P92钢焊接接头蠕变裂尖力学场和损伤分析

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本文针对P92钢焊接接头的CT试样,建立了考虑焊缝、热影响区粗晶区、细晶区和母材的多材料有限元力学模型,基于延性耗竭的蠕变损伤模型,计算研究了接头中裂纹位置、材料蠕变性能失配和接头多材料区尺寸对裂尖前蠕变断裂力学参数C(t)/C*、应力/应变分布、损伤场和裂纹起裂的影响规律。得到了以下主要结论:(1)对于多材料构成的焊接接头CT试样,在同一载荷下,不同位置裂纹在非稳态蠕变时的C(t)存在差异,而在稳态蠕变时的C*基本相同。但由于不同位置裂纹裂尖前材料蠕变性能的不同及由此而引起的材料拘束,使其裂尖前的应力/应变和损伤场存在明显不同。当蠕变从非稳态向稳态的发展过程中,热影响区材料的蠕变损伤始终最高,尤其是热影响区中的细晶区产生出高的三轴应力和高的蠕变应变,促使细晶区的蠕变损伤累积速度最快,裂纹的起裂和扩展将在细晶区域发展,这与文献中的实验观察结果一致。细晶区的损伤断裂与其抗蠕变变形能力低(蠕变软材料)及周围蠕变硬材料对其产生的拘束效应有关。(2)对于细晶区与母材的界面裂纹,在相同C*下裂尖材料蠕变性能失配程度大和裂尖材料整体抗蠕变变形能力低,都会导致裂尖拘束水平增大,使裂尖前的正应力、三轴应力、等效蠕变应变和损伤增大,裂纹起裂时间变短。离裂尖较远的非裂尖材料(焊缝、粗晶区)的性能变化对裂尖应力-应变场、拘束及损伤也有一定影响。(3)对于细晶区和母材界面裂纹,在相同C*下,增大细晶区的宽度能降低裂尖三轴应力、拘束水平和损伤,从而延缓裂纹的起裂。焊缝区和粗晶区尺寸的增大会导致裂尖前三轴应力和损伤程度的增大。(4)对于焊缝中心裂纹,在相同载荷下,随焊缝宽度的增大,裂尖的应力场参数C*、应力水平和等效蠕变应变降低。在相同C*下,随焊缝宽度增大,裂尖前的正应力、三轴应力(拘束)和等效蠕变应变增大,相应的损伤程度增大,蠕变裂纹起裂时间变短。(5)基于蠕变损伤模型的分析方法可以较好地预测焊接接头多材料区不同位置裂纹的蠕变损伤和断裂行为。本文分析表明:通过焊缝尺寸的设计、焊接材料的选择及焊接工艺参数的调控,可能使得焊缝、热影响区粗晶区及细晶区的尺寸和蠕变性能达到最优配合,从而使不同位置裂纹裂尖前的正应力、三轴应力(拘束)和等效蠕变应变和损伤的累积达到最小,从而延长蠕变裂纹起裂时间和减小裂纹扩展速率,达到提高接头蠕变寿命的目的,这方面还需进一步的研究。
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