焊接接头裂端塑性区发展与应力三轴性

采用有限元计算方法分析了平面应变条件下中心裂纹和三点弯曲不同强度匹配和裂纹深度试样中的裂端场．结果发现，焊接接头裂端应力三轴性随加载方式、裂纹长度及焊缝和母材匹配性质不同而变化，并从焊缝和母材塑性区发展及应变硬化方面进行了解释．同时指出，由于焊缝和母材塑性变形及交互作用导致的裂端韧带上拉应力的改变是不同接头中应力三轴性变化的根本原因     

含损伤焊接接头裂纹体J积分的有限元数值研究

针对三点弯曲裂纹试样，利用弹塑性损伤-应变耦合的有限元方法，研究了在不同强度匹配焊接接头中，母材区断裂应变的变化对焊缝区裂纹断裂力学参量J积分的影响规律研究结果表明，在焊接接头中，材料损伤的出现将使裂纹扩展驱动力J积分增加，即裂纹更易扩展。对于高、等和低匹配的焊接接头，在焊缝区各项力学性能参数保持不变的条件下，随着母材区断裂应变的减小，焊缝区的塑性应变及裂纹扩展驱动力J积分均有明显的提高，使结构的安全性下降。随着接头强度匹配比的降低(母材屈服强度的升高)，母材区断裂应变的变化对J积分的影响作用逐渐减弱。     

三轴应力场中空穴扩张临界值与材料的微观断裂延性

选用一种球化碳钢的轴对称光滑和不同缺口拉伸试样研究了材料在三轴应力场中的宏、微观断裂延性。基于不同应力三轴性水平下空穴扩张与聚合的特性,给出了一个新的材料微观断裂延性表达式。结合空穴扩张的临界尺寸与断口韧窝几何的三维测量结果,证明了在不同的三轴应力水平下,材料微观断裂延性与实测宏观断裂延性之间均有着良好的一致性。从而揭示了材料断裂延性随应力三轴性水平升高而下降的微观机理。     

一种超细晶粒钢焊接宽板抗断裂性能的数值评估

800MPa超细晶粒钢具有优良的综合力学性能，但焊接热作用可能导致焊接热影响区的晶粒长大及局部软化。通过数值分析方法，以800MPa超细晶粒钢母材性能为参照，对其实际焊接接头的抗断裂性能进行了评估。采用MARC商用软件，对不同中心贯穿裂纹尺寸的母材及其实际焊接接头拉伸板模型进行了三维有限元计算和拉伸过程模拟。焊接方法为脉冲熔化极混合气体保护焊，焊接板的中心裂纹处于焊缝与热影响区之间的熔合区。用作对比的母材板的裂纹尺寸和位置、网格划分、边界条件等与焊接板完全相同。根据计算结果，分析了焊接接头力学不均匀性对应力应变场的影响，并依据全面屈服理论对裂纹张开位移（CYOD）值进行了分析。结果表明，焊接接头的CTOD值均低于同裂纹尺寸的全母材。因此，该拉伸板的抗断裂性能应优于全母材，焊接接头的局部软化并未对结构承载造成不利影响。     

热处理对CLAM钢TIG焊接接头显微组织影响

采用TIG焊接方法对中国低活化马氏体钢(CLAM 钢)进行了平板对接试验,分别对焊接接头采用不同温度的焊后热处理,试验温度分别为610,660,710,760,810℃,保温30 min.结果表明,焊后进行热处理与不做热处理两种情况下,CLAM钢焊接接头微观形貌和硬度存在很大不同;随温度增加,焊接接头焊缝中马氏体板条分布及尺寸均匀性得到提高,热处理温度710℃以上时板条均匀性最好,但晶粒尺寸与板条也会随温度升高而长大.焊后热处理使焊接接头各部分硬度随热处理温度的升高而逐渐降低,焊缝金属硬度下降值比母材和焊缝热影响区大得多,尤其在810℃时焊缝金属硬度下降值最大,降至与母材硬度相当.     

