Mater. Sci. Eng. A：DP600激光焊接接頭顯微組織變化對低周疲勞性能的影響：實驗和數值模擬

【引言】

隨著結構件輕量化和安全性要求的越來越高，先進的加工方法和低合金鋼強鋼成為解決該問題的重要途徑。激光焊具有效率高、變形小、生產成本低等優點，所以在材料連接中具有重要地位。研究表明焊接接頭的疲勞性能比母材要低很多，而且焊接接頭不同區域的組織和性能也各不相同。為了預測焊接接頭疲勞性能，數值模擬技術由于具有成本低、時間短而得到廣泛應用。但由于焊接接頭組織的復雜性，還沒有人利用顯微力學模型對焊接接頭疲勞性能進行研究。

【成果簡介】

近日，美國密歇根大學的Ali Ramazani（通訊作者）在Materials Science and Engineering: A上發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”。在該文中，本文通過實驗和數值模擬相結合的方法探究了DP600激光焊接接頭的顯微組織對低周疲勞性能的影響。

【圖文導讀】

圖1 該研究中實驗和數值模擬方法的原理圖

圖2 DP600焊接接頭顯微組織

（a）焊接接頭橫截面宏觀形貌

（b）焊縫

（c）熱影響區1

（d）熱影響區2

（e）母材

圖3 DP600激光焊接接頭SEM組織圖

（a）焊縫顯微組織（板條馬氏體）

（b）熱影響區1（主要組織是馬氏體）

（c）熱影響區2（鐵素體基體和淬火馬氏體）

（d）母材

圖4 DP600激光焊接接頭橫截面截線上的顯微硬度

圖5 拉壓循環載荷實驗用的試樣尺寸

圖6 經200個循環周期后熱影響區疲勞萌生的量化研究

（a）IPF/IQ圖

（b）KAM圖

圖7 拉壓低周疲勞實驗的試樣尺寸

圖8 焊接接頭示意圖和接頭不同區域的顯微組織

圖9 ?含有20%馬氏體和80%鐵素體的母材的等效體積單元

圖10 含有70%馬氏體和30%鐵素體的熱影響區1的等效體積單元

圖11 含有10%淬火馬氏體和90%鐵素體的熱影響區2的等效體積單元

圖12 計算得到母材中單相的循環曲線

圖13 計算得到的焊縫中馬氏體單相的循環曲線

圖14 計算得到的熱影響區2中單相的循環曲線

圖15計算得到的熱影響區2中單相的循環曲線

圖16 根據顯微力學模型得到的焊接接頭不同區域的米塞斯應力

圖17 根據顯微力學模型得到的焊接接頭不同區域的等效塑性應變分布

圖18 經循環載荷后母材的EBSD-OIM圖和應變分布圖

（a）母材經200次循環載荷后的EBSD-OIM圖

（b）根據低周疲勞顯微力學模型得到的母材的應變分布圖

圖19 通過顯微力學模型得到的不同等效體積單元的磁滯回線

圖20 接頭模型及邊界條件

圖21 焊接接頭低周疲勞失效的實驗和模擬值

（a）焊接接頭在應變循環載荷下的失效

（b）米塞斯應力分布

（c）等效塑性應變分布

圖22 焊接接頭磁滯回線的數值模擬值和實驗值的對比

【小結】

本文主要研究結論如下：

EBSD顯微結構分析表明靠近母材的熱影響區比靠近焊縫的熱影響去的塑性應變要大。母材中的顯微裂紋在鐵素體相和鐵素體/馬氏體邊界。

數值模擬結果表明焊接接頭所有區域的應變局部化在鐵素體相中均增加，主要在鐵素體和馬氏體界面。在各自獨立相或兩個馬氏體相間會存在很高的應變突變。
模擬結果表明：微觀上，熱影響區軟化區存在高應變局部化；而在宏觀上，母材存在最大等效塑性應變。這表明所研究的焊接接頭的熱影響區軟化區不足以控制宏觀疲勞失效位置。

不同區域采用不同的等效體積單元來表示焊接接頭，該模型用于模擬焊接接頭的穩態應力-應變磁滯回線。通過實驗值和模擬值的對比發現磁滯應力-應變曲線存在正相關關系，可以通過該模型準確預測激光焊接接頭疲勞失效位置。

文獻鏈接：Study of the effect of microstructural variation on the low cycle fatigue behavior of laser welded DP600 steel: simulation and experimental validation（Materials Science and Engineering: A，2018，DOI：10.1016/j.msea.2018.06.004）。

本文由材料人編輯部金屬組 楊樹 供稿，材料牛編輯整理。

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