高强度钢(921A)聚能切割数值仿真与试验研究

基于有限元分析软件Ansys/LS-DYNA对4种不同炸高工况下的铜聚能切割索切割921A钢板过程进行数值模拟,其中炸高分别为0 mm、2 mm、4 mm和6 mm,钢板厚度为4 mm。根据仿真结果得出4 mm炸高最接近最优炸高,在这种工况下的切割效果最好。进行了4 mm炸高下921A钢板聚能切割试验,试验结果与数值仿真结果吻合度较高。研究结果可为解决工程实际问题提供参考。

921A高强碳素钢在天然流动海水中的腐蚀行为

921A碳素钢作为海洋工程用高强钢,被广泛应用于水下海洋装备的建造。921A钢在服役期间内会遭受恶劣海洋环境以及复杂流场作用,其在流动海水中的腐蚀行为是影响水下海洋装备安全运行的重要因素。为了明晰921A钢在流动海水中的腐蚀规律,利用射流喷射系统研究了海洋工程用921A高强碳素钢在不同流速(1~8 m/s)天然海水中的腐蚀行为,并结合电化学测量、微观形貌分析和计算流体力学(CFD)仿真分析了海水中流场、传质和锈层分布对921A钢腐蚀行为的交互影响机制。实验结果表明,随着海水流速从1~3 m/s升高至5~8 m/s,钢材的腐蚀损伤形貌由“流痕”转变为点蚀,海水流速增加会导致更为致密的球状锈层形成。921A钢在流动海水中的腐蚀行为受到流速、传质、壁面切应力、正应力和锈层的协同作用,锈层积累和局部腐蚀更倾向于出现在同时具有低流速、低切应力和高正应力、高传质速率特征的区域。高流速下正应力和切应力的大幅升高是导致致密锈层和点蚀形成的重要原因。921A钢的腐蚀速率在浸泡初期受活性溶解区域的发展控制,实验后期传质和锈层成为影响921A钢腐蚀速率的主要因素。在下一步工作中,将继续围绕流动海水中碳钢材料表面不同形貌锈层的形成机制与局部腐蚀发展规律开展研究。

921A舰船钢激光-MAG复合焊接过程数值模拟分析

目的对厚度为16 mm的921A舰船钢进行激光-MAG复合焊接,得到最佳工艺参数,从数值模拟的角度验证焊接工艺的可靠性。方法利用SYSWELD+Visual-Environment软件对激光-MAG复合焊接过程进行数值模拟,选用3D高斯热源与双椭球热源相结合的复合热源模型对激光-MAG复合焊接过程进行仿真,绘制不同时刻及不同焊缝区域的时间-温度曲线,采用热弹塑性有限元法对应力变形场进行仿真计算。结果双椭球热源模型与3D高斯热源模型相结合的复合热源模型能够获得较为理想、接近真实热源形貌的热源形态;焊缝区域的焊接热源在行进过程中温度稳定,模拟热源温度可达3200℃,具有典型的焊接热循环曲线特征,且距离焊缝越远,升温速率和冷却速率越慢;焊接残余应力主要集中在焊缝处,约为440 MPa,且焊缝两端的结合部位具有较高的残余应力。结论复合热源模型适用于16 mm厚的921A钢激光-MAG复合焊接数值模拟,焊后板材的残余应力低于材料的屈服强度,冷却后板材的变形程度较小,最大变形量为1.13 mm,表明激光-MAG复合焊接方法及工艺适用于16 mm厚921A钢的焊接。

907A、921A钢的抗冲刷腐蚀和磨蚀性能

采用旋转圆盘法对907A、921A钢在含有0．3％石英砂（200～300目）的3．5％NaCl溶液中的冲刷腐蚀和磨蚀性能分别进行测试，用失重法评价了2种材料的抗冲刷腐蚀和磨蚀性能，并利用扫描电镜观察了其腐蚀形貌．结果表明，921A钢在3．5％的NaCl溶液中的抗冲刷腐蚀性能及抗磨蚀性能均高于907A钢．

921A钢纯剪切帽状试件绝热剪切变形的数值模拟

结合相关实验,通过一系列基于921A钢纯剪切帽状试件的SHPB数值模拟,研究试件的绝热剪切行为,分析试件内绝热剪切带(ASB)的产生、发展以及相应的试件温度场分布。研究发现:ASB是通过剪切区两端高温高应变的不稳定区域的扩展而形成;ASB的扩展速率与加载速率相关;在本文加载速率范围内,ASB带宽无明显变化,均为约70μm,基本与所设计的试件剪切区宽度一致;且对应所有加载速率,ASB均为形变带。

921A钢纯剪切帽状试件在SHPB实验中的动态变形

应用ANSYS/LS-DYNA软件,开展了一系列基于921A钢纯剪切帽状试件的SHPB数值模拟。结合SHPB系统应力波理论,研究不同加载速率v0(或应力脉冲σI(t))下,特别是高应变率(约106s-1)下的压杆轴向应变波形以及相应的试件动态变形特性,并对高速撞击下压杆中应变波形的适用性作了相关讨论。

