（材料加工工程专业论文）温度组织应力耦合关系及在焊接中的应用.pdf

上海交通人学博士论文 温度一组织一应力耦合关系及在焊接中的应用 摘要 从温度组织应力耦合关系出发对材料的热力学行为进行耦合分析，已经成为研 究者的共识。本文采用实验研究和有限元分析相结合的方法，对温度一组织应力三者 耦合关系进行讨论，建立相应的描述模型，并将其应用于对焊接力学行为的分析中。 针对组织转变对应力应变产生的影响，本文选用p 9 1 钢作为研究对象，通过实 验对其中的相变诱导塑性现象以及多相混合组织力学行为进行研究。 利用实验，测量不同应力下相变诱导塑性应变的大小。根据实验结果，对相变 诱导塑性应变的理论描述模型进行分析。研究发现，在p 9 1 钢的马氏体相变过程中， 相变塑性系数并不为恒定值。随着生成相体积分数的增大，其具体取值逐渐减小。 当简化认为相变塑性系数为恒定常数时，该参数的取值随外载应力的变化基本保持 不变，并且平均值约为0 7 5x1 0 4 m p a 一；对相变诱导塑性应变的演变规律的讨论发 现：在相变的初始阶段，相变塑性应变即存在较快增长，在相变的后程阶段，应变 值变化并不明显；此外，实验结果表明在较高的应力水平下，相变塑性应变与应力 仍满足线性关系。因此，理论模型中的函数6 应该采用线性函数。 通过实验，测量p 9 1 钢单一组成相，以及马氏体与奥氏体混合相的拉伸力学性 能。根据实验结果，利用建立于两种不同假设基础上的混合法则对多相混合组织的 力学行为进行描述。研究发现：在塑性变形过程中，两种理论模型中混合函数的取 值保持不变。当利用等塑性应变假设建立理论模型时，混合函数厂的表达式应为 厂( 厶) = 影2 ；而当利用i s o - w 假设建立理论模型时，的表达式则应为厂( 毛) = 乞。 此外，实验结果表明：就p 9 1 钢而言，奥氏体相的应变强化并未被马氏体相继承。 母相的塑性变形反而对生成相存在一定的软化作用；在焊接热循环的条件下，可以 忽略晶粒尺寸对力学行为的影响。 在对温度组织应力三者耦合关系的讨论中，本文以组织转变的驱动力作为分类 依据，构建相应的耦合分析模型，通过有限元实现将其应用于典型材料热力学行为 的数值分析中。 针对应力驱动的组织转变，以形状记忆合金为研究对象。从广义热力学第二定 律出发，对h e l m h o l z 自由能的热能以及应变能部分引入显式表达式，构建应力诱导 马氏体相变的唯象模型。根据所构建的模型以及t a y l o r 均匀化方法，对n i t i 多晶体 板材进行数值分析。通过有限元耦合计算，对应力诱导马氏体相变、材料具有的特 征热力学行为一伪弹性力学行为与温度应变迟滞行为以及组织转交与温度的耦合效 应进行讨论。耦合计算的结果很好地反映了实验中观察到的相应现象。 针对应变诱导的组织转变，以多相t r i p 钢作为研究对象。通过引入相变应变增 量，并利用微观力学模型以及建立于i s o - w 假设基础上的混合法则对多相t r i p 钢的 摘要 力学行为构建描述模型。在模型中，利用o l s o n c o h e n 模型表征相变动力学，并对残 余奥氏体相晶粒尺寸的演变的提出新的描述方法。通过有限元分析，对低合金t r i p 钢的静态拉伸力学行为进行耦合分析。数值模拟的结果很好地描述了在变形过程中 存在的两个耦合因素：由于塑性应变诱导马氏体相变导致的变化的各相组分、以及 由于相变所产生的塑性应变。有限元计算的结果与实验取得很好的吻合。 针对温度驱动的组织转变，以p 9 1 钢作为研究对象。根据对p 9 1 钢相变诱导塑 性应变以及多相力学行为实验研究的结果，构建耦合分析的模型。通过有限元计算， 对其在一维热力学载荷作用下的焊接力学行为一s a t o h 试验进行数值分析，并对不同 奥氏体化温度的影响加以讨论。耦合数值分析结果很好地表征了马氏体相变过程中 相变诱导塑性应变对塑性变形的贡献以及组织转变对应力所起到的“松弛”效应。 计算得到的应力演变结果与实验观察取得一致。 在对温度组织应力耦合关系进行实验以及数值分析的基础上，本文将该耦合关 系应用于实际结构的应力分析中。通过利用轴对称模型以及三维模型，对p 9 1 钢管 道环焊缝接头的焊接残余应力进行计算。耦合分析的结果很好的反映了残余应力沿 管道轴不向分布具有的特征。相比较而言，由于对热载荷施加以及组织转变在焊接 过程中的非对称性加以更准确的考虑，三维有限元计算得到的结果与实际得到了更 好的吻合。此外，通过耦合分析，对多道焊不同层间温度具有的影响加以分析。 在对焊接残余应力进行耦合分析的基础上，在模型中引入蠕变应变，实现对焊 后热处理态应力的表征。轴对称以及三维模型的有限元计算的结果均很好地反映了 经历热处理后应力在管道分布上发生的变化：在焊缝区域的应力水平的降低以及应 力在整个管道长度上分布梯度的减小。此外，通过数值计算，对热处理阶段的保温 温度以及保温时间对应力释放起到的效果加以对比讨论。 