不锈钢盘管焊接应力和变形的理论分析

 不锈钢盘管在焊接过程中，由于高度集中的焊接热输入，必然产生相当大的焊接应力和变形。焊接应力和变形的计算是以浙江至德钢业有限公司生产的不锈钢盘管焊接温度场分析为基础，同时考虑焊接区组织转变对应力应变场带来的影响。目前，研究焊接应力和应变的理论主要有热弹塑性分析、固有应变法、粘弹塑性分析、考虑相变与热应力耦合效应等。其中的热弹塑性分析是在焊接热循环过程中通过一步步跟踪热应变行为来计算热应力和应变的，该方法需要采用有限元计算方法，易于在计算机上实现。釆用这种方法可以详尽地掌握浙江不锈钢盘管焊接应力和变形的产生和变化趋势，随着大型有限元软件的开发和发展，这种方法被越来越多的焊接工作者以及研究学者采用。本文也是基于此理论，借助于有限元分析软在计算机上实现对焊接应力和变形的模拟分析的。

 热弹塑性分析的特点和假定，热弹塑性问题是一个热力学问题。作为热力学系统的焊接材料，其自由能密度不仅与应变有关，而且还与温度有关，也就是说力学平衡方程中有与温度相关的项。从能量上看，输入的热能在使焊接材料温度上升的同时，还由于结构的膨胀变形做功而消耗一部分。这时，在热传导平衡方程中，要增加与应力有关的项。因此，严格地讲，焊接温度场与应力应变场是相互耦合的，不过，这种耦合效果除个别特殊情况下，一般都很小，而且浙江不锈钢盘管焊缝附近的温度变化很大，材料的各种物理性能也相应变化很大，这种影响比上述藕合效应要大得多。在热弹塑性分析的基础上，作如下假定不锈钢盘管在字简单拉伸试验检测时，可以通过比较轴向应力与不锈钢盘管的屈服应力来确定是否有塑性变形发生。然而，对于复杂的应力状态，是否达到屈服点并不是很明显的。屈服准则是一个可以用来与单轴测试的屈服应力相比较的应力状态的标量来表示，因此，知道了应力状态和屈服准则，计算时就能够确定浙江不锈钢盘管是否有塑性应变产生。

 不锈钢盘管在较高应力时蠕变断口处晶粒发生了一定量的塑性变形，晶粒略被拉长。除主断口外，在断口附近三晶粒交合点及晶界突缘处发现有少量分散孤立的楔形裂纹或洞型裂纹，其断裂方式主要是沿晶的。同时，断口边缘也呈现少量穿晶型断裂迹象，约占断口的25%，表明不锈钢盘管为穿晶与沿晶混合型断裂。相应基体组织未发生明显变化。而图3.8c中由于较低应力长时蠕变作用晶界处析出相则显著增多，尺寸变大。断口处几乎未观察到穿晶型断裂，基本为沿晶断裂特征形貌，同时，在较高温和应力作用下，由蠕变造成的晶界裂纹数量和尺寸都有增加。值得注意的是，在基体中观察到裂纹沿晶界长大连接而成的裂纹段，长约为11.3um，并垂直于拉应力方向（箭头1），这与传统理论认为裂纹扩展优先沿切应力方向的界面上进行是不同的。文献研究认为，其沿晶断裂主要原因是在较高温度、较低应力水平下，晶界滑移时遇晶界上的第二相或三晶粒交合点，滑移将受阻，从而产生应力集中形成空洞源。不锈钢盘管在拉应力作用下，晶界上的许多空洞优先沿垂直于拉应力轴方向的晶界上长大并相互连接，最终造成蠕变断裂。