低合金高強鋼焊接過程固態(tài)相變力學行為研究.pdf

1、低合金高強鋼以其優(yōu)異的力學強度、延展性能以及焊接性能等，被廣泛應用于船舶制造、汽車制造、核電工程等眾多工程領域。由于合金元素的影響，不同牌號低合金高強鋼焊接過程中固態(tài)相變的力學行為存在顯著差異，給焊接殘余應力和變形預測帶來了一定的不確定性。因此，研究低合金高強鋼焊接過程中固態(tài)相變和接頭力學性能的建模方法，以及不同冷速條件下相變、組織和應力應變的耦合關系成為了近年來的研究熱點。
　　對于成分復雜的低合金高強鋼，在焊接過程中通常會發(fā)生

2、多種不同類型的固態(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變及混合相力學性能時，準確性較差，且較難描述合金元素對固態(tài)相變速率的影響，同時，也無法針對不同材料進行統(tǒng)一建模。另一方面，針對焊接過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系，無法準確預測焊接過程中變形以及殘余應力的演變過程。因此，如何建立多場耦合模型來有效描述低合金高強鋼的相變行為，并在

3、此基礎上研究焊接過程中溫度、組織和焊接接頭力學性能與焊接變形和殘余應力之間的關系是本文的研究重點。
　　首先，本文采用Gleeble-3500熱模擬試驗機對多種低合金高強鋼材料進行熱力學性能研究，結合光學顯微鏡（optical microscope，OM）和掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）的檢測分析，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行為。在試驗結果和有限元模擬

4、的基礎上，通過誤差分析，提出了優(yōu)化的馬氏體相變模型并與 Koistinen-Marburger方程進行了對比，證明了優(yōu)化的馬氏體相變模型能夠更加準確的描述低合金鋼的馬氏體相變過程。為了進一步驗證優(yōu)化模型的準確性和適用性，采用Gleeble-3500熱模擬試驗機進行了單軸約束試驗并進行了有限元數(shù)值模擬，討論了相變機制對單軸應力應變演變的影響。
　　以304L不銹鋼、16MND5和Weldox960材料為研究對象，采用實驗和數(shù)值模擬相

5、結合的方法，深入研究了焊接過程中瞬態(tài)應力應變的演變規(guī)律。一方面，在實驗的基礎上，建立了三維多場耦合模型，綜合考慮了力學熔點、加工硬化、固態(tài)相變以及混合相力學性能對焊接應力應變的影響，高效、準確地模擬不同相變類型材料的焊接殘余應力。另一方面，通過設計合理的實驗方案，測量了不同相變類型材料的焊接殘余應力，并研究其分布特征，驗證了數(shù)值模擬計算的準確性。結合實驗結果和數(shù)值模擬計算結果，討論了材料力學性能、力學熔點、加工硬化、固態(tài)相變等對殘余應力

6、形成的影響，并提出了基于相變和力學熔點的瞬態(tài)應力應變分布圖。
　　進一步在多場耦合模型的基礎上，針對固態(tài)相變、焊縫熔合過程、有效熔深和焊腳尺寸等因素對焊接接頭力學性能和結構剛強度的影響，提出了熱-力界面單元模型，并研究了焊接順序對T型接頭焊接變形的影響。通過對比試驗結果和計算結果，發(fā)現(xiàn)熱-力界面單元模型能夠更加準確的預測多條焊縫的大型結構的焊接變形，證明了在進行T型接頭焊接有限元模擬時，引入界面單元模型的必要性和準確性。
　

7、　同時，針對微觀晶粒界面的力學性能描述，進一步提出了溫度-組織-位移界面單元模型。通過對兩種不同多晶模型在不同約束和位移載荷條件下的開裂行為進行研究，驗證了溫度-組織-位移界面單元模型在描述裂紋形成和擴展過程中的適用性和有效性，并探討了裂紋萌生和擴展的影響因素。
　　在模型探討的基礎上，將多場耦合模型和界面單元模型應用于復雜結構焊接變形和殘余應力的預測。通過對實驗結果和計算結果進行對比，分析了大型復雜結構焊接殘余應力及變形規(guī)律，并