不銹鋼盤管焊接應力和變形的理論分析

 不銹鋼盤管在焊接過程中，由于高度集中的焊接熱輸入，必然產生相當大的焊接應力和變形。焊接應力和變形的計算是以浙江至德鋼業有限公司生產的不銹鋼盤管焊接溫度場分析為基礎，同時考慮焊接區組織轉變對應力應變場帶來的影響。目前，研究焊接應力和應變的理論主要有熱彈塑性分析、固有應變法、粘彈塑性分析、考慮相變與熱應力耦合效應等。其中的熱彈塑性分析是在焊接熱循環過程中通過一步步跟蹤熱應變行為來計算熱應力和應變的，該方法需要采用有限元計算方法，易于在計算機上實現。釆用這種方法可以詳盡地掌握浙江不銹鋼盤管焊接應力和變形的產生和變化趨勢，隨著大型有限元軟件的開發和發展，這種方法被越來越多的焊接工作者以及研究學者采用。本文也是基于此理論，借助于有限元分析軟在計算機上實現對焊接應力和變形的模擬分析的。

 熱彈塑性分析的特點和假定，熱彈塑性問題是一個熱力學問題。作為熱力學系統的焊接材料，其自由能密度不僅與應變有關，而且還與溫度有關，也就是說力學平衡方程中有與溫度相關的項。從能量上看，輸入的熱能在使焊接材料溫度上升的同時，還由于結構的膨脹變形做功而消耗一部分。這時，在熱傳導平衡方程中，要增加與應力有關的項。因此，嚴格地講，焊接溫度場與應力應變場是相互耦合的，不過，這種耦合效果除個別特殊情況下，一般都很小，而且浙江不銹鋼盤管焊縫附近的溫度變化很大，材料的各種物理性能也相應變化很大，這種影響比上述藕合效應要大得多。在熱彈塑性分析的基礎上，作如下假定不銹鋼盤管在字簡單拉伸試驗檢測時，可以通過比較軸向應力與不銹鋼盤管的屈服應力來確定是否有塑性變形發生。然而，對于復雜的應力狀態，是否達到屈服點并不是很明顯的。屈服準則是一個可以用來與單軸測試的屈服應力相比較的應力狀態的標量來表示，因此，知道了應力狀態和屈服準則，計算時就能夠確定浙江不銹鋼盤管是否有塑性應變產生。

 不銹鋼盤管在較高應力時蠕變斷口處晶粒發生了一定量的塑性變形，晶粒略被拉長。除主斷口外，在斷口附近三晶粒交合點及晶界突緣處發現有少量分散孤立的楔形裂紋或洞型裂紋，其斷裂方式主要是沿晶的。同時，斷口邊緣也呈現少量穿晶型斷裂跡象，約占斷口的25%，表明不銹鋼盤管為穿晶與沿晶混合型斷裂。相應基體組織未發生明顯變化。而圖3.8c中由于較低應力長時蠕變作用晶界處析出相則顯著增多，尺寸變大。斷口處幾乎未觀察到穿晶型斷裂，基本為沿晶斷裂特征形貌，同時，在較高溫和應力作用下，由蠕變造成的晶界裂紋數量和尺寸都有增加。值得注意的是，在基體中觀察到裂紋沿晶界長大連接而成的裂紋段，長約為11.3um，并垂直于拉應力方向（箭頭1），這與傳統理論認為裂紋擴展優先沿切應力方向的界面上進行是不同的。文獻研究認為，其沿晶斷裂主要原因是在較高溫度、較低應力水平下，晶界滑移時遇晶界上的第二相或三晶粒交合點，滑移將受阻，從而產生應力集中形成空洞源。不銹鋼盤管在拉應力作用下，晶界上的許多空洞優先沿垂直于拉應力軸方向的晶界上長大并相互連接，最終造成蠕變斷裂。