Q460高强钢材及T形对接接头力学性能研究

为明确高强钢材焊接接头的脆变程度,针对Q460高强钢材及T形对接焊接接头进行试验和数值分析研究。分别从国产Q460钢板母材、热影响区和焊缝处取材,加工19个材性试件,进行单向拉伸试验;加工5个板厚及夹角不同的单面成形全熔透对接焊接T形接头,完成单向拉伸试验;对材性及接头试验结果进行精细化数值模拟,获取Q460钢材基本材性参数、断裂参数和应力-应变关系,分析T形接头试件的破坏模式、抗拉强度及断裂延性指标。研究结果表明:Q460高强钢母材强度符合我国钢结构设计标准要求,焊缝熔敷金属和热影响区塑性变形能力较母材略差。Q460钢T形焊接接头强度符合我国钢结构设计标准要求且有一定安全储备,破坏发生在母材中部,塑性变形能力取决于母材应力状态,基于VGM微观断裂预测理论,能有效预测T形接头断裂性能。     

15MnVR（金）钢焊接冷裂倾向的研究

用插销试验研究了１５ＭｎＶＲ（金）的焊接冷裂倾向．在焊接线能量一定的条件下，定量探讨了母材成分、扩散氢含量、预热温度、板厚以及焊缝强度对临界断裂应力的影响．试验结果表明：该种钢与１６Ｍｎ钢相比具有更好的焊接性，材料本身对氢并不十分敏感     

一种超细晶粒钢焊接宽板抗断裂性能的数值评估

800 MPa超细晶粒钢具有优良的综合力学性能,但焊接热作用可能导致焊接热影响区的晶粒长大及局部软化。通过数值分析方法,以800 MPa超细晶粒钢母材性能为参照,对其实际焊接接头的抗断裂性能进行了评估。采用MARC商用软件,对不同中心贯穿裂纹尺寸的母材及其实际焊接接头拉伸板模型进行了三维有限元计算和拉伸过程模拟。焊接方法为脉冲熔化极混合气体保护焊,焊接板的中心裂纹处于焊缝与热影响区之间的熔合区。用作对比的母材板的裂纹尺寸和位置、网格划分、边界条件等与焊接板完全相同。根据计算结果,分析了焊接接头力学不均匀性对应力应变场的影响,并依据全面屈服理论对裂纹张开位移(CTOD)值进行了分析。结果表明,焊接接头的CTOD值均低于同裂纹尺寸的全母材。因此,该拉伸板的抗断裂性能应优于全母材,焊接接头的局部软化并未对结构承载造成不利影响。     

相同热输入条件下参数匹配对SUH409L焊缝组织的影响研究

为研究铁素体不锈钢在相同的热输入下焊接速度对其焊缝组织的影响,使用TIG焊接方法对1.5mm厚的SUH409L不锈钢板进行了焊接,9组参数的焊接电流和焊接速度同比例变化,使得焊接热输入保持不变。使用共聚焦显微镜、维式硬度计分析了不同参数下焊缝的组织和硬度分布。结果表明,焊接热输入和散热情况共同影响熔池尺寸,进而影响焊缝组织。当热输入定为178J/mm时,焊接速度超过483mm/min后,熔池长宽比大于2.0,焊缝等轴晶比例大于20%,焊缝硬度分布较为平缓,可以有效地改善焊缝在受载时的应力应变集中。焊接速度超过650mm/min后,焊缝中等轴晶比例增加幅度不明显,同时焊缝会出现下塌的情况,抵消了等轴晶对应力应变集中的贡献。     

