考虑固态相变效应的SA508-3钢焊接温度场和应力场有限元分析

摘要

SA508-3钢具有综合力学性能优良、淬透性优异，且有很强的抗再热裂纹和堆焊层下裂纹等优点，已被广泛用于核反应堆关键部件的制造。核电用钢SA508-3属于低合金高强钢，在焊接加热和冷却时伴随着复杂的固态相变现象，由固态相变引起的相变体积效应和相变诱导塑性效应，会影响焊接过程中以及焊后的应力演变。目前，对于低合金钢焊接的有限元计算大多忽略了固态相变的影响，直接用基于热-弹塑性本构模型计算的焊后残余应力结果往往与实测值有较大偏差。　　本文以SA508-3钢为母材，以ER69-G为填充材料，进行了平板对接焊。建立了考虑母材SA508-3钢和焊材ER69-G的固态相变效应的热-组织-应力的有限元模型，进行了焊接过程中的温度场和应力场的有限元分析。　　首先，实测了有限元模型所需的母材和焊材的基本参数，包括热物性参数(导热系数、比热容和密度)和高温力学性能参数(弹性模量、泊松比和屈服强度)；实测了母材和焊材的CCT曲线，得到了材料的相变类型，以及不同组织对应的相变点和临界冷却速度等。　　然后，确定了本试验所需要的相变动力学方程、相变塑性应变模型和相变体积应变模型；利用ABAQUS软件现有的用户子程序接口进行了子程序的开发和调试；并通过Satoh试验的有限元计算进行了验证，发现考虑固态相变效应相比于未考虑相变效应的轴向应力降低了21.6%，阐明了低合金焊接应力计算时考虑固态相变效应的必要性。　　其次，进行了SA508-3钢的板-板对接焊的温度场的和应力场的仿真建模及求解；计算得到了焊后各组织分布云图，并分析了在焊接热循环下，焊缝和热影响区几个典型节点的组织演变规律；在固态相变作用下，紧邻焊缝两侧的热影响区的Mises应力大幅度降低，由520MPa降到了298MPa；考虑固态相变效应相对于为考虑固态相变效应的纵向残余应力峰值降低了14.0%；固态相变效应还能降低拉应力的作用范围。　　最后，对比了仿真计算和实测得到的焊接热循环曲线、焊后残余应力、和焊后板材变形，证明了本试验所用的有限元模型的准确性。

目录

声明

第1 章绪论

1.1 课题研究背景

1.2 SA508-3 钢及其焊接的研究现状

1.2.1核电压力容器结构钢发展

1.2.2 SA508-3钢焊接的研究现状

1.3 焊接过程中的固态相变

1.3.1相变体积效应

1.3.2相变塑性效应

1.4考虑固态相变的有限元仿真的研究现状

1.5本文的研究内容和技术路线图

1.5.1本文的研究内容

1.5.2 技术路线图

第2 章 SA508-3 钢及其焊材的性能测试

2.1 试验材料和焊接工艺

2.1.1 试验材料

2.1.2焊接工艺参数

2.2热物性和高温力学性能测量

2.2.1比热容

2.2.2导热系数

2.2.3密度

2.2.4 弹性模量和泊松比

2.2.5 屈服强度

2.3 连续冷却转变曲线的测试

2.3.1测试原理

2.3.2 测试方法

2.4有限元结果验证试验

2.4.1焊接热循环曲线测试

2.4.2 焊接残余应力测试

2.4.3 焊接变形测试

第3 章 SA508-3 钢及其焊材的性能测试结果及分析

3.1热物性参数测试

3.1.1比热容测试

3.1.2导热系数测试

3.1.3密度测试

3.2高温力学性能参数测试

3.2.1弹性模量和泊松比测试

3.2.2屈服强度测试

3.3 母材和焊材CCT曲线测量结果

3.3.1不同冷速下的相变温度的测试

3.3.2不同冷速下的微观组织分析和结果统计

3.3.3硬度测试结果

3.3.4定量金相统计和CCT曲线绘制

3.4本章小结

第4 章 SA508-3 钢固态相变模型的建立

4.1焊接热过程

4.2相变动力学模型

4.2.1扩散型相变

4.2.2非扩散型相变

4.2.3奥氏体转变

4.3力学模型

4.3.1 热-弹塑性本构模型

4.3.2 相变塑性模型

4.3.3 相变体积模型

4.4 Satoh 试验的有限元模拟

4.4.1 Satoh试验的物理模型

4.4.2模拟结果

4.5 本章小结

第5 章 SA508-3 钢焊接过程有限元计算结果及分析

5.1有限元模型

5.2 温度场计算结果及分析

5.3 应力场计算结果及分析

5.3.1 考虑相变效应的应力场及结果分析

5.3.2 考虑相变和未考虑相变效应的残余应力对比

5.4试验验证

5.4.1 残余应力验证

5.4.2 焊接变形验证

5.5 本章小结

结 论

致 谢

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文和研究成果