【摘要】：本文通過超聲疲勞實驗、模擬應(yīng)力集中、探測殘余應(yīng)力及焊接接頭表面晶粒細化來探究超聲沖擊對P355NL1鋼焊接接頭超高周疲勞性能的影響。試驗將試樣分成5組,分別是圓柱狀母材試樣、板狀母材試樣、圓柱狀焊接接頭試樣、板狀焊接接頭試樣和超聲沖擊態(tài)試樣。五組試樣進行超聲疲勞試驗,獲得五組疲勞試驗數(shù)據(jù)和S-N曲線,對比五組試驗數(shù)據(jù),得到超聲沖擊對P355NL1鋼焊接接頭的超高周疲勞性能影響。利用掃描電鏡(SEM)觀察五組試樣的疲勞失效斷口形貌,探究其疲勞失效模式。通過ANSYS有限元軟件、殘余應(yīng)力測試儀、金相顯微鏡及透射電鏡(TEM)探究應(yīng)力集中、殘余應(yīng)力、焊根表面晶粒細化的作用下,超聲沖擊影響焊接接頭超高周疲勞性能的機理。試驗結(jié)果表明:1.由試驗數(shù)據(jù)擬合S-N曲線,得到曲線方程。板狀母材試樣:lgN+34.72lgΔσ=90.654×10~5"fN"f4.54×10~8;板狀焊態(tài)試樣:lgN+10.64lgΔσ=30.954×10~5"fN"f4.40×10~8;圓柱狀母材試樣:lgN+14.29lgΔσ=44.044×10~5"fN"f3.09×10~8;圓柱狀焊態(tài)試樣:lgN+14.93lgΔσ=44.794×10~5"fN"f5.79×10~8;超聲沖擊態(tài)試樣:lgN+13.55lgΔσ=39.344×10~5"fN"f4.30×10~7,lgN+76.22lgΔσ=186.22 4.30×10~7"fN"f5.42×10~8。2.在同等疲勞壽命情況下,圓柱狀試樣的疲勞強度要遠高于板狀試樣。在1.0×10~6周次疲勞壽命下,圓柱母材的疲勞強度是板狀母材的1.68倍,圓柱狀焊態(tài)的疲勞強度更是板狀焊態(tài)的1.80倍。超聲沖擊態(tài)試樣與板狀焊態(tài)試樣相比較,疲勞性能有很大的提升。在1.0×10~8周次疲勞壽命下,超聲沖擊試樣的疲勞強度為217MPa,而板狀焊態(tài)試樣則是143MPa,疲勞強度提升了51.7%。在試驗中可以發(fā)現(xiàn)試樣在超高周壽命區(qū)間("g10~7周次)還是會發(fā)生疲勞失效,所以不存在傳統(tǒng)意義上的疲勞極限和無限壽命。3.在220MPa的應(yīng)力載荷下,超聲沖擊態(tài)試樣的疲勞壽命為3.98×10~7周次,而板狀焊態(tài)的則為1.06×10~6周次,疲勞壽命提高了37倍,所以超聲沖擊可以大幅延長焊接接頭的疲勞壽命。4.板狀焊接接頭的裂紋擴展路徑平直,而超聲沖擊態(tài)的則比較曲折。裂紋擴展的過程中呈現(xiàn)的是穿晶斷裂,伴有塑性變形的痕跡。5.對于圓柱狀母材試樣和焊接接頭試樣,裂紋源大多位于試樣表面的機械加工微痕,少量試樣位于次表面的夾雜物處,并沒有發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋源位于試樣的內(nèi)部,沒有出現(xiàn)典型的“魚眼”形貌。擴展區(qū)斷口面平坦,均能夠觀察到河流花樣和撕裂棱,同時伴有二次裂紋和解理臺階。瞬斷區(qū)都是呈現(xiàn)韌窩形貌,這表明圓柱狀母材和焊接接頭的疲勞斷裂機制為準(zhǔn)解理斷裂。6.對于板狀焊接接頭試樣與超聲沖擊態(tài)試樣,斷裂機制差別不大,大部分裂紋都是萌生于焊跟處,區(qū)別在于板狀焊接接頭試樣裂紋萌生于表面,而沖擊態(tài)試樣則萌生于次表面,裂紋擴展區(qū)呈現(xiàn)撕裂棱和二次裂紋形貌。瞬時斷裂區(qū)呈現(xiàn)韌窩形貌,且底部有第二相粒子。這說明超聲沖擊態(tài)試樣和板狀焊接接頭試樣疲勞失效為準(zhǔn)解理斷裂。這說明超聲沖擊處理并不會改變焊接接頭高周及超高周的疲勞失效機理。7.超聲沖擊作用在焊接接頭焊根處表面,能夠增大母材與焊縫之間的圓弧過渡半徑。焊態(tài)試樣應(yīng)力集中系數(shù)K_(t1)=1.82,沖擊態(tài)試樣應(yīng)力集中系數(shù)K_(t2)=1.35,應(yīng)力集中系數(shù)下降了25.8%。所以,超聲沖擊可以明顯改善焊接接頭的應(yīng)力集中狀況。8.焊態(tài)試樣焊根處的X方向殘余拉應(yīng)力達到11.1MPa,Y方向殘余拉應(yīng)力則為20.2MPa。經(jīng)過超聲沖擊處理以后,焊根處的殘余拉應(yīng)力被殘余壓應(yīng)力所取代,沖擊態(tài)試樣X方向殘余壓應(yīng)力達到-40.5MPa,Y方向殘余壓應(yīng)力則為-23.6MPa。超聲沖擊將焊根處的殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變成殘余壓應(yīng)力,這將使得裂紋尖端的臨界應(yīng)力因子ΔK_(th)值增大,延長試樣的疲勞壽命。9.超聲沖擊參數(shù)為5min/1.5A、10min/1.5A、20min/1.5A的條件下,其晶粒平均尺寸分別大約為400nm,300nm,200nm。三組試樣的沖擊變形層的厚度分別約為300μm、460μm、600μm。在沖擊電流一定的情況下,沖擊時間越長其塑性變形層厚度越深。10.超聲沖擊細化焊跟表層晶粒組織大概是如下幾個過程:一、超聲沖擊產(chǎn)生高頻能量作用在焊接接頭焊根表面,表層組織發(fā)生劇烈塑性變形,原始晶粒內(nèi)部產(chǎn)生大量位錯;二、隨著沖擊時間的增加,位錯間會產(chǎn)生相互作用,互相糾纏形成位錯纏結(jié)和位錯墻;三、沖擊時間的增加使得應(yīng)變量在逐漸增加,位錯之間的距離在不斷減小,位錯墻和位錯纏結(jié)會逐步轉(zhuǎn)變成小角度亞晶界;四、高密度的位錯在亞晶界處繼續(xù)相互作用,使得晶界兩側(cè)的取向越來越大,小角度亞晶界逐步轉(zhuǎn)化成大角度晶界,形成亞晶。
【學(xué)位授予單位】：華東交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG407

【參考文獻】

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本文編號：2649995