学性能数据，以及焊 缝区和母材区的疲劳裂纹扩展试验数据，研究各种试验条件下焊接接头特征区域的疲劳裂 纹扩展规律行为，并采用数值方法模拟全焊缝材料的循环力学性能并预测其疲劳寿命和裂 纹扩展速率。本课题的研究结果将为压力容器用1 6 m n r 焊接接头提供疲劳特性参数和疲 劳试验数据，为正确评估1 6 m n r 焊接接头的疲劳寿命及结构设计提供预测依据。 本文的研究思路为：通过光滑圆棒单轴应变循环试验和应力棘轮试验得到1 6 m n r 全 焊缝金属在循环载荷下的应力应变特性，拟合j s 本构模型参数。通过光滑圆棒单轴应变 疲劳寿命试验获得焊接接头和全焊缝金属的s - n 曲线，并拟合j i a n g 多轴疲劳准则参数。 通过c t 试样的疲劳裂纹扩展试验，得到不同应力比下不同厚度的焊接接头母材区和焊缝 区的疲劳裂纹扩展速率曲线。将本构模型嵌入有限元软件a b a q u s ，模拟圆棒试样循环力 学特性和裂纹尖端区域的应力应变场，利用j i a l l g 的多轴疲劳损伤准则预测圆棒试样疲劳 寿命及裂纹扩展速率。 本文主要研究内容分为四部分，第一部分采用圆棒试样，分别对焊接接头和全焊缝金 属进行静态拉伸、恒应变循环性能和应变疲劳试验。获得焊接接头材料的基本力学性能、 恒应变循环特性和疲劳性能。得到1 6 m 氓焊接接头和全焊缝金属的单轴应力应变曲线、 稳定循环应力应变曲线和s - n 曲线等，并根据试验结果拟合j s 本构参数和j i a i l g 疲劳准 则参数。 第二部分采用圆棒试样，分别对1 6 m n r 母材和全焊缝金属进行非对称应力控制棘轮 试验，获得母材和全焊缝金属的棘轮特性。得到多步载荷下的棘轮应变率演化规律，并分 析应力幅、平均应力和载荷历史对棘轮应变率的影响。 第三部分采用紧凑拉伸试样( c t ) ，缺口分别开在母材区和焊缝区，在不同应力比下， 对不同厚度的c t 进行疲劳裂纹扩展试验。获得疲劳裂纹扩展速率曲线，对比分析各区域 6 浙江工业大学硕士学位论文 在不同应力比和厚度下的疲劳裂纹扩展行为。 第四部分利用j s 本构的u m a t 程序嵌入有限元软件a b a q u s ，模拟真实试验状态下 的1 6 m r 浓全焊缝金属试件，获得材料的恒应变循环力学性能和棘轮特性并利用j i a i l g 的疲 劳损伤准则预测圆棒试样的疲劳寿命。用同样的方法获得裂纹尖端区域应力应变响应，并 预测c t 试样裂纹扩展速率。 7 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章1 6 m n r 焊接接头疲劳特性试验及模拟方法 2 1 试验设备与试样取材 本文所有试验均在日本岛津e h f e d 2 5 0 多功能疲劳试验机上进行。该试验机最大量 程为2 5 0 k n ，可产生正弦波、三角波、方波、梯形波等控制波形，有载荷控制、位移控制 和应变控制三种控制方式。本文中单轴拉伸、循环性能和疲劳寿命试验采用应变控制方法， 棘轮和裂纹扩展试验采用载荷控制方式。试验由计算机自动控制，自动采数，采集点数根 据具体试验来定。具体试验条件详见试验方法介绍。 试验所用原材料为1 6 m i 汰钢商用板材，为两块长1 2 m ，宽o 1 5 m ，厚3 0 m m 的板材 对焊而成，其焊接和焊后热处理按照压力容器焊接工艺要求进行，细则如表2 1 。 