材料拘束对焊接接头蠕变裂纹扩展行为的影响及机理

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本文对P92钢焊接接头C(T)试样建立了多材料有限元力学模型,基于延性耗竭蠕变损伤模型的有限元法,系统的研究了与材料拘束相关的各因素对焊接接头蠕变裂纹扩展(CCG)行为的影响规律。主要包括:焊接接头材料蠕变性能失配及裂尖热影响区(HAZ)宽度引起的不同材料拘束对接头CCG行为的影响;接头中不同初始裂纹位置及载荷水平引起的不同材料拘束对接头蠕变CCG行为的影响;接头中双裂纹位置及双裂纹间的相对距离引起的干涉和材料拘束的共同作用对裂纹合并及接头断裂行为的影响。基于裂尖区及不同材料界面区的应力-应变分布、接头的蠕变裂纹起裂(CCI)时间、CCG路径、CCG速率及破断寿命的详细计算结果,及与文献实验结果的对比分析,研究了材料拘束相关的各因素对接头CCG行为影响的机理,探讨了材料拘束对高温焊接接头安全评价和寿命设计的影响。得到的主要结果如下:  (1)当裂尖HAZ材料的蠕变强度至少比周围一种非裂尖材料低时,接头中的裂纹沿原始裂纹面直线扩展,材料拘束效应使接头蠕变寿命降低。而当裂尖HAZ材料蠕变强度至少高于周围一种非裂尖材料时,裂纹沿原始裂纹面直线扩展一段距离后,在材料界面处的软材料中由于高的三轴应力而形成二次裂纹(SC),SC的快速扩展导致接头断裂,SC的形成时间主导整个焊接接头的破断寿命。  (2)对于裂尖HAZ为蠕变软材料的焊接接头,裂纹一般沿初始裂纹面直线扩展,随HAZ材料区宽度的增大,材料拘束效应逐渐减小,接头破断寿命增长。而对于裂尖HAZ为蠕变硬材料的接头,其裂纹扩展中一般形成SC,随裂尖区HAZ宽度的增大,界面区三轴应力减小,SC延迟起裂,因而接头破断寿命增加。  (3)对于焊接接头中一些特定位置的裂纹,由于各材料区蠕变本构方程的应力区相关性及材料拘束效应的不同,导致其在不同载荷水平下的CCG行为不同。在低载荷水平下,各材料间较大的材料拘束效应使SC在材料界面处的软材料中形成,CCG速率较高;而在较高载荷水平下,所有裂纹均沿初始裂纹面直线扩展,CCG速率较低。如果用从高载荷下外推的CCG速率数据去评定或设计工作在低载荷下的焊接接头,则可能出现非保守(不安全)的结果。  (4)双裂纹焊接接头的断裂行为主要受双裂纹间相互干涉及材料拘束效应的共同作用,不同位置的双裂纹及双裂纹间不同的相对距离均导致焊接接头不同的蠕变断裂行为和寿命。  (5)在高温焊接接头的蠕变安全评价及寿命设计中,需要充分和全面考虑材料拘束相关因素,包括材料蠕变性能失配、不同材料区宽度、裂纹位置及载荷水平对裂纹扩展行为和寿命的影响。对于双裂纹焊接接头,还需考虑两条裂纹的位置、裂纹间的相对距离等对接头裂纹的扩展与合并及断裂寿命的影响。
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