钛合金激光焊接接头塑性损伤行为分析

采用多试样拉伸法研究了TC4钛合金CO2激光深熔焊接接头的塑性损伤行为.结果表明,钛合金激光深熔焊接接头的塑性损伤过程表现为微孔洞的产生、长大与聚合方式;微孔洞体积分数沿焊接接头从焊缝、热影响区至母材呈非线性分布;焊接接头的微孔洞损伤规律和载荷大小相关,在载荷较小时焊缝的损伤大于热影响区和母材损伤,随着载荷值的增加,热...     

断裂应变对含损伤焊接接头裂纹扩展驱动力影响的数值

利用弹塑性损伤-应变耦合有限元方法，对含有损伤的焊接接头三点弯曲裂纹试样进行了模拟计算，讨论了母材区的断裂应变εfB的变化对焊缝区裂纹的扩展驱动力J积分的影响规律。结果表明，焊缝中裂纹的断裂行为受到焊缝两侧母材断裂应变的明显影响。对于无论何种强度匹配的接头，在焊缝区各项力学性能参数保持不变的条件下，随着母材区断裂应变的减小，损伤率的增加，损伤区的扩大，焊缝中裂纹韧带区塑性应变及裂纹扩展驱动力J积分均有明显的提高；随着接头强度匹配比M的降低(即母材屈服强度的升高)，母材区断裂应变的变化对J积分的影响作用逐渐减弱；随着焊缝宽度的逐渐增加，母材断裂应变的变化对J积分的影响作用逐渐减弱，焊接接头试样的计算J积分值逐渐趋向于全焊缝材料试样计算得到的J积分值；当焊缝宽度增加到2H／a约为0．6时，母材断裂应变的变化对焊缝区裂纹扩展驱动力J积分的影响作用完全消失。     

焊接接头损伤条件下的断裂力学参量数值模拟

利用弹塑性损伤-应变耦合有限元方法研究了不同强度匹配焊接接头中母材区断裂应变的变化对焊缝区裂纹断裂力学参量J积分的影响规律.结果表明,对于强度高匹配、等匹配和低匹配的焊接接头,在焊缝区各项力学性能参数保持不变的条件下,随着母材区断裂应变的减小,焊缝区的塑性应变及裂纹扩展驱动力J积分均有明显的提高;随着接头强度匹配比M的降低(母材屈服强度的升高),母材区断裂应变的变化对J积分值的影响作用减小.     

TC4钛合金CO2激光深熔焊接头非线性损伤研究

针对TC4钛合金CO2激光深熔焊接接头具有组织性能非线性大梯度特征,并对其塑性损伤行为产生影响的科学问题,采用多试样拉伸试验法研究其非线性塑性损伤行为,提出采用金相法检测的微孔洞体积分数以表征塑性损伤程度。结果表明:TC4钛合金激光深熔焊接头的塑性损伤过程表现为微孔洞的产生与聚合;微孔洞体积分数沿焊接接头从焊缝、热影响区(HAZ)至母材呈非线性分布;激光焊接接头的焊缝、HAZ和母材的微孔洞长大规律和施加应力与显微组织有关,在应力较小时,粗大的晶粒尺寸使得焊缝损伤大于HAZ损伤,而在应力较大时,晶内微孔洞使得HAZ损伤大于焊缝;而且随着施加应力的增大,HAZ中的微孔洞体积分数增长速度比焊缝快。     

强度匹配对梁柱焊接接头在地震作用下损伤性能的影响

针对抗震钢结构的梁柱焊接接头建立了符合损伤指数定义的加权线性组合双参数模型，并给出了在模拟地震循环载荷作用下，焊接接头累积损伤指数的计算方法。使用ANSYS软件对钢结构焊接接头建立了实体模型，在模拟地震循环载荷作用下进行了弹塑性有限元分析，得到了在不同匹配情况下焊接接头的塑性应变，据此计算了高匹配和等匹配条件下焊接接头的累积损伤指数。计算结果表明，在循环载荷作用下，高匹配焊缝的损伤要小于等匹配焊缝的损伤。     

