Page 129 - 机械工程材料2025年第三期

2025 年 3 月 第 49 卷 第 3 期 Vol. 49 No. 3 Mar. 2025

DOI：10. 11973/jxgccl230586

基于压入响应的异种金属焊接接头材料力学性能

计算方法

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薛 河 ，杨 超 ，张雨彪 ，宁 硕 ，张嘉庆 ，朱佳珺 ，张建龙 2
（1. 西安科技大学机械工程学院，西安 710054；2. 西安特种设备检测院，西安 710065）
摘 要： 通过ABAQUS有限元分析软件模拟压入试验并结合控制单一变量法，在Hollomon本构
模型的基础上，分析了不同材料力学性能参数（屈服应力和应变硬化指数）与载荷-位移曲线加载段
压入响应参数（加载曲率和加载指数）的关系，建立由加载段压入响应参数反求材料力学性能参数的
预测公式，以有限元分析时输入的屈服应力和应变硬化指数作为约定真值，验证预测方法的准确性；
通过该预测方法获得SA508钢/52M合金堆焊层/52M合金对接焊缝/316L钢异种金属焊接接头的
材料力学性能参数分布。结果表明：预测公式计算得到屈服应力和应变硬化指数的最大相对误差绝
对值分别为10.5%，6.29%，所建立的公式可以较为准确地预测异种金属焊接接头局部区域的材料
力学性能参数。计算得到异种金属焊接接头两侧热影响区的屈服应力和应变硬化指数变化明显，随
着距熔合线距离的增加，屈服应力减小，而应变硬化指数增大；母材以及52M合金堆焊层和对接焊
缝的屈服应力和应变硬化指数分布相对稳定。
关键词： 异种金属焊接接头；载荷-位移曲线；压入响应参数；力学性能参数
中图分类号：TG142.25；TH140.7 文献标志码：A 文章编号：1000-3738（2025）03-0121-07

0 引 言 提出了一种用来描述压痕底部材料变形状态的孔洞
模型，该模型能够较为准确地预测材料硬度和屈服
［1］
焊接接头各区域具有力学性能不均匀性 ，通
应力之间的关系。ZHANG等 ［12］ 和JIANG等 ［13］ 在
［2］
常是结构发生失效的薄弱部位 。在压水堆核电一
孔洞模型的基础上引入材料的凸起凹陷效应，提出
回路安全端中，焊接接头大多为异种金属接头，不同
了一种用于识别材料塑性力学性能参数的新方法。
的焊接材料使用导致接头微观结构和力学性能存在
目前，通过分析压入响应参数建立的材料力学性能
分布不均匀的特点，这对局部区域力学性能获取技
［3］
术提出了更高的要求 。传统的单轴拉伸试验存在 预测方法，大多需要完整的载荷-位移曲线。但是，
诸多使用上的局限性，难以准确全面地测定材料局 在工程中由于位移检测对硬件和技术要求较高等原
［4］
部区域的力学性能 。 因，所得压入载荷-位移曲线卸载段的误差较大，通
压入测试方法是近些年来新兴的一种无损或 常仅使用加载段响应参数来建立材料力学性能预测
微损的获取材料力学性能的技术，具有操作方便、 方法 ［14-15］ 。目前，该方法尚未应用于异种焊接接头
可原位测试、对试样破坏性小的优点 ［5-7］ 。1951年， 力学性能参数预测上。因此，作者建立了由加载段
［8］
TABOR 提出了表征应力和应变的概念，以此关联 压入响应参数反求材料力学性能参数的预测公式，
材料的压痕响应参数与单轴应力-应变曲线之间的 并对SA508钢/316L钢异种金属焊接接头的材料力
［9］
关系。1992年，OLIVER和PHARR 提出了著名的 学性能参数进行了预测。研究结果可为异种金属焊
“O-P”方法，根据仪器化压入测试的载荷-位移曲 接接头裂纹扩展的预测提供指导。
［10-11］
线测试了材料的硬度和弹性模量。JOHNSON
1 有限元获取材料力学性能的原理
收稿日期：2023-12-13；修订日期：2024-09-26 典型的单次球形压入载荷-位移曲线如图1所
基金项目：国家自然科学基金资助项目（52075434） ；陕西省重点研发

示，其中： F max 为压入过程中的最大载荷； S为被测
计划项目（2021KW-36） ；国家市场监管总局技术保障项
材料的接触刚度，即卸载段曲线在最大载荷附近的
目（2023YJ25）
作者简介： 薛河（1961—），男，江苏扬州人，教授，博士 斜率； C为加载段曲线的加载曲率； h max 为最大压入
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