关键词：温度组织应力耦合关系；相变诱导塑性应变；多相混合组织；有限元；马 氏体相变；p 9 1 钢；s a t o h 实验；管道接头；焊接残余应力 上海交通人学博士学位论文 t h e r m o m e c h a n o m e t a l l u r g i c a lc o u p l e dr e l a t i o n a n di t sa p p l i c a t i o ni nw e l d i n g a b s t r a c t m e nm a k i n gn u m e r i c a ls t u d yo nt h e r m o m e c h a n i c a lb e h a v i o ro fm a t e r i a l r e s e a r c h e r sa l lt h i n kt h a tc o u p l e da n a l y s i sb a s e do nt h e r m o m e c h a n o m e t a l l u r g i c a l r e l a t i o ns h o u l db em a d e a sf o rt h et h e o r e t i c a ld e s c r i p t i o no ft h ec o u p l e dr e l a t i o nb e t w e e n m e t a l l u r g i c a lt r a n s f o r m a t i o na n ds t r e s s r e s e a r c hw o r k ss t i l ls h o u l db em a d et od e v e l o p t h e o r e t i c a lm o d e l so rv e i l f yt h ec u r r e n tm o d e l si na c c o r d i n gt ot h ea c t u a lb e h a v i o ro f m a t e r i a l i nt h i st h e s i s ，w es t u d yt h i sc o u p l e dr e l a t i o nb yu s i n ge x p e r i m e n t a la n d n u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o d t h e nt h i sr e l a t i o ni s a p p l i e dt o t h es t u d yo fw e l d i n g m e c h a n i c s i no r d e rt os t u d yt h ee f f e c to fm e t a l l u r g i c a lt r a n s f o r m a t i o no ns t r e s sa n ds t r a i n ， t r a n s f o r m a t i o ni n d u c e dp l a s t i c i t y ( t r i p ) p h e n o m e n o na n dm e c h a n i c a lb e h a v i o ro f m u l t i p h a s ei n h o m o g e n e o u sm a t e r i a la r ea n a l y z e db yu s i n ge x p e r i m e n t a lm e t h o d i nt h e s e e x p e r i m e n t s p 9 ls t e e li su s e da s 也es t u d i e dm a t e r i a l w h e ns t u d y i n gt h et r a n s f o r m a t i o ni n d u c e dp l a s t i c i t yp h e n o m e n o ni np 91s t e e l ，w e m e a s u r et h ev a l u e so ft r i ps 仃a i n su n d e rd i f f e r e n ta p p l i e dl o a d s o nt h eb a s i so ft h e e x p e r i m e n m lr e s u l t s ，m o d e l sd e s c r i b i n gt r i pd u et og r e e n w o o d - j o h n s o nm e c h a n i s ma le c o n s i d e r e d t h er e l a t i o nb e t w e e nt r i ps t r a i na n dc h a r a c t e r i s t i co fp h a s et r a n s i t i o n m e e v o l u t i o no ft l u ps t r a i nd u r i n gm a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o na sw e l la st h ed e p e n d e n c eo f t r i ps t r a i no na p p l i e ds t r e s sa r ea l ls t u d i e di nd e t a i l t h es t u d i e dr e s u l t ss h o wt h a tt h e t r i pc o e f f i c i e n ti nt h e o r e t i c a lm o d e l si sn o tac o n s t a n tv a l u ed u r i n gm a r t