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EH36钢焊接接头预腐蚀下的疲劳性能及断裂机制研究

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机械工程学报 2024年第8期60卷 204-211页

作者：杨思愚徐连勇赵雷韩永典天津大学材料科学与工程学院天津300350 天津市现代连接技术重点实验室天津300350

通过盐雾腐蚀试验和腐蚀疲劳试验研究不同盐雾腐蚀时间下EH36钢焊接接头的腐蚀疲劳性能。在盐雾环境中,试样的腐蚀产物主要为FeOOH、Fe_(2)O_(3)和Fe_(3)O_(4),试样表面出现了大量的点蚀坑,盐雾腐蚀速率和最大点蚀坑深度随腐蚀时间的增... 详细信息

通过盐雾腐蚀试验和腐蚀疲劳试验研究不同盐雾腐蚀时间下EH36钢焊接接头的腐蚀疲劳性能。在盐雾环境中,试样的腐蚀产物主要为FeOOH、Fe_(2)O_(3)和Fe_(3)O_(4),试样表面出现了大量的点蚀坑,盐雾腐蚀速率和最大点蚀坑深度随腐蚀时间的增大而增大。对比不同盐雾腐蚀时间下试样的腐蚀疲劳寿命发现,盐雾腐蚀后疲劳试样的寿命降低35%~77%,盐雾腐蚀时间对试样腐蚀疲劳性能的影响随应力范围的降低而增大。试样疲劳断口形貌显示,未经盐雾腐蚀处理的疲劳试样和盐雾腐蚀疲劳试样的腐蚀疲劳裂纹都萌生于裂纹源区内EH36钢焊接接头表面的点蚀坑。前者表面的点蚀坑由腐蚀和应力的共同作用产生,后者表面的点蚀坑在盐雾腐蚀过程中产生。两种试样的裂纹扩展区瞬间断裂区的微观形貌相似。盐雾腐蚀对腐蚀疲劳性能的影响主要体现在盐雾腐蚀产生的点蚀坑降低了疲劳试样的裂纹萌生寿命。

关键词：盐雾腐蚀腐蚀疲劳 EH36钢断口特征腐蚀性能

EH36钢焊接接头焊趾处应力集中对高低周复合疲劳的影响

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焊接学报 2024年第7期45卷 1-9页

作者：徐连勇龙志平赵雷韩永典彭晨涛天津大学材料科学与工程学院天津300350 天津大学天津市现代连接技术重点实验室天津300350

为研究船舶结构用钢EH36钢焊接接头焊趾处应力集中对高低周复合疲劳的影响,对不同焊缝形貌20 mm厚EH36钢双面全熔透对接接头进行高低周复合疲劳试验.研究发现,高低周复合疲劳对接头寿命的降低幅度随着高周应力比的增大而增大;结合数字... 详细信息

为研究船舶结构用钢EH36钢焊接接头焊趾处应力集中对高低周复合疲劳的影响,对不同焊缝形貌20 mm厚EH36钢双面全熔透对接接头进行高低周复合疲劳试验.研究发现,高低周复合疲劳对接头寿命的降低幅度随着高周应力比的增大而增大;结合数字图像相关法测量结果分析,发现焊趾处应力集中系数越大,接头的高低周复合疲劳寿命越低,其降低幅度随着高周应力比的增大而增大.基于试验数据对模型进行验证,结果表明,应力集中系数高的接头疲劳寿命低且寿命预测结果分散性增大;Palmgren-Miner模型和Zhu模型由于未充分考虑高低周耦合损伤作用,导致寿命预测结果相对危险.修正后Zhu模型在充分考虑低周疲劳对高低周复合疲劳寿命的影响后,预测寿命大于实际寿命的预测点较少,预测结果相对安全,且分散性较小,误差也较小.

关键词：高低周复合疲劳 S-N曲线应力集中疲劳寿命预测数字图像相关法

热输入对埋弧增材厚壁构件微观组织与冲击韧性的影响

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材料导报 2024年第11期38卷 179-183页

作者：王虎武少杰董翼纶程方杰天津大学材料科学与工程学院天津300350 天津市现代连接技术重点实验室天津300350

本研究采用埋弧增材工艺,利用不同热输入制备了大壁厚试验件,分析了热输入对埋弧增材厚壁构件微观组织与冲击韧性的影响,为核电、海洋平台等领域利用增材制造技术制备大型构件提供了理论基础。结果表明:低热输入下所有沉积金属都经过了... 详细信息