疲劳损伤对核电汽轮机焊接转子接头应力腐蚀开裂敏感性的影响

采用慢应变速率拉伸试验(SSRT)研究了不同程度疲劳损伤对核电汽轮机焊接转子接头应力腐蚀开裂敏感性的影响，利用扫描电子显微镜等观察手段讨论了疲劳损伤对汽轮机焊接接头应力腐蚀开裂敏感性和二次裂纹的作用机理. 结果表明，疲劳损伤增强了核电汽轮机焊接转子接头应力腐蚀开裂敏感性. 此外，疲劳损伤的作用使空气中试样的塑性提高而在腐蚀溶液中塑性降低，也影响了试样内部二次裂纹的产生和扩展.     

力学与电化学作用下X80钢焊接接头SCC行为分析

采用动电位扫描技术及慢应变速率拉伸试验(slow strain rate test, SSRT)研究了X80钢焊接接头在库尔勒模拟溶液中应力腐蚀开裂(stress corrosion cracking, SCC)行为,并利用扫描电镜(scanning electron microscope, SEM)对不同应变速率下试样断口形貌进行表征.结果表明,随着应变速率的增加,X80钢焊接接头的腐蚀速率则呈现持续增大的趋势.当应变速率为1×10-5/s时,试样的腐蚀情况最为严重. X80钢焊接接头在不同应变速率下的腐蚀机制是由电化学-力学交互作用共同决定的.试样发生应力腐蚀后断裂于焊缝处,这是由于焊接过程导致焊缝晶格存在大量的缺陷,使得晶格活性较高所致.     

B170P1差厚高强度钢激光拼焊板拉伸试验研究

采用不同激光焊接工艺参数对不同厚度的B170P1高强度钢进行焊接,并对焊后试样进行拉伸试验,研究不同激光焊接工艺对拼焊板力学性能的影响.结果表明:在焊接质量合格的情况下,焊接功率越高,焊接件的塑性和韧性越差;适当增加焊接速度,可以提高焊接件的塑性和韧性;随着热输入量的增加,真实应力-应变曲线也随之升高,表明焊缝的塑化能力随着热输入量的增加而减小,采用较小的热输入量可以提高拼焊板的塑性成形性能.     

基于局部应变法的焊接微区低周疲劳性能

针对忽略焊接力学不均匀性的名义应变法评价焊接接头低周疲劳性能不准确的问题,提出一种考虑焊接接头力学不均匀性、基于弹塑性有限元计算的局部应变法,对焊接接头的低周疲劳性能进行准确评价.通过耐热钢电弧焊接头光滑试样和焊缝光滑试样的低周疲劳试验,以及焊接接头光滑试样在加载过程中的弹塑性有限元计算,采用名义应变法和局部应变法分别对耐热钢电弧焊接头光滑试样进行低周疲劳性能评价.结果表明,耐热钢电弧焊接头在低周疲劳载荷下断裂于焊缝区域.采用名义应变法评价该焊接接头时,结果偏保守.由于局部应变法考虑了焊接接头的力学不均匀性,基于断裂微区的局部应变进行疲劳性能评价,发现采用局部应变法得到的焊接接头应变—寿命曲线与断裂微区焊缝的应变—寿命曲线一致.     

盐雾环境对超声冲击前后铝合金焊接接头力学性能的影响

对6005铝合金焊接接头进行超声冲击处理,对冲击前后焊接接头进行残余应力测试.结果表明,超声冲击后,6005铝合金焊缝及热影响区(HAZ)均变为残余压应力,应力分布较为均匀.对冲击前后试样进行盐雾腐蚀试验.超声冲击后的试样在腐蚀不同时间后,其腐蚀产物均少于未冲击试样,超声冲击后焊接接头硬度得到提高,焊缝及HAZ的硬化层深度分别为1.5 mm及2.1 mm,腐蚀14天后,硬化层能够保持在0.9 mm,可有效地保护基体.另外,腐蚀同样时间后,冲击后的焊接接头试样能够保持较好的综合力学性能.     

