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超声表面滚压(Ultrasonic surface rolling process,USRP)作为一种国内新兴的表面纳米化技术,将超声冲击量和静载滚压相结合,能够对金属材料表面进行表面纳米化处理。理论上通过超声表面滚压加工技术对X80管线钢焊接接头进行处理,能够降低X80管线钢焊接接头的应力腐蚀敏感性,对于提高X80管线钢焊接接头的综合性能,扩大X80管线钢的应用范围有重要意义。本文首先采用超声表面滚压加工装置对X80管线钢焊接接头进行了表面纳米化处理,通过金相试验、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、粗糙度测试和残余应力测试等试验手段对材料的微观组织结构、表面状态和应力分布情况进行了分析。同时,结合四点弯应力腐蚀试验,对比了USRP处理前后X80钢的抗应力腐蚀性能,并分析了USRP处理后晶粒尺寸、表面粗糙度和残余应力的变化对材料应力腐蚀敏感性的影响。其次,利用ABAQUS有限元软件创建了超声表面滚压加工和焊接过程的耦合模型,研究了USRP工艺参数(不同静载荷、下压量、摩擦系数和小球尺寸)对材料表层残余应力和塑性应变的影响,分析了USRP对X80管线钢焊接接头表面残余应力和塑性应变的影响规律。最后,建立了含裂纹缺陷四点弯和超声表面滚压加工的耦合三维有限元模型,模拟了四点弯及超声表面滚压加工过程,分析了超声滚压加工前后四点弯试样三维静态裂纹的张开角度、位移、裂纹尖端应力场和J积分变化规律,并讨论了超声表面滚压加工抑制裂纹扩展的机理。试验结果表明:超声表面滚压处理后,试样表面形成约60μm厚的塑性变形层,晶粒被细化至40-100 nm;表面粗糙度值降为原始样品的15/100;表面引入了残余压应力,最大残余压应力值为-296.07MPa;试样的腐蚀产物膜更为致密,厚度均匀且相对较薄,腐蚀产物膜与基体之间界面平整;试样的整体腐蚀速率减缓,且应力腐蚀裂纹宽度变窄;分析认为,表面粗糙度、晶粒尺寸和应力场的变化降低了X80钢的近中性应力腐蚀敏感性。数值模拟结果表明:X80钢焊接接头经USRP处理后表层发生了塑性变形,并产生了残余压应力;且表层的压应力沿厚度方向逐渐减小,直至消失并转变为残余拉应力;压应力峰值和压应力层厚度随静压力和下压量的增大而增大;超声滚压处理后,四点弯模型试样的表层裂纹发生闭合,内部裂纹张开角度和位移明显小于未进行超声滚压处理的试样,裂纹尖端应力场和J积分减小。