921A钢在海水中腐蚀的力学化学效应

为了研究弹性应力和弹塑性应变对921A船体钢在模拟海水中腐蚀行为的影响,采用自制的载荷-电化学实验装置对921A钢在载荷与腐蚀介质协同作用时的开路电位、动电位极化曲线和电化学阻抗谱等电化学性能进行了测试,并由电化学阻抗谱拟合得到的电荷传递电阻定义载荷下的腐蚀速率修正因子,将实验得到的腐蚀速率修正因子与理论值进行了对比。结果表明:弹性拉应力与弹性压应力对力学化学效应的影响具有对称性。力学化学效应随着弹性应力的增大而增大,随着弹塑性应变的增大先增大后减小。弹塑性应变对力学化学效应的影响远远大于弹性应力的影响。在研究范围内,弹塑性应变引起的腐蚀电位负移量最大为62.6 mV,相应的腐蚀速率修正因子高达4.113,而弹性应力引起的腐蚀电位负移量最大为24.5 mV,相应的腐蚀速率修正因子为1.746。由此可见,应力应变对921A钢在海水中腐蚀行为的影响不容忽视。

921A钢的韧脆转变温度研究

采用V型缺口试样,以冲击吸收功、脆性断面率结合断口形貌的变化对921A钢的韧脆转变温度进行了测定与分析。试验表明,921A钢韧脆转变温度为FATT50=-100℃。

盲孔法测量921A钢焊接残余应力的应变释放系数研究

根据盲孔法测量残余应力的基本原理和孔边塑性变形修正方法 ,分别对盲孔法测量92 1A钢焊接残余应力时的应变释放系数A、B进行实验标定 ,通过试验得出了 92 1A钢盲孔孔边塑性变形对测量精度的影响和盲孔法测量 92 1A钢焊接残余应力的塑性修正公式 ;并对实验标定应变释放系数与通孔应变释放系数理论解进行比较 ,表明试验结果与通孔应变释放系数理论值有较好的一致性 ,测量结果经塑性修正 ,最大误差减小到 2 .5 %以下。试验结果可以直接在盲孔法测量92

NPR新材料钢在动态冲击载荷下的力学性能研究

为了研究NPR新材料钢在动态冲击载荷作用下的力学性能,利用分离式霍普金森杆装置对其进行动态拉伸和动态压缩试验,通过试验获得材料的变形机理、失效模式及不同应变率下的应力-应变关系;并将试验结果与921A钢进行对比,分析2种材料的力学性能差异。研究结果表明,在准静态载荷作用下,NPR新材料钢具有较大的极限强度和断裂应变;在动态冲击载荷作用下,NPR新材料钢的屈服强度和极限强度均随应变率的增加而增大,表现出较强的应变率效应,且在高应变率下,NPR新材料钢的应变率强化效应更显著,具有较好的静、动态力学性能。

921A船板钢的动态断裂韧度K_(ID)研究

采用仪器化冲击试验,分别获得了不同低温状态下921A钢的动态断裂韧度。通过对不同状态下921A钢的动态断裂韧度KID的比较说明:该钢的动态断裂韧度随温度的变化呈现上、下两个平台,存在韧-脆转变特征,且发生低温脆性的温度为-84℃～-60℃,充分表明该钢具有较好的低温韧度。

921A钢动态断裂韧性及韧-脆转变的分析

文章研究了921A钢在不同温度下的动态断裂韧性KId及韧-脆转变特征,结合仪器化冲击曲线和断口形貌的特征测定了该钢低温状态下的温度效应。结果表明:921A钢具有较好的动态断裂韧性,该钢的安全低温服役温度应高于-60℃。

船用921A钢高温、高应变率下动态本构模型研究

921A钢是我国重要的舰船结构钢,研究921A钢在高温、高应变率条件下的动态力学性能对舰船结构防护设计和安全评估具有重要意义。采用电子万能试验机和带有同步组装系统的高温Hopkinson压杆试验装置,对921A钢在不同温度(25~500℃)、不同应变率(0.001~4000 s^(-1))下的准静态和动态力学性能进行了研究。结果表明,921A钢具有明显的应变率强化效应和热软化效应,应变率强化效应随温度升高逐渐减弱,热软化效应对应变率变化不敏感。考虑了应变、应变率和温度对力学性能的影响,拟合得到了921A钢的Johnson-Cook本构模型参数。开展了弹体高速撞击双层921A钢板的试验,并采用得到的Johnson-Cook本构模型参数进行了数值仿真,靶板弹孔平均直径和破坏形貌的仿真结果与试验结果吻合较好,验证了该模型能够较好地描述921A钢在高速冲击条件下的动态力学行为。