表2 11 6 m i 瓜板材焊接工艺细则 本文对1 6 m n r 材料的母材、垂直焊缝焊接接头及平行焊缝全焊缝金属进行了各种力 学性能的试验研究，包括单轴的静拉伸试验、单轴恒应变幅循环性能试验、应变疲劳寿命 试验、循环棘轮试验和疲劳裂纹扩展试验。按照g b 厂r2 2 8 2 0 0 2 金属材料室温拉伸试验 方法【5 1 1 、g b 厂r1 5 2 4 8 9 4 金属材料轴向等幅低循环疲劳【5 2 】和g b 厂r6 3 9 8 金属材料疲 劳裂纹扩展速率试验方法【5 3 】分别取各试验中所用试样，包括标准圆棒试样和两种厚度的 标准c t 试样。各试样的取样位置见图2 1 ，图中各编号对应试样见表2 2 。圆棒试样和c t 试样具体尺寸见图2 2 和2 3 。图2 4 为垂直焊缝取样焊接接头圆棒试样实物图，即图2 1 中试样3 ，经4 硝酸酒精溶液腐蚀后可以看到试样标距段的焊缝区。图2 5 为母材区不同 厚度的c t 试样实物图。 8 浙江工业大学硕士学位论文 图2 1 垂直轧制母材圆棒和平行焊缝全焊缝金属圆棒取样 表2 2 本文试验所用试样类型 0 ； ：7 _ 一：= 一_ ，：；e 图2 2圆棒试样设计尺寸 9 浙江工业大学硕士学位论文 图2 3c t 试样设计尺寸 图2 - 4 垂直焊缝焊接接头圆棒试样实物照片 图2 5 不同厚度母材区c t 试样实物图片 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 2 2 试验方法 2 2 1 单轴拉伸试验 单轴拉伸试验是一种最简单最常用的材料力学性能研究方法。本文应用位移控制方法 拉伸试样直至断裂，根据试验记录的载荷及试样变形数据可以得到材料的弹性模量e 、屈 服强度o s 、抗拉强度o b 和断面收缩率v 等力学参数。 单轴拉伸试验是指对材料施加单一方向的载荷以测量材料在单轴应力状态下变形特 性和抗破坏性能，为材料受静态载荷时的应力和变形状态分析提供基础参数。圆棒试样受 到两端逐渐升高的单轴拉伸位移载荷，实时载荷信号由试验机夹头的载荷传感器经放大后 传至控制电脑记录，同时夹头的位移传感信号也传至控制电脑实时记录。 本试验所采用的应力为工程应力，不考虑试验过程中截面收缩对应力计算的影响， 盯：( 2 1 ) 4 其中，f 为载荷传感器实时记录的载荷值，彳d 为圆棒标距段原始横截面积。应变测量采用 引伸计标定法。首先将引伸计夹持在试样的标距段，并测出标距段长度，o ，对试样在弹性 范围内施加一个载荷，可以由引伸计测到标距段变形量，并同时得到试验机夹头的位移 变化量血，在弹性范围内二者的关系为线性，即， 后：型( 2 2 ) 血 后为比例系数，为常数。在单轴试验中，可由得到的试验机夹头的位移数据血换算得到标 距段的变形量，则试样中部标距段工程应变， 占：型( 2 3 ) l 由此可得到工程应力对工程应变的材料单轴拉伸曲线，根据曲线弹性阶段的斜率确定材料 的弹性模量e ，并得到试样发生屈服平台首次下降前的最高应力，即上屈服强度，和屈服 期间的最低值，即下屈服极限，以及最大应力值，即抗拉极限。材料的断面收缩率为， ；鱼二生( 2 _ 4 )= o0 z 4 j 以 单轴拉伸试验针对不同部位的不同材料进行了如表2 3 所列8 件。 浙江工业大学硕士学位论文 2 2 2 应变控制下的循环疲劳试验 轴向恒应变幅下循环试验的主要目的是，考察材料在单轴等幅循环载荷作用下的应力 应变循环特性。 