温度组织应力耦合关系及在焊接中的应用

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1、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P91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

2、91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0．75X10"4MPa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P91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

3、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Iso-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P91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

4、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Helmholz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Taylor均匀化方法，对NiTi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

5、对应变诱导的组织转变，以多相TRIP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Iso-W假设基础上的混合法则对多相TRIP钢的摘要力学行为构建描述模型。在模型中，利用Olson．Cohen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TRIP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

6、的组织转变，以P91钢作为研究对象。根据对P91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Satoh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

7、P91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

8、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；P91钢；Satoh实验；管道接头；焊接残余应力Ⅱ上海交通人学博士学位论文THE