本研究采用埋弧增材工艺,利用不同热输入制备了大壁厚试验件,分析了热输入对埋弧增材厚壁构件微观组织与冲击韧性的影响,为核电、海洋平台等领域利用增材制造技术制备大型构件提供了理论基础。结果表明:低热输入下所有沉积金属都经过了完全的内生性热处理,组织上呈现为均匀细小的等轴晶形态,-60℃夏比冲击吸收功均值约为280 J,最低值也在200 J以上,低温冲击韧性优异;高热输入下沉积金属没有经过完全的内生性热处理,组织中出现了未完全重结晶带,残留了少量原始沉积态的粗大柱状组织,-60℃夏比冲击吸收功均值约为100 J,最低值只有9 J,分散度很大,冲击韧性不稳定。冲击吸收功的大小与试样缺口附近的微观组织形态有关:当缺口恰好开在完全重结晶区时,冲击功很高,形成典型的韧性断口;当缺口开在未完全重结晶带上时,冲击功很低,表现为脆性断口。要保证优异的低温冲击韧性,埋弧增材需要合适的热输入,因为过高的热输入会导致层间出现未完全重结晶组织,这是恶化其低温韧性的根源所在。

关键词：埋弧增材内生性热处理显微组织冲击韧性断裂性能

纳入拘束效应的焊接接头蠕变裂纹扩展速率预测方法

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机械工程学报 2024年第14期60卷 126-138页

作者：赵雷武言徐连勇韩永典熊昱天津大学材料科学与工程学院天津300035 天津市现代连接技术重点实验室天津300035

高温焊接结构的蠕变裂纹扩展(Creep crack growth, CCG)是影响含缺陷焊接结构可靠性的重要因素。以P92钢焊接接头为对象,设计热影响区(Heat affected zone, HAZ)中心裂纹和HAZ/母材(Base metal, BM)界面裂纹模型的多种材料蠕变性能失配... 详细信息

高温焊接结构的蠕变裂纹扩展(Creep crack growth, CCG)是影响含缺陷焊接结构可靠性的重要因素。以P92钢焊接接头为对象,设计热影响区(Heat affected zone, HAZ)中心裂纹和HAZ/母材(Base metal, BM)界面裂纹模型的多种材料蠕变性能失配组合,研究蠕变性能不匹配对裂纹尖端拘束水平Q_(M)*以及CCG的影响机制。研究表明,对于HAZ中心裂纹,若周围的蠕变软材料受到裂尖的蠕变硬材料拘束,可能出现二次裂纹;若HAZ和BM的蠕变强度不变,增加焊缝(Weldingmetal,WM)的蠕变强度,仍会使BM的损伤增加。对于HAZ界面裂纹,若界面的蠕变软材料受到蠕变硬材料拘束,仍可能形成二次裂纹,但形成二次裂纹的倾向变弱。无论是HAZ中心裂纹还是界面裂纹,较窄的HAZ宽度会加剧失配效应。提出基于C*-Q_(M)*的材料蠕变性能失配下焊接接头CCG预测方法,并利用试验结果验证纳入拘束效应的CCG预测方法的准确性。该方法解决不同蠕变性能失配程度的焊接构件CCG速率的精准评估难题。

关键词：蠕变裂纹扩展焊接接头失配有限元材料拘束

新型马氏体耐热钢耦合控制下蠕变-疲劳循环变形研究

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机械工程学报 2024年第16期60卷 118-129页

作者：赵雷张利宾宋恺徐连勇韩永典郝康达天津大学材料科学与工程学院天津300350 天津市现代连接技术重点实验室天津300350

蠕变疲劳相互作用(Creep fatigue interaction, CFI)是制约电力和航空等领域高温部件可靠运行的主要因素。采用应变控制(Conventional strain-controlled creep fatigue interaction, CCFI)和应力-应变混合控制(Hybrid stress-strain controlled creep fatigue interaction,HCFI)两种耦合控制模式研究新型马氏体耐热钢的蠕变-疲劳性能,对比两种模式下的蠕变损伤累积规律和微观损伤机制,分析总应变范围、保载时间和保载应力对新型马氏体耐热钢蠕变-疲劳性能的影响。结果表明,CCFI和HCFI的断裂寿命随总应变范围增大而降低。此外,增大保载应力以及保载时间会降低HCFI寿命。当HCFI中保载应力或保载时间增加时,单个循环所累计的蠕变损伤会显著增加,这说明HCFI试验更适合表征蠕变损伤主导的CFI。针对两种控制模式下的蠕变-疲劳寿命预测,讨论寿命分数法(Time fraction, TF)、延性耗散法(Ductility exhaustion, DE)以及修正的应变能密度耗散法(Modified strain energy density exhaustion,MSEDE)的预测精度。结果表明,修正的应变能密度耗散法由于考虑平均应力对蠕变-疲劳的影响,可以更好地表征蠕变疲劳中的蠕变损伤。对于HCFI采用了平均蠕变速率对DE和MSEDE模型进行修正,使得其预测的平均相对误差降低了一半。

