10Ni5CrMoV高强钢焊接接头疲劳裂纹扩展行为

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1、博士学位论文10Ni5CrMoV高强钢焊接接头疲劳裂纹扩展行为FATIGUECRACKGROWTHBEHAVIOROF10Ni5CrMoVHIGHSTRENGTHSTEELWELDEDJOINTS王强2018年6月国内图书分类号：TG404学校代码：10213国际图书分类号：621.791密级：公开工学博士学位论文10Ni5CrMoV高强钢焊接接头疲劳裂纹扩展行为博士研究生：王强导师：刘雪松教授申请学位：工学博士学科：材料加工工程所在单位：材料科学与工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔

2、滨工业大学ClassifiedIndex:TG404U.D.C:621.791DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringFATIGUECRACKGROWTHBEHAVIOROF10Ni5CrMoVHIGHSTRENGTHSTEELWELDEDJOINTSCandidate：WangQiangSupervisor：Prof.LiuXuesongAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpecialty：Ma

3、terialProcessingEngineeringSchoolofMaterialsScienceandAffiliation：EngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要焊接是潜艇、航母和驱逐舰等船体结构最主要的一种连接工艺。焊接接头中不可避免地存在缺陷，通常认为焊接结构的疲劳寿命可以仅由断裂力学方法评估，裂纹萌生阶段所占比例极小可忽略。由于长期处于

4、极为恶劣的海洋环境中，深刻理解船体结构材料焊接接头的疲劳裂纹扩展行为对船体焊接结构损伤容限设计与评估极为重要。本文针对我国新一代潜艇等船体结构用Ni-Cr-Mo-V系高强钢，10Ni5CrMoV高强钢及其焊接接头的疲劳裂纹扩展行为进行了系统的研究，对影响裂纹扩展行为的众多因素进行了详细的量化分析。由于无论是在计算焊接力学，还是在疲劳裂纹扩展过程中的裂尖应力应变响应和焊接残余应力重分布分析中，材料的弹塑性力学性能都是必不可少的参数，本文首先对10Ni5CrMoV高强钢的循环粘塑性力学行为进行了研究。分

5、别采用不同应变速率的单调拉伸加载，对称和非对称应变控制加载，非对称应力控制加载测试了材料的基本循环粘塑性力学性能，结果表明10Ni5CrMoV高强钢室温下率相关性很弱，应变控制加载下材料表现出非线性-线性-非线性的循环软化行为并且连续演化直至断裂，没有出现饱和值。非对称应力控制循环加载下材料表现出三阶段渐进棘轮行为，没有出现安定的棘轮。据此提出了一个新的针对循环软化不饱和且具有渐进棘轮材料的循环粘塑性本构模型，量化了各向同性硬化和随动硬化对循环硬化的贡献，澄清了模型中材料参数的确定方法。焊接残余应力

6、的准确表征是研究其对疲劳裂纹扩展速率影响的基础。为此采用试验测试和有限元模拟的方法对10Ni5CrMoV高强钢单道焊和多层多道焊接头残余应力进行了研究，在分析材料本构模型、固态相变、焊接加热和冷却过程中屈服强度变化对模拟结果影响的基础上，通过与实测结果的对比，给出了推荐的10Ni5CrMoV高强钢接头焊接残余应力的热-冶金-力有限元计算模型：采用基于随动硬化的混合硬化准则并考虑固态相变与屈服强度改变的热-冶金-力计算模型。模型计算结果与实测数据吻合良好。随后，为了了解10Ni5CrMoV高强钢焊接接

7、头的基本疲劳裂纹扩展性能，试验测试了母材和焊缝试样I型加载下的疲劳裂纹扩展速率，分析了材料组织、应力比对扩展速率的影响，并结合组织和断口分析、疲劳轨迹图对扩展速率测试结果进行了剖析。结果表明，随着的应力比的增加扩展速率曲线左移，每个应力比下焊缝都比母材有更高的疲劳裂纹扩展抗力。回火索氏体中的碳化物组织导致了母材高的脆性，相反裂纹在焊缝中编织物状的针状铁素体结构中杂乱无章的铁素体板条内的扩展路径更加曲折，疲劳裂纹扩展速率更慢。断口分析和疲劳轨迹图均-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文表明随着裂纹长度和

8、应力比的增加母材和焊缝中的裂纹扩展机制由疲劳断裂主导逐渐转变为疲劳断裂与穿晶准解理断裂的混合断裂模式。此外，闭合法和双参数法都能够很好地预测I型加载下母材中疲劳长裂纹扩展的应力比效应，由于切取的焊缝试样中残留的焊接残余应力两种方法对焊缝试样的归一化效果较差。在理解了I型加载下的基本疲劳裂纹扩展性能后，进一步研究了10Ni5CrMoV高强钢焊接接头在更接近于实际服役情况的I-II型复合加载下的裂纹扩展行为。由于断裂力学试样中部分残留的压缩焊接残余应力作用，焊缝试样中的裂