921A钢激光-MAG复合焊接头组织及性能

针对6 mm厚的921A钢板,采用激光-MAG复合焊接工艺进行对接焊试验,并对焊接接头的显微组织、硬度、拉伸性能、耐腐蚀性能等进行了分析。结果表明,采用激光-MAG复合焊工艺可获得成形连续美观的焊接接头,无未熔合、裂纹、气孔等缺陷;焊缝组织为针状铁素体、少量沿晶界析出的先共析铁素体及长条状贝氏体,热影响区组织为马氏体;焊接接头的拉伸性能和冲击性能均符合国家标准要求,焊缝强度高于母材,但塑韧性低于母材。峰值硬度在热影响区,为315 HV,焊缝硬度约为280 HV,符合最高硬度不得超过410 HV的规定。焊缝耐电化学腐蚀性能最强,母材次之,热影响区最低;激光和MAG电弧2种热源共同作用区域的组织分布更加均匀,硬度及耐腐蚀性能较激光单独作用区域有了明显改善。

921A钢板腐蚀电场的Frumkin修正

为了研究不同质量分数氯化钠溶液中腐蚀电场的Frumkin修正效果,采用电化学阻抗谱测试得到921A钢电极在腐蚀电位下的双电层电容,并由此计算分散层电位的实验值,根据双电层的Stern模型,推导分散层电位与双电层电位、支持电解质质量分数的理论关系,并得到分散层电位的理论值。根据Frumkin修正理论,对阴极和阳极的电极过程动力学分别进行修正,得到与分散层电位相关的修正后的Tafel方程式。分别以修正前后的Tafel方程式作为921A钢板腐蚀电场边界元模型的边界条件,得到修正前后的腐蚀电场分布,并与实测腐蚀电场进行对比。结果表明,修正后的电场模量幅值与实验结果更为接近,说明在仿真过程中对Tafel边界条件进行修正是有必要的,当氯化钠溶液质量分数分别为1.5%、2.5%和3.5%时,修正效果分别为12.2%、10.8%和9.4%。

921A钢水下激光填丝焊接工艺研究

采用激光填丝焊接方式,以16mm厚度的921A船用钢为母材,选择不同的焊接参数及焊接环境进行对比工艺试验,并对焊缝进行了金相分析,研究激光离焦量、湿式水深、环境压力等主要焊接参数对焊接质量的影响规律。结果表明:焊缝的熔深、熔宽随环境压力的增加逐渐减小,焊缝堆高随压力增加而略有减小。湿式水深4 mm下的焊缝比较平滑,无明显外观缺陷;水深增加到5mm后,焊缝均匀性变差;当水深增加到7mm时,焊缝成形困难,基体表面仅有烧灼痕迹。熔宽具有随离焦量增加先减小再逐渐趋于平稳的趋势、熔深具有随离焦量增加逐渐减小趋势,在离焦量为20 mm左右时焊缝成形最好。

热输入对921A钢焊接接头性能及显微组织的影响

以10kJ/cm、15 kJ/cm、20 kJ/cm三种不同焊接热输入焊接921A低合金高强钢,研究焊接热输入对焊接接头组织及力学性能的影响.研究结果表明,随着焊接热输入的增大,焊缝中晶粒尺寸增大,针状铁素体增多;热影响区晶粒长大的趋势亦随着热输入变化明显;热影响区粗晶区在焊接热循环的作用下变化明显,其组织均由板条马氏体和贝氏体组成.在不同热输入条件下焊接热影响区出现软化现象,且随着焊接热输入的增加,焊接热影响区软化问题越突出.通过拉伸试验表明焊接热输入在10～20 kJ/cm条件下,焊接接头获得了较高的强度.

921A钢的延性断裂韧性测试研究

以GB/T 21143的柔度法及美国标准ASTM E1820-11推荐规则化数据还原技术为基准,对921A钢试样进行预制疲劳裂纹、收集试验数据、试验数据后处理、有效性评估等几个方面的试验研究。研究结果表明:通过采用规则化数据还原技术以及柔度法对所有试样进行数据处理,两种数据处理方法得到的J—Δa曲线以及启裂韧度JQ均较为接近,且试验预测的最终裂纹长度与光学显微镜实测裂纹长度吻合。说明了采用GB/T 21143可以有效测定高强度塑性材料的延性断裂韧性。

热处理对921A无缝钢瓶性能的影响

以电渣重熔方法和轧制生产获得的无缝钢瓶的921A钢管为研究对象,设计对比参照样块和热模拟钢瓶。采用不同的温度对两者进行热处理,结果表明：在回火温度和回火时间不变的条件下,在一定的温度范围内,无缝钢管的强度随淬火温度而增加,但超过910℃强度降低;在淬火温度和淬火时间不变的条件下,在一定的温度范围内,强度随回火温度的增加而降低,而伸长率增加;在910℃淬火、680℃回火热处理获得的无缝钢瓶性能满足要求。

921A调质高强度合金钢塑性收缩量

以921A调质高强度钢在热传导温度场影响下产生的塑性收缩量为主要研究对象,选取船舶局部典型结构进行片体试验,结合分段建造施工工艺要素进行数据测量。进行数据处理,确定921A钢在建造过程中产生的收缩量和收缩因数,并转化为相应的精度加成因数,最终得到精度补偿量,可为实际船体结构建造策划设计的精度控制提供依据。