哈尔滨焊接研究所1993年科研成果论文摘要(一)

本成果包括九江长江大桥焊接钢梁角焊缝处疲劳裂纹扩展速率及条件门槛值的测试;高匹配焊接接头断裂模拟试验和焊接钢梁角接接头断裂寿命估计.这些成果为九江长江大桥的安全评定和桥梁工程设计提供了必要的数据.     

考虑焊缝和母材不同材料特性的焊接平板疲劳裂纹扩展行为模拟

为准确描述焊接结构的疲劳裂纹扩展行为，基于Abaqus、Zencrack及相应子程序建立了考虑材料不连续的疲劳裂纹扩展模拟方法.对于初始埋藏裂纹位于焊缝区的平板焊接结构，考虑焊缝和母材不同强度匹配，进行疲劳裂纹扩展模拟，研究了不同强度匹配对焊接结构疲劳裂纹扩展寿命和扩展特性的影响.研究结果表明，当裂纹前缘由焊缝跨越至母材区域时，焊缝和母材区域的应力强度因子计算结果出现明显变化，并随着裂纹尺寸的逐渐加大，两者差异越大.随着焊缝材料裂纹扩展参数逐渐增大，母材区域的裂纹扩展相对速率逐渐变慢，裂纹形状逐渐由圆形向扁平状椭圆形过渡；相反地，母材区域的裂纹扩展相对速率逐渐变快，裂纹形状逐渐由圆形向椭圆形过渡.文中的模拟方法有望为准确预测焊接结构的跨材料裂纹扩展行为提供有效途径.     

16Mn钢埋弧焊接头疲劳裂纹扩展速率的研究

对16Mn钢双面埋弧焊CT试样的焊缝、热影响区、母材及垂直焊缝方向的疲劳裂纹扩展速率进行了研究。结果表明,焊接接头的不同部位疲劳裂纹扩展速率不同,平均应力、焊接残余应力、金相组织对疲劳裂纹的扩展速率都有一定的影响。     

方波加载对20CrMo钢焊缝疲劳裂纹扩展的影响

利用拉-拉疲劳法和金属磁记忆检测法研究了20CrMo钢焊缝在方波加载方式下疲劳裂纹扩展与自发射磁信号的相关性,用扫描电镜对疲劳断口特征进行了研究.结果表明,裂纹到达焊缝中心前,随着疲劳寿命的增加,焊缝处的自发射磁信号也随着增加,疲劳裂纹扩展速率先增加后减小,当裂纹越过焊缝后,随着疲劳寿命的增加,焊缝处的自发射磁信号开始减小,疲劳裂纹的扩展速率却迅速增加.在焊接接头的不同区域,疲劳裂纹扩展速率也不相同,其中热影响区扩展速度较快,而在其它区域扩展速率相对较慢.断口扫描分析表明方波加载方式下的疲劳断口为类解理断裂.     

TA15钛合金焊缝及热影响区疲劳裂纹扩展行为

在扫描电镜下对TA15钛合金氩弧焊焊缝(FZ)及热影响区(HAZ)疲劳裂纹扩展行为进行了动态原位观察研究.结果表明,焊缝疲劳裂纹扩展过程中裂纹尖端滑移明显,滑移线较长;热影响区裂纹扩展初期裂纹尖端滑移不明显,在裂纹扩展中后期才出现较为明显的滑移,且滑移线较短,存在较多的二次裂纹;焊缝疲劳裂纹扩展速率高于热影响区.焊缝与热影响区疲劳裂纹扩展行为的差异与其显微组织的不同有关.     

6N01铝合金MIG焊接头疲劳裂纹扩展性能研究

研究了6N01铝合金MIG焊接头不同区域的疲劳裂纹扩展速率,对接头的宏观形貌、显微组织、显微硬度和疲劳断口进行了分析。结果表明,焊缝区为等轴树枝晶,接头热影响区主要由淬火区和过时效软化区组成。疲劳裂纹在焊缝中的扩展速率最高;热影响区内,应力值范围较低时,疲劳裂纹扩展速率低于母材,随着应力值范围的增加,其扩展速率高于母材。疲劳断口分析表明,裂纹在焊缝中以不规则和粗糙的脆性疲劳条纹形式扩展,而在热影响区则以塑性的疲劳条纹扩展,扩展抗力较高。     

GH625和GH536变形高温合金焊接的疲劳裂纹扩展速率分析

测定GH625和GH536变形高温合金在室温下的疲劳裂纹扩展速率,分析合金疲劳裂纹扩展速率与断口特征以及微观组织的关系。结果表明:应力强度因子幅ΔK较小时GH625合金焊缝处的疲劳裂纹扩展速率小于母材,ΔK较大时焊缝处的疲劳裂纹扩展速率较快;在裂纹稳定扩展阶段,GH536合金热影响区的疲劳裂纹扩展速率大于母材;GH625和GH536合金母材断口裂纹扩展区可见明显的疲劳条带特征,而焊缝中心裂纹扩展区以类解理特征为主;GH625和GH536合金焊接部位的疲劳裂纹扩展速率的快慢受焊缝或热影响区内部的析出物影响较大。     