纯铜中心孔板拉伸断裂的实验研究

为了测试材料在应力三轴度接近1/3时的断裂应变,对9种不同厚度不同孔径的T2纯铜中心孔板试样,在MTS试验机上进行系列拉伸试验。结合数值模拟和显微观测,确定孔板试样的裂纹萌生位置及其应力三轴度数值及断裂应变。在此基础上,参照比较光滑试样拉伸试验,进一步探讨了对材料应力三轴状态与断裂应变的关系。研究发现:1材料断裂应变随应力三轴度减少而减少,似不服从以往基于孔洞模型研究总结出来的韧性材料断裂规律;2孔表面实际变形很不均匀,按连续介质力学方法估计的孔边断裂应变要明显低于其实际值。     

Effect of void nucleation on microstructure and stress state in aluminum alloy tailor-welded blank

The microscopic damage initiation characteristic in welded joint greatly determines the subsequent damage evolution and fracture behavior of aluminum alloy tailor-welded blank(TWB) during plastic forming. In this study, the interactive dependence of void nucleation on microstructure and stress state in the welded joint of a2219 aluminum alloy TWB was quantitatively explored by in-situ SEM testing. Moreover, a micromechanical model based on actual microstructure was adopted to reveal the underlying mechanisms from the perspective of microscopic heterogeneous deformation. The results showed that three void nucleation mechanisms, including particle-cracking, interface-debonding and matrix-cracking, coexisted in the deformation at different microstructure regions and stress states. The nucleation strain of each mechanism mainly depended on the particle volume fraction, grain size and stress triaxiality. Besides, the proportions of particle-cracking and interfacedebonding greatly varied with the grain size and particle volume fraction, and the variation law changed with the stress state. The proportion of matrix-cracking had a weak dependence on the microstructure, while increased with the stress triaxiality decreasing. It made the damage initiation in aluminum alloy welded joint transit from particle-cracking dominance to matrix-cracking dominance with the stress triaxiality decreasing.The micromechanical modeling results suggested that the changes of evolutions and distributions of Mises stress in particle, hydrostatic stress at interface and plastic strain in matrix with microstructure and stress state were responsible for the above effects.     

基于多孔洞体胞模型的韧性材料损伤机制

分别采用含100、50和25个随机分布微孔洞体胞模型,对体胞内应力分布和孔洞长大规律进行统计分析,在此基础上讨论采用含25个随机分布微孔洞体胞模型作为宏观材料代表性单元(RVE)来研究材料损伤机制的合理性,并对变形过程中体胞内各微孔洞演化过程进行了研究.结果表明:由于体胞内微孔洞的随机分布,造成孔洞周围基体材料最大三轴应力参数增加,从而导致该孔洞的快速增长,并带动周围微孔洞快速增长,这种孔洞的快速长大链式反应导致在很短的时间材料内出现大量微孔洞,并聚合形成微裂纹,直至试样最后失效,该结果较清楚解释了韧性材料圆棒试样只在颈缩阶段才会产生大量的微孔洞的试验现象的原因.含随机分布多微孔洞体胞模型能够用于分析周期分布微孔洞体胞模型无法反映的体胞内微孔洞非均匀发展的过程,因此更适合于研究韧性材料的损伤破坏机制.     

结构钢刻痕杆断裂试验

为研究结构钢断裂机理及抗断设防,对10个结构钢刻痕杆进行断裂试验,试验较为精确地记录了全程载荷-位移曲线和断裂载荷.试验结果表明,塑性变形只发生在刻槽处很小的范围内,lüders带局部区域的传播导致屈服平台不明显;初始裂纹始于颈缩中心部位的夹杂物或硬相粒子处,微孔的增长和合并导致延性断裂,试件最终断裂于应力三轴比率和等效应变都较高的刻痕根部,其断裂形式为正断与剪断混合型,断口为杯锥形,显示了断裂的定性规律.试验数据离散较小,试验结果与预测一致,为研究结构钢断裂机理及抗断理论提供了可靠的试验数据.     

