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引文格式：
Rajat D, Samir C R, Mariappan K. Numerical validation of fatigue properties and investigation of local deformation of heat-affected zones in P91 steel’s weld joint [J]. International Journal of Fatigue, 2024, 180: 108109.
Rajat. " Numerical validation of fatigue properties and investigation of local deformation of heat-affected zones in P91 steel’s weld joint." International Journal of Fatigue 180 (2024): 108109.
Rajat, D. (2024). Numerical validation of fatigue properties and investigation of local deformation of heat-affected zones in P91 steel’s weld joint. International Journal of Fatigue, 180, 108109.
背景简介
铁素体马氏体钢P91因其高导热性、低热膨胀系数和优异的高温机械性能而成为传统发电厂和核电站高温应用的潜在材料，受到广泛的饿关注。发电厂启动和关闭期间的反复加热和冷却过程会发生显着的温度变化，导致循环热应力的产生，从而引发低周疲劳（LCF）。焊接技术已广泛用于集成发电厂的组件，焊接过程中，焊接接头内部和周围的材料在焊接过程中会发生各种热循环，导致焊缝处形成不均匀的微观结构，包括焊接区（WZ）、粗晶热影响区（CGHAZ）、细晶热影响区（FGHAZ）、临界热影响区（ICHAZ）和母材（BM）等。这种微观结构异质性显着影响了接头的机械性能，并且P91钢焊接接头在高温条件下热影响区（HAZ）中的过早失效已有大量报道，使焊件成为结构中的脆弱环节。因此，研究焊接接头（WJ）各子区域的变形行为，对了解失效的原因和机理至关重要。
成果介绍
（1）图1（a）显示了HAZ不同子区域的第一个循环的循环应力-应变滞后回线以及BM和焊接材料（WM）的循环应力-应变滞后回线。从图1（b）所示的循环应力响应（CSR）图可以发现，在所有子区域中，母材的疲劳寿命最高（N > 1000），而焊接材料的疲劳寿命最低（N < 400）。结果表明，焊接接头的疲劳寿命为606次循环，除WM外，其他所有子区域的疲劳寿命都高于WJ。在最终断裂之前，所有子区域和WJ都显示出持续的循环软化。尽管在所有情况下都观察到持续软化，但在前200个循环内，峰值应力下降非常迅速，然而超过该循环时峰值拉伸应力的下降明显较小，尤其是在BM、FGHAZ、ICHAZ 和WJ中。一旦损伤在足够多的循环后开始产生，所有CSR曲线都表现出峰值应力的突然下降。
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图1 P91钢焊接接头各分区域的LCF测试数据：（a）第一周期的滞后回线，（b）循环应力响应
（2）图2显示了整个焊接接头的轴向应力（S33）、塑性应变（PE）和等效塑性应变（PEEQ）的分布，以及不同子区域中应力和应变的不均匀分布，其中等效塑性应变（PEEQ）是一个标量，它给出了von Mises等效塑性应变的累积值的估计值。图2（a）和（b）所示结果表明，ICHAZ和WM在WM-CGAHZ界面附近的轴向应力最高，凸显了应力分布或变形的极端非均质性。横截面和表面上的轴向塑性应变分布如图2（c）和（d）所示，从图中可以看出最大的塑性应变发生在ICHAZ内部和周围。在200次循环后，最大塑性应变在ICHAZ中为拉伸应变，在BM和FGHAZ中最大塑性应变在表面附近为压缩应变。此外，在ICHAZ周围的表面上可以看到材料的颈缩/凸起，如图2（e）和（f）所示。
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图2 LCF下200次循环后，应力和应变在焊接接头上的分布
（3）如上所述，应力/应变的分布（图2）表明材料在焊接接头的子区域中的棘轮效应。此外，应力或应变的分布在各个子区域内也是异质的。因此，棘轮化的程度因子区域不同而不同，也因子区域内的不同点而不同。因此，在分析子区域的循环变形（或棘轮）行为时，考虑了每个子区域表面上的一个元素。图3显示了子区域的代表性元素及其在不同寿命（第1、100、150和200循环）下的应力-应变滞后回线，在WJ的子区域中可以看到应变的定向积累（即棘轮），导致滞后环沿应变轴的平移。棘轮在ICHAZ、FGHAZ和BM中很大，但在CGHAZ和WM中可以忽略不计。
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图3 模拟P91钢焊接接头中不同子区域的局部应力-应变响应
（4）图4（a）显示了在一定数量的循环载荷作用下，不同子区域的滞后回线。结果表明，ICHAZ的滞后回线始终是最宽的，凸显了该子区域塑性变形程度最高，从图中所示的塑性应变分布中也可以看出这一现象（图2（c）和（d））。相较于其他子区域，WM具有更高的强度和刚度，因此焊缝金属中的塑性变形最小。从滞后回线的应力范围可以看出ICHAZ的滞后回线应力范围为最小值，表明材料的循环强度最低。图4（b）显示了前5个（周次1-5）和最后5个（周次196-200）周次的循环应力变化图，作为累积/等效塑性应变的函数，可以发现每个周次的塑性应变积累程度按ICHAZ > FGHAZ > BM > CGHAZ > WM的顺序变化，这与不同子区域的平均应变积累顺序一致，表明不同子区域的塑性应变积累主要是由棘轮行为引起的。
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图4 P91滞回环及应力应变变化：（a）绘制在一起的不同子区域的滞回环；（b）P91钢焊接接头不同子区域的应力和等效塑性应变变化
致谢
这项工作得到了印度理工学院罗巴尔分校的资助，由英迪拉·甘地原子研究中心（IGCAR）的Kalpakkam提供的测试支持。本文第一作者：Rajat Dhiman （Indian Institute of Technology）；通讯作者：Rajat Dhiman、Samir Chandra Roy（Indian Institute of Technology）。
本期小编：华飞龙（整理）
王永杰（校对）
程 航（审核）
王永杰（发布）
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