高强度桥梁钢焊接接头疲劳裂纹扩展速率的研究

利用高频疲劳试验机对高强度桥梁钢的母材、热影响区和焊缝的疲劳裂纹扩展速率进行了测定,并结合疲劳扩展断口分析各部位疲劳裂纹扩展快慢的原因。结果表明,高强度桥梁钢焊接接头中焊缝裂纹扩展速率最低,抗疲劳裂纹扩展能力最高;母材疲劳裂纹扩展速率最高,抗疲劳裂纹扩展能力最差;热影响区介于二者之间。焊缝的疲劳断裂模式是以穿晶断裂为主,母材是以沿Z字形路径扩展的沿晶断裂为主,热影响区则介于两者之间。     

坡口形状对GH536焊接接头组织及力学性能的影响

为探讨不同坡口角度对GH536镍基高温合金焊接接头组织及性能的影响,研究了其焊缝中心及热影响区组织、硬度及疲劳裂纹扩展速率。结果表明:随着坡口角度的减小,焊缝尺寸变大,热影响区范围扩大,焊缝中心的组织发生改变,硬度逐渐提高;相同应力强度因子幅条件下,GH536高温合金大角度坡口焊接接头具有较高的疲劳裂纹扩展速率,但小角度坡口的焊接接头疲劳裂纹扩展速率增加相对较快;在设计GH536镍基高温合金焊接坡口时,要综合考虑焊缝开裂的难易程度及疲劳裂纹扩展速率。     

腐蚀环境对2024铝合金搅拌摩擦焊缝疲劳与裂纹扩展性能的影响（英文）

研究2024铝合金搅拌摩擦焊缝在空气、预腐蚀与3.5%盐水腐蚀液中的疲劳与裂纹扩展性能,并采用SEM对断口的近门槛区、稳定扩展区与瞬断区进行观测。结果表明,腐蚀环境对铝合金搅拌摩擦焊缝的寿命产生很大影响,焊缝的腐蚀疲劳寿命只有空气中的一半左右;焊缝的裂纹扩展速率比母材快,在腐蚀环境下,随着应力强度因子幅度的增大,母材与焊缝裂纹扩展速率的差距越来越大,但预腐蚀损伤对焊缝的裂纹扩展速率影响较小,只是降低了裂纹萌生寿命。     

ADB610钢焊接接头概率疲劳裂纹扩展分析

采用焊条电弧焊方法对ADB610钢进行焊接,对焊接接头进行疲劳裂纹扩展试验,研究其概率疲劳裂纹扩展规律.采用两步七点递增多项式拟合方法,计算了一系列相同裂纹长度下母材区、热影响区和焊缝区的对数裂纹扩展速率方差和存活率分别为50%,90%,95%,99%,99.9%的裂纹扩展速率.结果表明,总体上母材区的裂纹扩展分散性最小,热影响区其次,焊缝区分散性最大;而且总体上存活率相同时,在裂纹扩展的初期,母材区的裂纹扩展速率最快,焊缝区的裂纹扩展速率最慢;在裂纹扩展末期,三区域的裂纹扩展快慢相当;随着存活率增大,三区域裂纹扩展快慢差别不大时所对应的裂纹长度减小.     

桥梁钢Q345焊接接头疲劳裂纹扩展速率研究

对桥梁用钢Q345焊接接头疲劳裂纹扩展性能进行了试验研究。测得对接接头的硬度分布,结果表明,焊接接头焊缝中心处的硬度值较低,在热影响区的重结晶区存在硬度最高点,而在部分重结晶区存在硬度最低点,硬度最低点为对接接头的薄弱区。通过疲劳裂纹扩展速率测试,得到其对接接头不同区域的疲劳裂纹扩展a-N曲线以及lg(da/dN)-lgΔK曲线。分析对比对接接头各区域的疲劳裂纹扩展速率lg(da/dN)-lgΔK曲线可知,在同一应力水平下,对接接头不同部位的疲劳裂纹扩展速率不同,热影响区的扩展速率较快,母材次之,焊缝金属最慢。并通过疲劳断口和焊接接头的显微组织,分析了其疲劳裂纹扩展速率不同的原因。     

基于原位SEM的激光-MIG复合焊接7075-T6铝合金疲劳裂纹扩展行为

通过扫描电镜原位观察激光复合焊接头各区裂纹的扩展行为. 结果表明,焊缝各区组织的不同使得疲劳裂纹扩展行为发生明显改变,疲劳裂纹位于焊缝中心时,裂纹总体沿着垂直于载荷主轴的方向扩展;疲劳裂纹位于热影响区时,裂纹大致成"Z"字型路径进行扩展;疲劳裂纹在焊缝中心和热影响区扩展时都存在二次裂纹;疲劳裂纹在母材区扩展时,呈现出单一和典型的裂纹扩展模式. 此外,通过原位SEM观察获得不同循环周期下的裂纹扩展长度,进而推算得到7075-T6铝合金接头各区内疲劳裂纹扩展速率的Paris公式.     