e n s i t i cp h a s e t r a n s f o r m a t i o n w i t ht h ei n c r e a s i n go fv o l u m ef r a c t i o no fm a r t e n s i t e ，i t sv a l u eg r a d u a l l y d e c r e a s e s w h e nw es i m p l i f yt h ev a l u eo ft 对pc o e f f i c i e n ta sac o n s t a n td u r i n gp h a s e t r a n s i t i o n i t sv a l u e su n d e rd i f f e r e n ta p p l i e ds t r e s s e sa r ea l m o s te q u a l t h et ps t r a i n e v o l u t i o ni sr e l a t i v e l yf a s ta tt h eb e g i n n i n go fm a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o n 讹e nt h e m a r t e n s i t i cv o l u m ef r a c t i o ni n c r e a s e sf r o m0 7t o1 0 ，t h ev a r i a t i o no ft h et r j ps t r a i ni s v e r ys m a l l e v e nu n d e rah i g hs t r e s s ( a b o u t8 0 o ft h ey i e l ds t r e s so f t h ea u s t e n i t e ) ，t h e t r i ps t r a i ni ss t i l lp r o p o r t i o n a lt ot h ea p p l i e ds t r e s s t h e r e f o r et h ef u n c t i o n 乃i n t h e o r e t i c a lm o d e l ss h o u l d b eal i n e a rf u n c t i o n w h e ns t u d y i n gt h em e c h a n i c a lb e h a v i o ro fm u l t i p h a s ei n h o m o g e n e o u sm a t e r i a l ，w e m e a s u r e dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa u s t e n i t e 。m a r t e n s i t ea n dm i x t u r eo fa u s t e n i t ea n d r n a r t e n s i t eo fp 91s t e e la td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s o nt h eb a s i so fe x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h e m o d e l sd e s c r i b i n gb e h a v i o ro fi n h o m o g e n e o u sm a t e r i a lb yu s i n gm i x t u r el a wa r es t u d i e d t h er e l a t i o nb e t w e e nt h ef u n c t i o n 厂i nm i x t u r el a wa n dp l a s t i cs t r a i na sw e l la st h a t b e t w e e nf a n dm a r t e n s i t i cv o l u m ef r a c t i o na r ea l ls t u d i e di nd e t a i l w h e nw ed e s c r i b et h e b e h a v i o ro fm u l t i p h a s em i x t u r eb ya s s u m i n gt h ep l a s t i cs t r a i na r et h es a m ei na l lp h a s e so r m a b s t r a c t b yu s i n gt h ei s o - 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i n d u c e dt r a n s f o r m a t i o na n dt r a n s f o r m a t i o ni n d u c e dp l a s t i c i t y , a r ea l s o d e s c r i b e da c c u r a t e l yi nt h ec a l c u l a t e dr e s u l t s a sf o rt