【引言】

 

随着结构件轻量化和安全性要求的越来越高，先进的加工方法和低合金钢强钢成为解决该问题的重要途径。激光焊具有效率高、变形小、生产成本低等优点，所以在材料连接中具有重要地位。研究表明焊接接头的疲劳性能比母材要低很多，而且焊接接头不同区域的组织和性能也各不相同。为了预测焊接接头疲劳性能，数值模拟技术由于具有成本低、时间短而得到广泛应用。但由于焊接接头组织的复杂性，还没有人利用显微力学模型对焊接接头疲劳性能进行研究。

 

 

【成果简介】

 

近日，美国密歇根大学的Ali Ramazani（通讯作者）在Materials Science and Engineering: A上发表了最新的研究成果“Study of the effect of microstructural variation on the low cycle fatigue behavior of laser welded DP600 steel: simulation and experimental validation”。在该文中，本文通过实验和数值模拟相结合的方法探究了DP600激光焊接接头的显微组织对低周疲劳性能的影响。

 

 

【图文导读】

 

图1 该研究中实验和数值模拟方法的原理图

 

 

 

图2 DP600焊接接头显微组织

 

 

（a）焊接接头横截面宏观形貌

 

（b）焊缝

 

（c）热影响区1

 

（d）热影响区2

 

（e）母材

 

 

图3 DP600激光焊接接头SEM组织图

 

 

（a）焊缝显微组织（板条马氏体）

 

（b）热影响区1（主要组织是马氏体）

 

（c）热影响区2（铁素体基体和淬火马氏体）

 

（d）母材

 

 

图4 DP600激光焊接接头横截面截线上的显微硬度

 

 

图5 拉压循环载荷实验用的试样尺寸

 

 

 

图6 经200个循环周期后热影响区疲劳萌生的量化研究

 

 

（a）IPF/IQ图

 

（b）KAM图

 

 

图7 拉压低周疲劳实验的试样尺寸

 

 

 

图8 焊接接头示意图和接头不同区域的显微组织

 

 

 

图9  含有20%马氏体和80%铁素体的母材的等效体积单元

 

 

 

图10 含有70%马氏体和30%铁素体的热影响区1的等效体积单元

 

 

 

图11 含有10%淬火马氏体和90%铁素体的热影响区2的等效体积单元

 

 

 

图12 计算得到母材中单相的循环曲线

 

 

 

图13 计算得到的焊缝中马氏体单相的循环曲线

 

 

 

图14 计算得到的热影响区2中单相的循环曲线

 

 

 

图15计算得到的热影响区2中单相的循环曲线

 

 

 

图16 根据显微力学模型得到的焊接接头不同区域的米塞斯应力

 

 

 

图17 根据显微力学模型得到的焊接接头不同区域的等效塑性应变分布

 

 

 

图18 经循环载荷后母材的EBSD-OIM图和应变分布图

 

（a）母材经200次循环载荷后的EBSD-OIM图

 

（b）根据低周疲劳显微力学模型得到的母材的应变分布图

 

 

图19 通过显微力学模型得到的不同等效体积单元的磁滞回线

 

 

 

图20 接头模型及边界条件

 

 

 

图21 焊接接头低周疲劳失效的实验和模拟值

 

（a）焊接接头在应变循环载荷下的失效

 

（b）米塞斯应力分布

 

（c）等效塑性应变分布

 

 

图22 焊接接头磁滞回线的数值模拟值和实验值的对比

 

 

 

【小结】

 

本文主要研究结论如下：

 

EBSD显微结构分析表明靠近母材的热影响区比靠近焊缝的热影响去的塑性应变要大。母材中的显微裂纹在铁素体相和铁素体/马氏体边界。

 

数值模拟结果表明焊接接头所有区域的应变局部化在铁素体相中均增加，主要在铁素体和马氏体界面。在各自独立相或两个马氏体相间会存在很高的应变突变。

模拟结果表明：微观上，热影响区软化区存在高应变局部化；而在宏观上，母材存在最大等效塑性应变。这表明所研究的焊接接头的热影响区软化区不足以控制宏观疲劳失效位置。

 

不同区域采用不同的等效体积单元来表示焊接接头，该模型用于模拟焊接接头的稳态应力-应变磁滞回线。通过实验值和模拟值的对比发现磁滞应力-应变曲线存在正相关关系，可以通过该模型准确预测激光焊接接头疲劳失效位置。