A nonlinear-guided wave technique for evaluating plasticity-driven material damage in a metal plate

This research develops an experimental method for evaluating material damage due to plastic deformation in a metal plate using nonlinear-guided waves. An improved version of a previously proposed measurement technique is used. The material nonlinearities of aluminum specimens loaded to produce different levels of plastic strain are measured with Lamb waves. A pair of wedge transducers is used to generate and detect the fundamental (s1) and second harmonic (s2) Lamb waves. The weak amplitude of the second harmonic wave is extracted from the spectrogram of a received signal. The measured acoustic nonlinearity increases monotonically with the level of plasticity (plastic strain), which is similar to the behavior of longitudinal and Rayleigh waves. This result indicates that Lamb waves can be used to assess plasticity-driven material damage in the established framework of the second harmonic generation technique. The effects and the importance of signal processing in determining the nonlinearity parameter are also discussed.     

40CrNiMo钢高温拉伸变形行为和组织演变规律

采用光滑和缺口拉伸试样进行不同温度(950、1050和1150 ℃)和不同应变速率(0.5、1.0和5.0 s^-1)的高温拉伸试验,研究了40CrNiMo钢在高温拉伸时的力学性能变化、微观组织演变以及塑性损伤形成机理,分析了不同应力三轴度对高温塑性损伤的影响。结果表明,提高变形温度或降低应变速率会降低峰值应力;应变速率从0.5 s^-1增大至5 s^-1,晶粒大小不均匀程度增加,材料更容易产生塑性损伤;变形温度从950 ℃提高到1150 ℃,晶粒尺寸增大近3倍;损伤经历形核、长大并形成微裂纹3个步骤,应力三轴度与缺口半径成负相关关系,应力三轴度的增大会加剧塑性损伤的发生,使得拉伸试件的断裂应变值降低。在车轴实际轧制过程中,在保证一定生产效率的前提下,可以通过尽可能减小楔横轧模具的成形角,并适当增大展宽角的方法,来降低材料塑性变形时内部各处的动态应力三轴度值,降低损伤发生的概率。     

Fatigue Life Prediction of Metallic Materials Based on the Combined Nonlinear Ultrasonic Parameter

The fatigue life prediction of metallic materials is always a tough problem that needs to be solved in the mechanical engineering field because it is very important for the secure service of mechanical components. In this paper, a combined nonlinear ultrasonic parameter based on the collinear wave mixing technique is applied for fatigue life prediction of a metallic material. Sweep experiments are first conducted to explore the influence of driving frequency on the interaction of two driving signals and the fatigue damage of specimens, and the amplitudes of sidebands at the difference frequency and sum frequency are tracked when the driving frequency changes. Then, collinear wave mixing tests are carried out on a pair of cylindrically notched specimens with different fatigue damage to explore the relationship between the fatigue damage and the relative nonlinear parameters. The experimental results show when the fatigue degree is below 65% the relative nonlinear parameter increases quickly, and the growth rate is approximately 130%. If the fatigue degree is above 65%, the increase in the relative nonlinear parameter is slow, which has a close relationship with the microstructure evolution of specimens. A combined nonlinear ultrasonic parameter is proposed to highlight the relationship of the relative nonlinear parameter and fatigue degree of specimens; the fatigue life prediction model is built based on the relationship, and the prediction error is below 3%, which is below the prediction error based on the relative nonlinear parameters at the difference and sum frequencies. Therefore, the combined nonlinear ultrasonic parameter using the collinear wave mixing method can effectively estimate the fatigue degree of specimens, which provides a fast and convenient method for fatigue life prediction.     

