【摘要】：低合金高強(qiáng)鋼以其優(yōu)異的力學(xué)強(qiáng)度、延展性能以及焊接性能等,被廣泛應(yīng)用于船舶制造、汽車(chē)制造、核電工程等眾多工程領(lǐng)域。由于合金元素的影響,不同牌號(hào)低合金高強(qiáng)鋼焊接過(guò)程中固態(tài)相變的力學(xué)行為存在顯著差異,給焊接殘余應(yīng)力和變形預(yù)測(cè)帶來(lái)了一定的不確定性。因此,研究低合金高強(qiáng)鋼焊接過(guò)程中固態(tài)相變和接頭力學(xué)性能的建模方法,以及不同冷速條件下相變、組織和應(yīng)力應(yīng)變的耦合關(guān)系成為了近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。對(duì)于成分復(fù)雜的低合金高強(qiáng)鋼,在焊接過(guò)程中通常會(huì)發(fā)生多種不同類(lèi)型的固態(tài)相變,這給相變模型的建立以及有限元仿真帶來(lái)了極大的困難。一方面,傳統(tǒng)的相變模型在描述多相組織轉(zhuǎn)變及混合相力學(xué)性能時(shí),準(zhǔn)確性較差,且較難描述合金元素對(duì)固態(tài)相變速率的影響,同時(shí),也無(wú)法針對(duì)不同材料進(jìn)行統(tǒng)一建模。另一方面,針對(duì)焊接過(guò)程中接頭界面性能的變化,傳統(tǒng)模型也較難有效描述溫度、組織和接頭界面性能之間的關(guān)系,無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)焊接過(guò)程中變形以及殘余應(yīng)力的演變過(guò)程。因此,如何建立多場(chǎng)耦合模型來(lái)有效描述低合金高強(qiáng)鋼的相變行為,并在此基礎(chǔ)上研究焊接過(guò)程中溫度、組織和焊接接頭力學(xué)性能與焊接變形和殘余應(yīng)力之間的關(guān)系是本文的研究重點(diǎn)。首先,本文采用Gleeble-3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)對(duì)多種低合金高強(qiáng)鋼材料進(jìn)行熱力學(xué)性能研究,結(jié)合光學(xué)顯微鏡(optical microscope,OM)和掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)的檢測(cè)分析,討論了不同低合金鋼在多種冷卻條件下的相變組織特征和力學(xué)行為。在試驗(yàn)結(jié)果和有限元模擬的基礎(chǔ)上,通過(guò)誤差分析,提出了優(yōu)化的馬氏體相變模型并與Koistinen-Marburger方程進(jìn)行了對(duì)比,證明了優(yōu)化的馬氏體相變模型能夠更加準(zhǔn)確的描述低合金鋼的馬氏體相變過(guò)程。為了進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化模型的準(zhǔn)確性和適用性,采用Gleeble-3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了單軸約束試驗(yàn)并進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬,討論了相變機(jī)制對(duì)單軸應(yīng)力應(yīng)變演變的影響。以304L不銹鋼、16MND5和Weldox960材料為研究對(duì)象,采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,深入研究了焊接過(guò)程中瞬態(tài)應(yīng)力應(yīng)變的演變規(guī)律。一方面,在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,建立了三維多場(chǎng)耦合模型,綜合考慮了力學(xué)熔點(diǎn)、加工硬化、固態(tài)相變以及混合相力學(xué)性能對(duì)焊接應(yīng)力應(yīng)變的影響,高效、準(zhǔn)確地模擬不同相變類(lèi)型材料的焊接殘余應(yīng)力。另一方面,通過(guò)設(shè)計(jì)合理的實(shí)驗(yàn)方案,測(cè)量了不同相變類(lèi)型材料的焊接殘余應(yīng)力,并研究其分布特征,驗(yàn)證了數(shù)值模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果,討論了材料力學(xué)性能、力學(xué)熔點(diǎn)、加工硬化、固態(tài)相變等對(duì)殘余應(yīng)力形成的影響,并提出了基于相變和力學(xué)熔點(diǎn)的瞬態(tài)應(yīng)力應(yīng)變分布圖。進(jìn)一步在多場(chǎng)耦合模型的基礎(chǔ)上,針對(duì)固態(tài)相變、焊縫熔合過(guò)程、有效熔深和焊腳尺寸等因素對(duì)焊接接頭力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度的影響,提出了熱-力界面單元模型,并研究了焊接順序?qū)型接頭焊接變形的影響。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果,發(fā)現(xiàn)熱-力界面單元模型能夠更加準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)多條焊縫的大型結(jié)構(gòu)的焊接變形,證明了在進(jìn)行T型接頭焊接有限元模擬時(shí),引入界面單元模型的必要性和準(zhǔn)確性。同時(shí),針對(duì)微觀(guān)晶粒界面的力學(xué)性能描述,進(jìn)一步提出了溫度-組織-位移界面單元模型。通過(guò)對(duì)兩種不同多晶模型在不同約束和位移載荷條件下的開(kāi)裂行為進(jìn)行研究,驗(yàn)證了溫度-組織-位移界面單元模型在描述裂紋形成和擴(kuò)展過(guò)程中的適用性和有效性,并探討了裂紋萌生和擴(kuò)展的影響因素。在模型探討的基礎(chǔ)上,將多場(chǎng)耦合模型和界面單元模型應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接變形和殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,分析了大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力及變形規(guī)律,并進(jìn)一步驗(yàn)證了多場(chǎng)耦合模型和界面單元模型的準(zhǔn)確性。
【圖文】：

驗(yàn)以及計(jì)算工作，提出了針對(duì)加工硬化、組織轉(zhuǎn)變、相變應(yīng)變、合相力學(xué)性能等的多種耦合模型，試圖實(shí)現(xiàn)對(duì)多場(chǎng)耦合關(guān)系進(jìn)行全于合金元素的影響，低合金鋼的相變機(jī)制、力學(xué)性能以及“力學(xué)，采用傳統(tǒng)的相變模型和“力學(xué)熔點(diǎn)”模型來(lái)描述會(huì)產(chǎn)生較大誤差金高強(qiáng)鋼焊接等熱加工過(guò)程中耦合模型的建立，文獻(xiàn)中較多針對(duì)合，很少有完整耦合模型的報(bào)道，而國(guó)內(nèi)針對(duì)這方面的研究仍然

K. Tsuzaki 等人則從熱力學(xué)出發(fā)，考慮了馬氏體形核的概率 ρprob，建立了馬氏體相變動(dòng)力學(xué)方程[124, 125]。然而，對(duì)于成分更加復(fù)雜的低合金鋼，K-M 方程并不能準(zhǔn)確的描述馬氏體的體積分?jǐn)?shù)。Lee 等人通過(guò)對(duì) 29 種低合金鋼進(jìn)行試驗(yàn)分析，提出了基于合金元素和晶粒尺寸的馬氏體相變模型[126, 127]，如公式（1-12）所示： 22.240.191.320.576.933.420.246.3599.01762.889.271.080.761bCCaCCCNiCrMoGMTKKVVdTdVsbMaMM（1-12）式中，VM為馬氏體體積分?jǐn)?shù)，C 為碳當(dāng)量，T 為溫度。相比 K-M 方程來(lái)說(shuō)，采用公式（1-8）能夠更為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)不同溫度下馬氏體的體積分?jǐn)?shù)，如圖 1-2 所示，，M50和 M90分別是馬氏體體積分?jǐn)?shù)為 50%和 90%時(shí)的溫度。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TG457.11

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本文編號(hào)：2559194