Ti-1023钛合金的疲劳裂纹扩展行为

研究了Ti-1023合金轮盘轮缘的疲劳裂纹扩展规律,分析了取样方向和应力比对疲劳裂纹扩展速率的影响.结果表明,在相同的应力场强度因子范嗣下,随应力比的增大,裂纹扩展速率也随之增大;而取样方向对疲劳裂纹扩展速率的影响不大;验证了全范嗣疲劳扩展公式,为进一步寿命估算提供了依据.     

2050铝合金的疲劳裂纹扩展行为研究

研究取样方向、应力比以及微观组织对2050铝合金疲劳裂纹扩展速率的影响。结果表明:取样方向和应力比对疲劳裂纹扩展速率在近门槛区和快速扩展区的影响显著,而在稳态扩展区的影响则相对较小;L-T取样方向的速率最低,T-L取样方向的速率次之,S-L取样方向的速率最高,这主要与合金的晶粒取向、织构取向和第二相粒子取向有关;应力比为0.5的裂纹扩展速率高于应力比为0.1的速率,这在近门槛区主要与裂纹闭合效应有关,在快速扩展区主要受最大应力场强度因子Kmax的影响。     

焊缝宽度对焊接接头裂纹扩展速率的影响

以核电结构材料焊接接头为研究对象,利用ABAQUS有限元软件中的XFEM扩展有限元方法,研究了焊缝宽度对焊接接头裂纹扩展速率的影响情况。结果表明,对于"硬夹软"焊接接头,焊缝中心裂纹扩展速率随焊缝宽度的增加而加快。从几何结构考虑,减小焊缝宽度更有利于裂纹的止裂。     

HG785D钢在不同焊接工艺下的焊接接头疲劳裂纹扩展研究

对高强度低合金钢HG785D试样,采用两种不同的焊接方法进行焊接:其一是采用单一焊丝进行传统的等强度匹配焊接;其二是采用双金属复合等强度匹配焊接,即先用低强度焊丝(低于母材)焊第一层焊缝,然后用高强度焊丝(高于母材)焊第二层焊缝,依次交替,焊缝填满为止。对两种焊接工艺下的焊接接头进行疲劳性能研究,通过疲劳裂纹扩展速率测试,得到了两种焊接接头焊缝区域的疲劳裂纹扩展a-N曲线以及疲劳裂纹扩展速率da/d N-Δk曲线。分析对比其da/d N-Δk曲线可得,在同一应力水平下,传统焊接接头的疲劳裂纹扩展速率最慢,新工艺下焊接接头次之,母材的扩展速率最快。     

2A12-T4铝合金搅拌摩擦焊多区域疲劳裂纹扩展行为

疲劳裂纹扩展速率是材料内在组织性能的宏观外在表现,显微组织和残余应力对宏观疲劳裂纹的扩展有显著的影响.文中研究了2A12-T4铝合金搅拌摩擦焊不同区域的疲劳裂纹扩展速率.结果表明,在焊缝区域,由于搅拌针强烈的机械和焊接热作用,材料组织发生变化,并伴有残余应力的产生,导致不同区域裂纹的扩展速率存在明显差异.在低应力强度因...     

铁素体—奥氏体双相不锈钢焊缝金属的氢致断裂

用恒变形速率拉伸试验方法研究了铁素体－奥氏体双相不锈钢焊缝金属的断裂行为。发现裂纹起源与焊缝中氧化物夹杂有关，氢的存在影响裂纹起源点的位置；裂纹的扩展是一个非连续过程，不同阶段的断口形貌不同；γ相阻碍裂纹的扩展，δ相晶粒内的γ片常形成撕裂棱，δ晶粒间的γ相中常形成韧窝；当氢含量、氮含量提高时，易于形成穿晶解理断口。     

TA5钛合金焊板的疲劳断口分析

用扫描电镜对TA5钛合金焊接板件不同部位的疲劳裂纹扩展速率试验后的试样断口进行了分析.结果表明,基材、焊缝区及热影响区试样的断口形貌宏观上由众多小面组成;微观下,小面上有典型的疲劳辉纹.焊缝区和热影响区试样的辉纹间距较基体区的大,说明裂纹扩展速率快,焊缝和热影响区的抗裂纹扩展性较基体差.