关键词：蠕变-疲劳应力-应变混合控制寿命预测损伤演化

焊接热输入对X65管道粗晶热影响区应力腐蚀开裂行为的影响

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机械工程学报 2024年第12期60卷 220-227页

作者：闫玉升钟史放徐连勇赵雷韩永典天津大学材料科学与工程学院天津300350 天津市现代连接技术重点实验室天津300350

X65管道粗晶热影响区(Coarse grain heat affected zone,CGHAZ)在海底服役过程中易出现硫化物应力腐蚀开裂(Sulfide stress corrosion cracking,SSCC)现象,现阶段研究大多集中在应力腐蚀的产生以及影响因素的理论层面,很少提到通过优化... 详细信息

X65管道粗晶热影响区(Coarse grain heat affected zone,CGHAZ)在海底服役过程中易出现硫化物应力腐蚀开裂(Sulfide stress corrosion cracking,SSCC)现象,现阶段研究大多集中在应力腐蚀的产生以及影响因素的理论层面,很少提到通过优化传统焊接参数来获得抗SSCC能力更强的X65管线钢。由此基于传统X65钢的焊接工艺,开发一种低热输入的优化X65焊接工艺,并通过微观组织分析、慢应变速率拉伸试验及断口分析等方式对比研究两种工艺对CGHAZ的SSCC敏感性的影响。试验结果表明,传统工艺制造的X65管线钢盖面、打底部位的CGHAZ应力腐蚀敏感性R分别为56.51、59.50,其微观组织主要为M-A组元和粒状贝氏体(Granular bainite,GB),两者的存在会促进裂纹的萌生或扩展,由此导致X65钢的SSCC敏感性较高;优化工艺制造的X65钢盖面、打底部位的CGHAZ应力腐蚀敏感性R分别为35.78、30.31,其主要组织为针状铁素体(Acicular ferrite,AF),且针状交织分布的AF对裂纹的扩展有着有效地阻止作用。由此,提出一种低热输入高SSCC抗性的X65焊接工艺,并从微观组织、裂纹扩展等方面阐述了优化工艺提高X65管线钢抗SSCC性能的原因。

关键词： X65管线钢焊接热输入微观组织应力腐蚀粗晶热影响区

基于变速GTAW焊接温度场解析模型的熔深预测研究

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天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2024年第1期57卷 64-72页

作者：武少杰曲皇屹程方杰天津大学材料科学与工程学院天津300350 哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室哈尔滨150001 天津市现代连接技术重点实验室天津300350

焊接热过程解析模型是一种能够直观反映焊接过程中工件内部的热行为、明确焊接工艺参数与熔池形貌间的物理关系、快速计算得到熔深的方法.目前常用的焊接温度场解析模型通常将电弧近似为一个功率恒定的匀速运动热源进行计算,而非参考实... 详细信息

焊接热过程解析模型是一种能够直观反映焊接过程中工件内部的热行为、明确焊接工艺参数与熔池形貌间的物理关系、快速计算得到熔深的方法.目前常用的焊接温度场解析模型通常将电弧近似为一个功率恒定的匀速运动热源进行计算,而非参考实际焊接过程,即通过实时调整焊接热输入(焊接电流或焊接速度)来保证熔透.因此,目前的焊接温度场解析模型并不适用于焊接熔透控制.为了使解析模型能够计算时变速度下的熔深,本文针对钨极氩弧焊(GTAW)工艺建立了适用于计算时变焊接速度的焊接温度场解析模型.首先以匀速移动点热源的温度场解析模型为基础,推导出了时变焊接速度移动点热源在热源作用时间内引起的温度变化公式,通过连续性证明验证了公式的连续可积性并进一步推导出了适用于时变焊接速度运动单椭球热源的焊接温度场解析模型.为了提高计算速度,减少计算量,采用坐标变化方法实现了热源及其附近温度场的快速求解.基于数值积分法得到了解析模型求解方法,实现了熔池温度场的准确计算,并通过提取等温线实现了熔深和熔宽的预测.最后,通过工艺试验验证了解析模型的精度.结果表明:在0~4 s阶段,计算熔深基本与实际测得的熔深相同,误差控制在6%以内;在速度发生改变的4~16 s阶段,由于热源系数不再适用,计算误差增大,但熔深计算误差仍控制在17%以内,熔宽计算误差在12%以内.因此,建立的焊接温度场解析模型基本可以满足时变速度下的熔深预测.