钝化预裂纹尖端开裂对应力应变分布的影响

通过对16MnR钢三点弯曲(3PB)预裂纹试样进行实验和有限元计算,分析了裂纹尖端的断裂行为.结果表明,在载荷达到某一临界值时,微裂纹在裂尖处形核、扩展,随后又被钝化,随着载荷的增加,这一个过程一直重复着.在这一过程中,裂尖前端的塑性应变和三向应力度进行重新分布,并且两者达到临界值的位置都向裂尖靠近,随后又都向前移动,但三向应力度比塑性应变移动得快,这使得解理断裂的三个判据逐渐得到满足.     

一个基于孔洞演化机制的韧性断裂预测模型

在韧性断裂中微观孔洞演化机制的基础上,提出了一个基于孔洞演化机制的非耦合型韧性断裂预测模型.模型充分考虑了两种典型的孔洞演化机制:孔洞的长大机制和孔洞的拉长扭转机制.该模型引入了三个具有不同物理意义的材料参数:材料对不同孔洞演化机制的敏感度、应力状态敏感度系数和材料的损伤阈值,并使用等效塑性应变增量表征其对韧性损伤累积过程的驱动作用.为了使模型可以更好地反映三维应力状态对材料韧性断裂性能的影响,将该模型从主应力空间转换到由应力三轴度、罗德参数和临界断裂应变构成的三维空间,得到了由模型确定的三维韧性断裂曲面,并研究了相关参数对三维韧性断裂曲面及平面应力二维韧性断裂曲线的影响.利用5083-O铝合金、TRIP690钢和Docol 600DL双相钢三个典型的轻质高强板材的韧性断裂数据验证了该模型对不同材料和不同应力状态的适用性和准确性.     

基于强度组配对设计曲线的简单修正

将相当应变的观点应用到含有一个焊缝裂纹的焊接宽板中，可以看出焊缝金属与母材塑性的差异显著影响其断裂韧性和裂纹扩展驱动力，重要的一点是仅根据断裂韧性或裂纹扩展驱动力来衡量焊接接头非等组配的影响是不够的，如果材料的应力应变曲线合线性硬化规律，得出一个简单的ＣＴＯＤ设计曲线的修正表达式，可以用来预测焊接结构的极限载荷、极限应变或极限裂纹长度。     

解理断裂前裂纹尖端变形与开裂的有限元模拟

对16MnR钢三点弯曲(3PB)裂纹试样进行了实验和有限元计算,模拟了裂尖开裂与钝化的构形和应力应变分布图.发现在临界载荷前,预裂纹尖端仅仅发生钝化;当载荷达到临界值时,开始有小裂纹起裂,随后钝化;再达到又一临界载荷时,小裂纹再次起裂,而后扩展,反复出现直至解理断裂发生.在模拟裂纹沿斜面起裂时,当小裂纹很短时,对对称面上的应力、应变和三向应力的分布影响比较小;只有小裂纹扩展到足够长并钝化到足够宽,才能够影响主裂纹的扩展及其前端应力、应变的分布.并针对采用有限元法在模拟裂纹扩展时所遇到的问题,探讨了模型的建立、网格的划分、断裂准则的应用以及网格重组技术的运用.     

弹性固体材料中的空穴萌生与增长

建立了描述弹性固体材料中空穴萌生与增长的非线性数学模型,获得了空穴萌生明控制参数临界值的精确计算公式和空穴半径的精确表达式.在大变形几何分析中采用了对数应变度量,并且应用了Hooke弹性固体材料的本构关系.数值分析结果表明:当材料不可压时空穴萌生的临界载荷将略低于neo-Hooke不可压超弹性材料的相应计算结果,并且在空穴萌生后空穴半径将迅速增大,这与细观损伤力学和超弹性材料的空穴分叉理论的结论相一致;空穴萌生时环向应力将成为无限大;如果材料是弹塑性(韧性)材料,则会得空穴附近发生塑性变形,从而导致材料的局部损伤和破坏.