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国产304钢及其焊接结构的疲劳性能研究

作　者: 刘庆东
导　师: 李佳
学　校: 东北大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 304钢焊接疲劳威布尔分布 Matlab
分类号: TG457.11
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

目前在工程生产上,焊接是最主要的连接方法之一。由于焊接连接的本身特点,在焊缝处存在应力集中、焊缝缺陷和焊接残余应力。在交变载荷作用下,疲劳裂纹有可能在焊接结构的焊缝附近萌生,并导致疲劳破坏。在核能工业中,焊接性能的质量直接影响整套设备的运行。本文以核电工业应用最多也是最关键的设备——核电压力管道与压力容器中应用广泛的304钢为试验研究对象。本文研究304钢及其焊接结构的疲劳性能。在阐述疲劳的理论和查阅大量的国内外相关资料基础上,确定了材料及结构所承受载荷的应力水平,并且制定了相关的试验计划。首先进行静拉伸试验。通过静拉伸试验获得材料基本的力学性能参数,比如材料屈服极限和强度极限以及焊接结构的强度极限等等。接下来对不同尺寸的光滑试样进行疲劳试验,研究其疲劳性能,包括主要影响因素尺度效应。进而对单条焊缝和三条焊缝的焊接试样进行疲劳试验,研究焊接结构在疲劳载荷作用下的疲劳特性。对已经破坏的试样进行断口分析,观察裂纹源的产生和疲劳裂纹扩展情况,分析不同种类试样各个区域的材料性能。为了进一步研究疲劳机理,还进行了金相检验。包括对材料和焊接结构母材的金相检验,以及对疲劳后焊缝区和焊接接头热影响区进行金相组织分析,分析其变化过程。在观测金相组织过程中发现,手工电弧焊使304钢焊接热影响区晶粒细化,强度有所加强。由于试样过渡圆角应力集中的影响,得到的试验数据包括一些随机截尾数据。根据经验,低周疲劳下,寿命分布符合威布尔分布。本文采用秩次增量法与相关系数法对威布尔分布进行三参数估计。应用Matlab绘制出分布曲线,进而对材料和焊接结构作出寿命预测。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-12
第1章绪论  12-18
  1.1 课题研究背景  12
  1.2 国内外研究状况  12-16
  1.3 课题来源及研究意义  16
  1.4 本文研究内容  16
  1.5 技术路线  16-18
第2章疲劳失效理论  18-26
  2.1 引言  18
  2.2 疲劳基础理论  18-20
    2.2.1 疲劳分类  18-19
    2.2.2 影响疲劳特性的因素  19
    2.2.3 疲劳机理  19-20
    2.2.4 疲劳理论发展趋势  20
  2.3 疲劳寿命分布理论  20-22
    2.3.1 疲劳可靠性理论  20-21
    2.3.2 威布尔分布  21-22
  2.4 疲劳中的尺寸效应  22-23
  2.5 焊接结构的疲劳断裂  23-24
    2.5.1 焊接应力集中的影响  23-24
    2.5.2 焊接接头裂纹扩展  24
  2.6 压力管道失效特点  24-25
  2.7 本章小结  25-26
第3章试样试验方案设计  26-32
  3.1 试验目的规划  26
  3.2 确定应力水平  26-28
    3.2.1 国内某核电站压力容器及主管道载荷谱分析  26-27
    3.2.2 国外核电站管道受力状况  27-28
  3.3 试验内容设计  28-31
    3.3.1 静拉伸试验  28-29
    3.3.2 疲劳试验最少根数确定  29
    3.3.3 尺寸效应疲劳试验  29-30
    3.3.4 焊接试样疲劳试验  30
    3.3.5 试样断口分析  30-31
    3.3.6 试样金相试验  31
  3.4 本章小结  31-32
第4章材料力学性能试验研究  32-41
  4.1 引言  32
  4.2 静拉伸试验  32-37
    4.2.1 试验材料介绍  32-33
    4.2.2 拉伸试样加工  33-35
    4.2.3 试验设备和条件  35
    4.2.4 拉伸试验过程  35-37
  4.3 疲劳试验  37-40
    4.3.1 试验设备和条件  38
    4.3.2 疲劳试样制备  38-39
    4.3.3 尺寸效应试验  39-40
    4.3.4 焊接试样试验  40
  4.4 本章小结  40-41
第5章试样断口分析和金相分析  41-55
  5.1 引言  41
  5.2 断口分析  41-46
    5.2.1 断口分析的意义  41-42
    5.2.2 拉伸断口分析  42-43
    5.2.3 光滑试样疲劳断口分析  43-46
    5.2.4 焊接试样疲劳断口分析  46
  5.3 金相分析  46-53
    5.3.1 金相试样制备  47-48
    5.3.2 母材金相分析  48-51
    5.3.3 拉伸试样金相分析  51-52
    5.3.4 疲劳试样金相分析  52-53
  5.4 本章小结  53-55
第6章试验结果处理及疲劳寿命预测  55-71
  6.1 引言  55
  6.2 试验数据筛选  55-56
  6.3 截尾数据处理方法  56-58
    6.3.1 试样应力集中影响  56-57
    6.3.2 截尾数据介绍  57
    6.3.3 秩次增量法  57-58
  6.4 威布尔分布参数估计  58-61
    6.4.1 威布尔分布与MATLAB  58
    6.4.2 威布尔概率纸  58-59
    6.4.3 截尾数据条件下威布尔分布三参数估计  59-60
    6.4.4 威布尔分布假设检验  60-61
  6.5 光滑试样疲劳寿命预测  61-66
    6.5.1 对宽度10mm光滑试样的失效数据进行处理  62-63
    6.5.2 对宽度20mm光滑试样的试验数据进行处理  63-65
    6.5.3 对宽度30mm光滑试样的试验数据进行处理  65-66
    6.5.4 不同宽度光滑试样寿命分布对比  66
  6.6 焊接试样疲劳寿命预测  66-70
    6.6.1 对一条焊缝焊接试样的试验数据进行处理  67-68
    6.6.2 对三条焊缝焊接试样的试验数据进行处理  68-69
    6.6.3 光滑试样与焊接试样的寿命分布曲线对比  69
    6.6.4 不同焊缝数量焊接试样的寿命分布曲线对比  69-70
  6.7 本章小结  70-71
第7章结论  71-72
  7.1 结论  71
  7.2 展望  71-72
参考文献  72-76
致谢  76-78
附录  78-80

国产304钢及其焊接结构的疲劳性能研究

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