关键词：钨极氩弧焊解析计算焊接温度场熔深预测

CMAS、CMAS+NaVO_(3)、CMAS+海盐作用下热障涂层的腐蚀行为与机理

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中国表面工程 2024年第1期37卷 75-86页

作者：郭磊张馨木杨硕天津大学材料科学与工程学院天津300072 天津大学天津市现代连接技术重点实验室天津300072 天津大学分析测试中心天津300072

环境沉积物(CaO-MgO-Al_(2)O_(3)-SiO_(2),CMAS)的高温腐蚀已成为航空发动机涡轮叶片热障涂层过早失效的重要原因之一。然而涡轮叶片工作环境复杂,熔盐、海盐常与CMAS耦合,一起对热障涂层造成多元复杂腐蚀,但目前关于CMAS与盐类的多元... 详细信息

环境沉积物(CaO-MgO-Al_(2)O_(3)-SiO_(2),CMAS)的高温腐蚀已成为航空发动机涡轮叶片热障涂层过早失效的重要原因之一。然而涡轮叶片工作环境复杂,熔盐、海盐常与CMAS耦合,一起对热障涂层造成多元复杂腐蚀,但目前关于CMAS与盐类的多元耦合腐蚀行为鲜有报道。针对Y2O_(3)部分稳定ZrO_(2)(YSZ)热障涂层在CMAS、CMAS+NaVO_(3)、CMAS+海盐作用下的腐蚀行为进行对比研究。通过XRD、SEM等方法对不同条件下腐蚀后的涂层进行表征,并分析热处理温度、腐蚀物种类对腐蚀行为的影响。结果表明:与CMAS相比,CMAS+NaVO_(3)、CMAS+海盐会在更低的温度下损伤涂层(1200℃)。当三种腐蚀物均能完全熔化时(1250℃),CMAS+NaVO_(3)、CMAS+海盐熔体则由于更大的流动性而大量渗入,腐蚀内部涂层。其中,CMAS+海盐熔体在涂层内的渗透性最强,1250℃热处理4 h后,渗透深度超过400μm。盐类的共存会改变CMAS的性质,增强熔体的渗透能力,增加涂层内部甚至底部失效的倾向。研究结果有助于理解盐类与CMAS耦合时混合熔体对热障涂层的破坏机理及潜在威胁。

关键词：热障涂层 CMAS+海盐 CMAS+NaVO_(3) 耦合腐蚀腐蚀机理

恒静载降K法测定焊缝疲劳裂纹扩展门槛值研究

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天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2024年第1期57卷 79-86页

作者：刘秀国邓冲邓彩艳梁行张涛牛得田天津大学材料科学与工程学院天津300350 天津市现代连接技术重点实验室天津300350 国家高速列车技术创新中心青岛266111

焊接残余拉应力会显著降低焊接接头疲劳性能,因此,焊接结构疲劳寿命评估参数的测定应对焊接残余应力予以充分考虑.为测得考虑焊接残余应力影响条件下的疲劳裂纹扩展门槛值,本文提出通过设定恒定平均外载以等效残余应力作用,进而逐级降... 详细信息

焊接残余拉应力会显著降低焊接接头疲劳性能,因此,焊接结构疲劳寿命评估参数的测定应对焊接残余应力予以充分考虑.为测得考虑焊接残余应力影响条件下的疲劳裂纹扩展门槛值,本文提出通过设定恒定平均外载以等效残余应力作用,进而逐级降低裂尖应力强度因子范围(ΔK)测得焊缝疲劳裂纹扩展门槛值的方法,即恒静载降K法.通过与ASTM E647-15等标准推荐测试方法所得结果对比,探究了恒静载降K法测量值适用性;通过扫描电镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)等手段观察,对比分析了不同测量方法近门槛值载荷下的裂尖材料疲劳断口和变形行为.结果表明:采用恒静载降K法测量焊缝疲劳裂纹扩展门槛值最低,采用恒最大应力强度因子(K_(max))降载法的测量值次之,采用恒应力比(R)降载法的测量值最高.对比不同裂纹尖端K_(max)设定对门槛值测量的影响,发现随着K_(max)增大,门槛值测量值先快速下降,随后趋于平稳;采用恒静载降K法测定过程中K_(max)呈逐渐上升趋势,相应的门槛值测量值最低.疲劳断口显示,随着外加平均载荷增大,在近门槛值阶段断口形貌由疲劳辉纹转变为微区解理断裂;基于EBSD表征计算的裂尖材料几何必需位错密度表明,随着近门槛值外载的平均载荷增大,裂纹尖端位错密度增加.

关键词：焊缝疲劳裂纹扩展门槛值疲劳裂纹扩展速率恒静载降K法