核电用钢SA508-3焊接过程中固态相变规律及残余应力研究

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中文摘要：核电SA508-3钢作为当今压水堆压力容器制造的主要材料具有良好的延展性、焊接性能以及力学性能。而焊接接头中的残余应力严重影响核电压力容器的服役寿命及安全性评估。因此，准确预测焊接残余应力对提高核电压力容器结构完整性具有重要意义。由于核电SA508-3钢合金成分复杂，其焊接过程中的多相组织转变引起的相变应力难以确定，对精确预测焊接残余应力产生很大的困难。本课题基于试验研究探明了核电SA508-3钢焊接热循环中的固态相变规律，并建立了适用于焊接条件的贝氏体转变计算模型以及纳入奥氏体、贝氏体、马氏体等多种组织转变的热-冶金-力多场耦合模型，精确描述了核电SA508-3钢焊接中的残余应力分布及演化机理。主要工作内容及结论如下： (1)结合热模拟试验、金相组织分析和显微硬度测试讨论了SA508-3钢在0.5℃/s、1℃/s、5℃/s、10℃/s和20℃/s五种不同冷却速度下的固态相变类型与规律，并根据热膨胀曲线推出核电SA508-3中奥氏体、贝氏体、马氏体等组织的热膨胀系数及相变应变参数。 (2)基于等温转变曲线(TTT曲线)，利用Scheil叠加原理和数值迭代技术自主开发程序，建立一种可直接用于焊接等连续冷却条件下的贝氏体相变数学模型，结合杠杆法、面积比法所获得试验数据以及显微硬度测试结果证实了所开发计算程序的正确性。 (3)采用中子衍射试验、X射线试验和热-冶金-力学多场耦合有限元分析相结合的方法，准确预测了SA508-3钢焊接中的显微组织演化及残余应力分布。结果表明，贝氏体相变与马氏体相变的发生使纵向应力在焊缝处为压应力，在热影响区为拉应力，横向应力在焊趾处为压应力。另外回火效应的影响会导致纵向残余应力的累积。 (4)基于热-冶金-力学多场耦合数值分析模型，采用单道焊有限元模型探讨了焊接过程中不同的贝氏体转变量与马氏体转变量对焊后残余应力的影响。从应力角度来讲，增加贝氏体相变比例，能够更好地改善焊接接头的残余应力。

作者：

邓扬光

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关键词：

核电用钢焊接接头残余应力相变模型多场耦合中子衍射

授予学位：

硕士

学科专业：

动力工程及工程热物理

导师：

蒋文春

学位年度：

2019

学位授予单位：

中国石油大学(华东)

语种：

中文

中图分类号：