e m p e r a t u r ei n d u c e dp h a s et r a n s f o r m a t i o n p 91s t e e li ss t u d i e da st y p i c a l m a t e r i a l i na c c o r d i n gt oa n a l y z e dr e s u l t so ft r i pp h e n o m e n o na n dm e c h a n i c a lb e h a v i o r o fp 9ls t e e l t h em o d e lf o rt h e r m o m e c h a n o m e t a l l u r g i c a la n a l y s i si sf o u n d e d t h e w e l d i n gm e c h a n i c su n d e ro n ed i m e n s i o n a lt h e r m o m e c h a n i c a ll o a d u n i a x i a lt e s to f “s a t o h ”t y p e i sn u m e r i c a l l ys t u d i e db yf i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o n t h ee f f e c to fd i f f e r e n t a u s t e n i z e dt e m p e r a t u r e si sa l s oa n a l y z e d t h er e s u l t sf r o mc o u p l e dc a l c u l a t i o nd e s c r i b e a c c u r a t e l yt h ee o n t r i b u t i o no ft r i pt op l a s t i cd e f o r m a t i o na n dt h es o f t e n i n ge f f e c to n 上海交通人学博士学位论文 s t r e s sd u et om a r t e n s i t et r a n s f o r m a t i o n t h ee v o l u t i o no fs t r e s sf o r mc o u p l e da n a l y s i sh a s ag o o da g r e e m e n tw i t ht h ec o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t a lr e s u l t s o nt h eb a s i so fe x p e r i m e n t a la n dn u m e r i c a la n a l y s i so ft h e r m o m e c h a n o - m e t a l l u r g i c a lr e l a t i o n t h i sr e l a t i o ni sa p p l i e dt ot 1 1 ea n a l y s i so fs t r e s si na c t u a ls t r u c t u r e t h ew e l d i n g r e s i d u a ls t r e s si nt u b u l a ri o i n to fp 91s t e e li sc a l e u l a t e db yu s i n ga x i s y m m e t r i ca n dt h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm o d e l s t h er e s u l t sf r o mc o u p l e dc a l c u l a t i o nd e s c r i b ew e l lt h e d i s t r i b u t i o no fr e s i d u a ls t r e s so v e rt h el e n g t ho f p i p e l i n e b yc o m p a r i s o n ，t h er e s u l t sf r o m t h r e ed i m e n s i o n a lc a l c u l a t i o nh a v eag o o da g r e e m e n tw i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t sb e c a u s e a s y m m e t r i c c h a r a c t e r i s t i co ft h e r m a ll o a da n dp h a s et r a n s i t i o n d u r i n gw e l d i n go f s y m m e t r i cp i p e l i n ei sa c c u r a t e l yt a k e ni n t oa c c o u n ti ni t b e s i d e st h a t ，t h ee f f e c to