Ⅰ-Ⅱ型复合加载下高强钢焊接接头的疲劳裂纹扩展行为

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1、硕士学位论文I-II型复合加载下高强钢焊接接头的疲劳裂纹扩展行为FATIGUECRACKPROPAGATIONBEHAVIOROFHIGHSTRENGTHSTEELWELDEDJOINTUNDERI-IIMIXED-MODELOADING杨超哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：TG405学校代码：10213国际图书分类号：621.791密级：公开工程硕士学位论文I-II型复合加载下高强钢焊接接头的疲劳裂纹扩展行为硕士研究生：杨超导师：方洪渊教授申请学位：工程硕士学科：材料工程所在单位：材料科学与工程学院答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:

2、TG405U.D.C:621.791DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringFATIGUECRACKPROPAGATIONBEHAVIOROFHIGHSTRENGTHSTEELWELDEDJOINTUNDERI-IIMIXED-MODELOADINGCandidate：YangChaoSupervisor：Prof.FangHongyuanAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MaterialsEngineeringAffiliation：SchoolofMaterialsSc

3、ienceandEngineeringDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要船体结构在水中长期承受水压等交变应力的作用，极易产生疲劳开裂。复杂多变的海底环境使裂纹承受的载荷多是I，II或III型载荷的复合作用。因此有必要研究复合型加载下疲劳裂纹的扩展特性。而高强钢因为有着高强度和良好的韧性，使其作为船舶舰艇发展的重要基础材料而得以广泛应用。对某型号高强钢及其焊接接头采用I-II型复合加载方式进行疲劳试验，研究其裂纹扩展特性。重点包括复合加载

4、下的应力强度因子KI，KII的计算分析，及裂纹的扩展路径和扩展速率。分析闭合效应对裂纹扩展的驱动力及扩展速率的影响，找出有效表征驱动裂纹扩展的参量的表达式。具体如下：采用有限元计算KI，KII，发现其中的应力外推法在使用8节点四面体单元，0.1mm网格建模计算时能很好地保证计算精度且计算效率高。分别对母材和焊缝CTS试样进行I-II型复合加载，实测开裂方向，发现与最大周向应力准则预测方向吻合。裂纹在母材和焊缝中分别各沿着某一方向扩展基本不发生变化，但裂纹遇到焊缝与母材交界处时扩展方向发生变化。裂纹开始扩展后，KII急剧下降，KI增加，此后KII远小于KI。母材中裂纹扩展速率大于焊缝中裂纹扩展速

5、率，发现材料性能和微观组织影响扩展速率，马氏体阻碍裂纹的扩展。实验发现疲劳裂纹稳定扩展阶段扩展速率曲线出现转折点，分析扫描电镜下的微观断口发现转折点前后裂纹的扩展机制发生了变化，由疲劳断裂转为解理断裂和疲劳断裂的混合型。采用Richard和Tanaka公式表示当量应力强度因子ΔKv，发现不同加载角度下的扩展速率曲线da/dN-ΔKv不重合。说明现有的应用较广的公式得到的ΔKv无法很好地描述复合加载下高强钢的疲劳裂纹扩展驱动力。裂纹扩展过程中存在闭合效应，这使得真正驱动裂纹扩展的有效载荷发生了变化。分析发现母材中的裂纹闭合程度低于焊缝，且处于一个较低水平。考虑闭合效应对裂纹扩展驱动力的影响，用有

6、效应力强度因子ΔKeff=UΔKv表征裂纹扩展的真实驱动力，发现修正效果一般。考虑复合型加载时加载和开裂角度及闭合度对扩展驱动力的影响，提出一个新型描述复合加载下当量应力强度因子的公式并进行验证，发现不同加载角度下扩展速率曲线归一化效果好于上述公式，说明此公式很好地描述了裂纹扩展的驱动力。关键词：高强钢；I-II型复合加载；疲劳裂纹扩展特性；裂纹闭合效应-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractHullandshipstructuresareextremelyeasytogeneratefatiguefailure,becausetheyarebearingalternatingst

7、ressofwaterpressureforalongterm.Sincetheunderwaterenvironmentiscomplex,thecrackisusuallynotunderasingletypeofmodeI,IIorIIIloadingbutundermixedmodeloading.Soit’snecessarytostudycharacteristicsofthefati