焊接应力场与应变场的计算与讨论

经典的观点认为焊缝存在残余压缩塑性应变,而目前有学者认为焊缝是在冷却的过程中形成的,与加热过程无关,认为焊缝只存在拉伸塑性应变,而不存在压缩塑性应变.针对这一对传统残余塑变理论的质疑,采用有限元方法对薄板熔焊对接接头纵向应力和应变的瞬态变化以及由焊缝中心到母材边缘的纵向应力和应变分布情况进行了计算.结果表明,焊缝及近缝区存在着残余压缩塑性应变,应力状态为拉应力,由焊缝中心到母材边缘其纵向应力由拉应力转变为压应力,纵向压缩塑性变形量逐渐下降,离焊缝较远受温度场影响较小的母材不产生塑性变形.     

拼焊板单向拉伸变形非均匀性

从金属塑性理论出发,结合拼焊板成形特点,推导出同材差厚拼焊板试件单向拉伸情况下缩颈时焊缝两侧薄厚板变形量公式。并基于垂直于拉伸方向居中焊缝的拼焊板单向拉伸实验,将实验结果与公式推导结果比较,初步验证了公式的合理性。进而进行了不同焊缝位置(焊缝垂直于拉伸方向,薄厚板厚度比例不同)情况下的拼焊板试件单向拉伸有限元模拟,进一步验证了所推导公式是正确的。另外,分析了单向拉伸状态下焊缝两侧薄厚板变形的非均匀特性,利用文章所提出的公式,可以定量地预测单向拉伸状态下拼焊板试件焊缝两侧材料非均匀性变形量,从而为提高焊缝两侧材料的匹配性以减小拼焊板变形的非均匀性提供了参考依据。     

焊接塑性应变演变过程——低碳钢、不锈钢及钛合金塑性应变演变特点及规律

采用数值模拟方法对低碳钢、不锈钢及钛合金3种材料薄板电弧焊接塑性应变演变过程进行了分析.结果表明,在焊接过程中,焊缝及近缝区内无论是纵向塑性应变还是横向塑性应变均为压缩塑性应变,熔池凝固及高温区冷却产生的拉伸卸载不足以完全抵消加热过程产生的压缩塑性应变,最终残留在焊缝及近缝区内的塑性应变仍保持压缩状态,压缩塑性区的宽度明显宽于材料"力学熔化"区宽度.     

铝合金薄板焊件纵向塑性应变场的数值模拟

利用弹塑性有限元分析软件对普通焊件的纵向塑性应变场进行了模拟.结果表明,对于尺寸为200 mm×100 mm ×2 mm的2A12T4铝合金薄板填丝对接焊件,其焊缝部位只存在纵向拉伸塑性应变;在靠近焊缝的区域,既存在纵向压缩塑性应变,也存在纵向拉伸塑性应变;在焊缝长度方向纵向残余塑性应变的分布不均匀,在靠近起弧端和收弧端的区域呈现复杂的分布特征.焊接过程中温度场的变化和热源旁侧金属受力状况的不同是近缝区金属纵向塑性应变不均匀分布的原因.     

Fractographic Analysis of Weld Metal and HAZ Regions of API X-80 Steel Subjected to Simulation of the Reel-Lay Method

The reel-lay method is a process commonly used for rigid riser installation. During this process, riser materials are subjected to high strain levels and associated plastic damage which can affect their structural integrity. The aim of this work was to evaluate the fracture surfaces at weld metal and heat-affected zone regions of API X-80 steel three-point bend specimens, SE(B), subjected to reel-lay method simulations. The pre-existence of circumferential planar defects at 12 o’clock position was considered and the J-integral was used to simulate the reel-lay condition at the defects. Different strain levels considering conditions less and more severe than the real one were also studied. The results showed a great influence of J magnitude on fracture surface morphology. The increase of J magnitude led to a greater local surface damage on the specimens and stable crack growth during reel-lay simulation. High loading conditions should be avoided in the operation in order to prevent further structural damage of the materials.