金属焊接接头的腐蚀与疲劳性能研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:liu554802016
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焊接是钢结构的主要连接方式之一,其中对接焊接由于构造简单且具有良好的受力性能,因而在钢结构工程中被广泛的运用。工业污染海洋大气环境具有含盐量高、高温、高湿度、低p H值等特点,钢结构在海洋大气环境下会出现腐蚀情况。钢结构的腐蚀破坏大多发生在焊缝部位,受到腐蚀作用的影响,进而使其疲劳性能发生改变。本课题采用周期浸润试验来模拟工业污染海洋大气环境,对不锈钢304和Q460钢焊接接头进行加速腐蚀。然后对未腐蚀和腐蚀后的金属焊接接头进行疲劳试验。基于试验的结果分析金属焊接接头的腐蚀性能和疲劳性能。最后通过有限元模拟,建立疲劳寿命预测公式,并研究腐蚀率对金属焊接接头疲劳寿命的影响。本文对不锈钢304和Q460焊接接头进行腐蚀试验研究。采用周期浸润试验,研究金属焊接接头在7个不同腐蚀时间节点下的腐蚀情况。不锈钢304焊接接头的腐蚀较轻微,腐蚀形貌以点蚀坑为主。而Q460焊接接头发生了严重的腐蚀,出现片状的腐蚀坑。Q460焊接接头焊缝部位比母材腐蚀速率更快,通过对其进行化学成分分析和金相分析,发现材料属性和过热后的金相差异是引起腐蚀程度不同的主要原因。本文对不锈钢304和Q460焊接接头进行了室内常温拉伸试验,得到了未腐蚀和腐蚀后的焊接接头的静力性能。由于焊缝强度大于母材,纵向受力焊接接头的屈服强度和抗拉强度大于横向受力焊接接头。腐蚀作用会降低Q460焊接接头的力学性能,对不锈钢304焊接接头影响较小。对6 mm金属焊接接头进行了疲劳试验,研究结果表明受力方向、腐蚀作用和应力幅大小是影响焊接接头疲劳寿命的重要因素。未腐蚀不锈钢304横向受力焊接接头疲劳极限与纵向受力焊接接头接近,但是横向受力焊接接头疲劳极限与屈服强度的比值更大。相比于横向受力焊接接头,Q460纵向受力焊接接头疲劳性能更好。腐蚀作用会造成焊接接头疲劳寿命的下降,纵向焊接接头下降幅度大于横向受力焊接接头。焊接接头的疲劳寿命会随着应力幅的增大而较小。本文还对焊接接头疲劳断口进行宏观和扫描电镜(SEM)微观分析,研究断口的形态。本文在试验的基础上,通过逆向建模的方法,借助于3D扫描仪得到焊接接头的三维腐蚀形貌。在Hypermesh中采用映射的方法,建立焊接接头的有限元模型。结果表明,建立的有限元模型能够精确的还原焊接接头的腐蚀形貌,与实际情况相吻合。结合ABAQUS和FE-SAFE软件对焊接接头的疲劳寿命进行计算,有限元计算结果与试验结果接近,通过数值模拟的方法能够得到腐蚀焊接接头的剩余疲劳寿命。分析了腐蚀率对焊接接头的疲劳性能的影响,结果表明,在相同应力幅下,腐蚀率越高,焊接接头疲劳寿命越低。
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