试验开始前，试样的夹持和引伸计的标定同单轴拉伸试验，循环试验时在试样上施加 单轴对称位移载荷，试验机控制波形为正弦波。取多个试样试验半寿命时的应力幅值和应 变幅值形成材料的循环稳定应力应变曲线，并与材料单轴应力应变曲线比较确定材料的循 环硬化或软化特性。 根据r 锄b e 唱- o s 9 0 0 d 关系， 占2 仃 ( 2 5 ) os o s 应用数值计算软件m a t l a b 中的非多项式拟合方法，拟合确定材料的硬化系数k 和硬化 指数以。 提取各试样半寿命时的一个滞回线，并将不同试样的滞回线的应力应变最低点移至相 同位置可以确定材料是否具有m 撕n g 特性。 材料的应变疲劳寿命试验的主要目的是，考察材料在单轴等幅循环载荷作用下的抗疲 劳破坏性能。本文所进行的疲劳寿命试验和循环特性试验是同时进行的，共用不同取材方 式的两组圆棒试样( 见表2 4 和2 5 ) 。当循环特性试验进行直至试样断裂或出现宏观裂纹， 记下材料破坏时的载荷循环数作为疲劳寿命，作出眈 f 曲线，根据m a n s o n c o m n 模型， 1 2 仃一e 仃e ，、l 浙江工业大学硕士学位论文 ( 等一) 9 r = c 协6 ， 利用m a t l a b 的非多项式拟合方法拟合模型中的参数，以确定应变载荷和寿命之间的关 系。 式2 6 中，等为应变幅，为疲劳持久极限，是材料固有常数，f 为疲劳寿命，、 c 为材料常数。 焊接接头轴向恒应变幅循环试验和疲劳寿命试验共进行了1 2 件试样，具体试验条件 见表2 - 4 。全焊缝金属轴向恒应变幅循环试验和疲劳寿命试验共进行了1 2 件试样，具体试 验条件见表2 5 ，其中第一件试样的载荷使其处于弹性范围内，因此可以重复做多次。 表2 - 4 垂直焊缝取样焊接接头恒应变幅循环性能和疲劳寿命试验条件 表2 5 平行焊缝取样全焊缝金属恒应变幅循环性能和疲劳寿命试验条件 浙江工业大学硕士学位论文 表2 5 续平行焊缝取样全焊缝金属恒应变幅循环性能和疲劳寿命试验条件 2 2 3 应力控制下的棘轮特性试验 一般金属材料在非对称应力载荷条件下会显示循环塑性应变逐步积累的现象，称为棘 轮效应，逐步积累的循环塑性应变称为棘轮应变，一般用一个循环最大和最小塑性应变的 平均值来表示， q = + 如) 2 ( 2 7 ) 其中“戤表示一个循环中的最大塑性应变，矿m j l l 表示一个循环中的最小塑性应变， 出= 一叱e ( 2 8 ) 也= s 二一叱e m 戤表示一个循环中最大真应变，厶觚表示一个循环中最大真应力， 最小真应变，m i l l 表示一个循环中最小真应力， 口二= 戕( 1 + 毛僦) 1 4 ( 2 9 ) s t m i l l 表示一个循环中 ( 2 1 0 ) 浙江工业大学硕士学位论文 叫二= q 血( 1 + s 血) ( 2 1 1 ) = l n ( 1 + ) ( 2 一1 2 ) 出= l n ( 1 + ) ( 2 1 3 ) 缸表示一个循环中最大工程应变，舣表示一个循环中最大工程应力，i i l 表示一个循环 中最小工程应变，i n 表示一个循环中最小工程应力。 棘轮应变率定义为每循环棘轮应变的增量。 寞：监 ( 2 1 4 ) 酬 当棘轮应变率童l 1 0 - 8 次时，认为材料达到饱和棘轮状态，对应的棘轮应变称为 饱和棘轮应变。 棘轮特性试验的主要目的是考察材料在非对称应力循环载荷