f d i f f e r e n ti n t e r p a s st e m p e r a t u r e si nm u l t i p a s sw e l d i n go nr e s i d u a ls t r e s si sa l s oc o n s i d e r e d o nt h eb a s i so fs i m u l a t e dr e s u l t so fw e l d i n gr e s i d u a ls t r e s s w ei n t r o d u c ei n c r e m e n t a l e r e e ds t r a i ni n t ot h et h e r m o m e c h a n o m e t a l l u r g i c a lm o d e lt od e s c r i b et h ee f f e c to fh e a t t r e a t m e n to ns t r e s s t h es t r e s sa f t e rh e a tt r e a t m e n ti nt u b u l a ri o i n tp 9ls t e e l i sc o m p u t e d b yu s i n ga x i s y m m e t r i ca n dt h r e ed i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm o d e l s t h ec h a n g e so fs t r e s s i np i p e l i n ea f t e rh e a tt r e a t m e n t ：t h ed e c r e a s eo fs t r e s si nw e l dz o n ea n dt h ed e c r e a s eo f s t r e s sd i s t r i b u t i o ng r a d i e n to v e rt h el e n g t ho fp i p e l i n ea r ec a p t u r e di nt h ec a l c u l a t e dr e s u l t s b e s i d e st h a t ，t h ee f f e c t so fd i f f e r e n th o l d i n gt i m e sa n dh o l d i n gt e m p e r a t u r e so ns t r e s s r e l i e fa r ea n a l y z e d k e y w o r d s ：t h e r m o - m e c h a n o - - m e t a l l u r g i c a lc o u p l e dr e l a t i o n ；t r a n s f o r m a t i o ni n d u c e d p l a s t i c i t y ；m u l t i p h a s em i x t u r e ；f i n i t ee l e m e n t ；m a r t e n s i t et r a n s f o r m a t i o n ； p 91s t e e l ；s a t o ht e s t ；t u b u l a rj o i n t ；w e l d i n gr e s i d u a ls t r e s s v 上海交通大学博士学位论文 主要符号表 a ：拉普拉斯算子 “：”： 表示缩并两个指标的并积。 ，：由于奥氏体与马氏体相两相密度差异导致的马氏体相变的体积应变 t ：时间 膨。：马氏体相变开始温度点 a c j ：奥氏体相变开始温度点 a c 3 ：奥氏体相变终了温度点 tg 温度 k ：热传导系数 五：对流边界系数 ，：内热源 a h ：由于相变所产生的相变潜热 s ：单位体积的熵 q ，d i v q ：分别代表热流矢量以及热流矢量的散度 g r a d t ：温度梯度 e ：单位体积的内能 e ：为材料的弹性模量 毒：组成相i 或生成相的变体i 的体积分数 珥：组成相i 的热膨胀系数 厂( 毒) ：组成相i 体积分数毒的归一化函数 5 ( 磊) ：k r o n e c k e rd e l t a ( 括号中为张量的分量表示法，下同) e ( 互，) ：宏观总应变张量 酽( 露) ：宏观弹性应变张量 e ，( 彤) ：宏观塑性应变张量 e c ( 乓) ：宏观蠕变应变张量 e 曲( 霹) ：宏观热应变张量 e 驴( 霹) ：相变应变 e 帅( 舻) ：相变应变的偏张量部分一相变诱导塑性应变 e 删( 矿) ：相变应变的球张量部分 ( ；，) ：宏观应力张量 主要符号表 s ( 瓯) ：宏观应力偏张量 叼：宏观v o n m i s e s 等效应力 p ：材料的宏观流动应力 工：为p i o l a - k i r c h o f f 应力偏量的第二不变量 p ：为应力球张量，即静水压力 d 。( ) ：分别对称正定四阶弹性张量。 o ( 9 ，) o ( 一) ：材料组成相f 中的微观应力张量 s ( s y s ( 芦：) ：材料组成相f 中微观应力一的偏张量 ( 巳) 。( ) ：材料组成相i 的微观总应变 。