固態(tài)相變對馬氏體不銹鋼焊接殘余應(yīng)力影響的有限元分析.pdf

1、隨著石油、化工、冶金、電力，以及海洋開發(fā)等工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展，焊接技術(shù)被越來越廣泛地應(yīng)用在這些領(lǐng)域內(nèi)所涉及的設(shè)備生產(chǎn)和制造。因此一些焊接結(jié)構(gòu)就需要在腐蝕介質(zhì)環(huán)境下長期穩(wěn)定的工作，而焊接結(jié)構(gòu)都不同程度的存在拉伸焊接殘余應(yīng)力。在腐蝕介質(zhì)和拉伸殘余應(yīng)力的共同作用下，焊接接頭極易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂。因此正確評估以及消除焊接部位的殘余應(yīng)力，對于提高焊接構(gòu)件的使用壽命和安全性具有重要的意義。
　　 本文以實(shí)際生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的2Cr13馬氏體不銹鋼

2、為研究對象，利用有限元分析方法，并基于SYSWELD焊接專用軟件，模擬計(jì)算了平板對接焊接過程中的溫度場、固態(tài)相變、應(yīng)力場和焊接變形。重點(diǎn)研究了焊接冷卻過程中，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)發(fā)生的由奧氏體向馬氏體的固態(tài)相變行為對焊接殘余應(yīng)力值大小和分布的影響。作為對比，文中還選擇了焊接過程中無固態(tài)相變的奧氏體不銹鋼SUS304材料，模擬計(jì)算相同焊接工藝條件下焊接接頭的溫度場、應(yīng)力場和焊后變形。并對比分析了兩種材料的計(jì)算結(jié)果。
　　 兩種鋼的焊接

3、模擬計(jì)算都采用相同的雙橢球熱源模型和相同力學(xué)邊界條件。計(jì)算采用單向耦合計(jì)算方式，即先進(jìn)行溫度場的計(jì)算，然后把計(jì)算得到的溫度場以熱載荷的方式施加到相同有限元模型上，進(jìn)行應(yīng)力場和變形的計(jì)算。為了精確計(jì)算殘余應(yīng)力和焊接變形，特別考慮到隨溫度變化的材料熱物理參數(shù)和力學(xué)性能參數(shù)。
　　 需要指出的是，文中同時(shí)考慮了在奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變過程中發(fā)生的體積膨脹、屈服強(qiáng)度變化以及相變塑性對焊接殘余應(yīng)力的影響。用Koistien-Marburger

4、方程計(jì)算了2Cr13鋼焊接接頭冷卻時(shí)馬氏體的轉(zhuǎn)變量，用Greenwood-Johnson機(jī)制計(jì)算了接頭組織中馬氏體和奧氏體相共存時(shí)產(chǎn)生的相變塑性。
　　 2Cr13馬氏體不銹鋼TIG焊平板對接，焊后冷卻得到在焊縫及近縫區(qū)(含熱影響區(qū)粗晶區(qū)和完全重結(jié)晶去)組織基本上為馬氏體。對于距離焊縫稍遠(yuǎn)的熱影響區(qū)即不完全重結(jié)晶區(qū)，由于加熱過程中只有部分的初始相轉(zhuǎn)變?yōu)榱藠W氏體，故最后得到的組織為初始相和馬氏體的混合組織。
　　 2Cr1

5、3馬氏體不銹鋼縱向焊接殘余應(yīng)力的分布特征為：在焊縫中心處形成了最大的壓縮殘余應(yīng)力，距離焊縫中心越遠(yuǎn)，壓應(yīng)力值越小，距離焊縫中心繼續(xù)增大時(shí)，壓縮殘余應(yīng)力逐漸變?yōu)槔鞖堄鄳?yīng)力，且拉伸殘余應(yīng)力值逐漸增大，拉伸殘余應(yīng)力峰值所在部位為熱影響區(qū)緊鄰母材的區(qū)域。值得指出的是，2Cr13馬氏體不銹鋼焊接接頭上不但形成了較小的拉伸殘余應(yīng)力寬度，同時(shí)在焊縫和近縫區(qū)形成了一定寬度的壓縮殘余應(yīng)力。
　　 與2Cr13馬氏體不銹鋼焊接接頭的情況大為不同的

6、是，SUS304奧氏體不銹鋼焊接接頭焊縫和近縫區(qū)形成的縱向殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，且拉伸殘余應(yīng)力的區(qū)域?qū)挾让黠@較寬。
　　 計(jì)算得到的兩種鋼在焊縫和近縫區(qū)縱向殘余應(yīng)力值及分布上存在明顯差異，主要源于2Cr13馬氏體不銹鋼焊縫和近縫區(qū)在冷卻的過程中發(fā)生了奧氏體到馬氏體的相變，相變帶來的體積膨脹效應(yīng)抵消了冷卻過程中產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力，并最終形成了壓縮殘余應(yīng)力。而SUS304奧氏體焊接時(shí)，焊縫及熱影響區(qū)組織在焊接冷卻過程中始終都為穩(wěn)定的奧氏體相

7、，其焊接殘余應(yīng)力的形成與分布遵循的是單相金屬焊接通常會(huì)出現(xiàn)的規(guī)律，即焊縫及近縫區(qū)的焊接殘余應(yīng)力通常為拉伸應(yīng)力。
　　 2Cr13馬氏體不銹鋼焊縫及近縫區(qū)出現(xiàn)壓縮應(yīng)力，這對于提高焊接構(gòu)件的抗應(yīng)力腐蝕能力具有非常積極的意義。尤其是接頭的近縫區(qū)，由于該區(qū)極易產(chǎn)生晶粒長大以及合金元素?cái)U(kuò)散，在拉伸應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)作用下很容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。該區(qū)最終形成殘余壓縮應(yīng)力，有助于從根本上避免產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。對SUS304奧氏體不銹鋼而言，由于焊