( ) ；( ) ：材料组成相i 的微观弹性应变 p ( ) 够( 矽) ：材料组成相i 的微观塑性应变 舻：从微观尺度描述的相变应变 q ：材料组成相i 的微观流动应力 万p 酽：为材料组成相i 中的微观等效塑性应变。 i 。：塑性g r e e n 应变的第二不变量 口：用来表征位错之间相互影响的数值因子； p ：为局部位错密度。 b ：为柏氏矢量的模， ：为剪切模量。 屁：与剪切带交界处可以作为马氏体相形核处的概率相关的参数， ，：几何常数， 厶：剪切带的体积分数， 口：表征剪切带形成速率的系数 彳，b ： 由标定实验确定的应变片的应变释放系数 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取褥的成果除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 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 标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名： 日期：哪年月7 e l l| 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全7 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上海交通大学可以将本学位 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 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 ， 不保密由。 ( 请在以上方框内打“，弦) 学位论文作者签名： 日期：岬年1 月7 日 指导教师签硪“芝 日期叫年l , q 7 e l 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及目的 近年来，在石油工程、火力发电以及汽车制造等诸多工程领域，较传统的低碳 钢具有更加优异性能的高强钢、双相钢等材料得到了广泛的应用【l 卅。在经历焊接等 加工过程时，这些材料中发生的组织转变不仅显著改变了结构中的应力应变，而且 进一步影响了结构的使用及其寿命评定。在材料的热力学行为的数值研究中，从温 度组织应力耦合关系出发进行耦合分析，引入组织转变产生的影响，已经成为研究 者的共识。在分析中，研究者通过逐一表征上述三者中两两要素之间的耦合关系， 实现对三者耦合关系的全面描述。 目前，从理论模型的角度而言，在表征组织转变对应力应变场具有的影响上， 已有的理论模型多是在引入假设的基础上所构建。根据材料实际的行为，无论是对 模型的验证还是修正都存在较多的欠缺；从耦合分析的应用角度而言，国内的研究 仍存在较多的空白，在焊接力学研究领域中，至今仍未从构建完整的三者耦合模型 出发对焊接应力进行分析。 葺甜n f 搀憎粗舶h 铂p 翻d 糊l 图1 - 1 温度- 组织- 应力三者的耦合关系 f i g 1 1c o u p l e dr e l a t i o nb e t w e e nt c r n p c r a t u r e ，m i c r o s t r u c t u r ea n d s t r e s s 对材料热力学行为的描述，早期的研究工作主要考虑温度对应力应变场具有的 影响。在分析中，通过在本构方程中引入与温度相关的应变，顺序求解温度和应力 应变场。与之相比较，当在其基础上引入组织转变的影响，实现温度组织- 应力三者 的耦合关系( 为表述方便，在本章后续部分利用“三者耦合”来表述) 需要在分析中实 现如下三个方面的表征： ( 1 ) 实现温度场的描述，在其中引入应力应变场以及组织场的影响。具体而言， 从图1 1 中可见，需要分别考虑应力功以及相变潜热的作用。对于所述方面，通过在 热学方程中引入表征前述两者的相应项，即可实现对温度场的全面描述。这样的方 法也成为研究者在三者耦合分析中对温度场描述的通用选择。 第一章绪论 ( 2 ) 实现组织场的描述，在其中考虑温度以及应力应变的作用。应该指明，三者 耦合关系中所考察的组织转变为固态相变。材料液同转变，在分析中常加以忽略。 众所周知，固态相变是材料科学历来关注的领域。作为引发固态相变的两个自由度， 温度以及应力应变对组织转变的驱动作用得到了大量的研究。在此基础上，研究者 建立了相应的相变动力学模型。例如：从经典的j m a 模型或k - m 模型，到考虑材 料自身转变特征，对经典模型作出的修正，到考虑连续冷却条件下利用c c t 曲线对 相变进行的描述，再到近年来从连续体热力学出发建立的描述方程。这些模型由于 对所研究的材料或特定的组织转变类型给出了较好的描述，成为在三者耦合分析中 对组织转变描述采用的方法。 ( 3 ) 实现应力应变场的描述，在其中引入温度以及组织转变的影响。在早期的研 究工作中，通过在材料的本构方程中引入温度相关的应变，已经实现了温度对应力 应变影响的表征。例如，在焊接应力分析中广泛采用的热弹塑性分析中，通过跟踪 焊接过程中温度变化的履历对热应力问题进行迭代求解。在此基础上，对组织转变 具有的影响进行表征成为实现三者耦合分析的关键。 如图1 1 中所示，由于固态相变所产生的相变应变，改变了相变及附近区域的应 变场分布，进一步改变了结构中的应力数值及分布。对相变应变的全面描述，不仅 应该考虑相变过程自身产生的应变部分，同时应对在载荷作用下时