一種計(jì)算板條鐵素體在焊接冷卻過(guò)程中晶粒尺寸的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于金屬材料領(lǐng)域和焊接過(guò)程焊縫及母材組織預(yù)測(cè)領(lǐng)域，設(shè)及一種通過(guò)焊 接冷卻過(guò)程溫度場(chǎng)與鋼種連續(xù)冷卻相變(CCT，Continuous Cooling Transformation)曲線 圖相結(jié)合的用于計(jì)算板條鐵素體在焊接過(guò)程中焊縫及熱影響區(qū)晶粒尺寸的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著焊接技術(shù)在工程中越來(lái)越廣泛地應(yīng)用，改善高強(qiáng)度鋼焊接接頭力學(xué)性能的研 究也迫在眉睫。預(yù)測(cè)冷卻過(guò)程中實(shí)時(shí)的焊接接頭微觀組織晶粒大小對(duì)于分析和改善焊接接 頭力學(xué)性能至關(guān)重要。而計(jì)算晶粒大小，尤其是計(jì)算板條鐵素體在焊接冷卻過(guò)程中晶粒大 小隨時(shí)間和溫度的變化對(duì)分析焊接接頭力學(xué)性能的影響因素有重要意義。
[0003] 計(jì)算焊接接頭微觀組織板條鐵素體晶粒大小，目前有兩種方法:一種是通過(guò)數(shù)學(xué) 模型計(jì)算板條鐵素體晶粒大小，另一種是通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量金相組織尺寸。
[0004] 采用數(shù)學(xué)模型計(jì)算板條鐵素體晶粒大小的方法更為基礎(chǔ)，可W從機(jī)理上分析影響 板條鐵素體生長(zhǎng)的因素。但在模型建立和計(jì)算過(guò)程中，前提假設(shè)會(huì)使計(jì)算結(jié)果與實(shí)際有所 偏差。在一定情況下，運(yùn)一偏差可W接受，但在有些要求計(jì)算精度很高的情況下，運(yùn)一偏差 是無(wú)法容忍的。
[0005] 采用實(shí)驗(yàn)測(cè)量金相組織尺寸的方法可W方便直觀地得到板條鐵素體和其他組織 的尺寸及其他相關(guān)參數(shù)。運(yùn)種方法獲得的數(shù)據(jù)也較為真實(shí)可靠。但實(shí)驗(yàn)方法只能測(cè)量得到 焊接冷卻后的微觀組織，無(wú)法得到微觀組織的演變歷程W及板條鐵素體晶粒大小隨時(shí)間和 溫度的變化過(guò)程。本專利提出的一種計(jì)算板條鐵素體在焊接冷卻過(guò)程中晶粒尺寸的方法， 該方法可W得到冷卻過(guò)程中晶粒尺寸的動(dòng)態(tài)演變進(jìn)程，進(jìn)而為研究焊接冷卻速度對(duì)晶粒的 影響提供了一種有效的計(jì)算方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種計(jì)算板條鐵素體在焊接冷卻過(guò)程中晶粒尺 寸的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過(guò)程焊縫及熱影響區(qū)的板條鐵素體尺寸的實(shí)時(shí)計(jì)算。
[0007] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的實(shí)施例提供一種計(jì)算板條鐵素體在焊接冷卻過(guò)程 中晶粒尺寸的方法，將焊接冷卻過(guò)程溫度場(chǎng)和焊接鋼種的連續(xù)冷卻相變CCT曲線圖相結(jié)合， 再通過(guò)材料學(xué)方法計(jì)算板條鐵素體的晶粒尺寸，具體步驟如下：
[000引（1)獲取鋼種的CCT曲線圖，從中得到焊接冷卻過(guò)程中相變機(jī)制發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度 Tc、鐵素體開(kāi)始析出溫度An和結(jié)束溫度Tf;
[0009] (2)獲得焊接冷卻過(guò)程的焊縫及熱影響區(qū)的溫度場(chǎng)，得到某位置點(diǎn)溫度隨時(shí)間變 化的熱循環(huán)曲線，將熱循環(huán)曲線橫坐標(biāo)的時(shí)間轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)數(shù)坐標(biāo)，繪制在步驟（1)的CCT曲線 圖上，該位置點(diǎn)的冷卻速度可W通過(guò)公式1計(jì)算得到，
[0010] Vc=(T"ax-T)/t〇 (1);
[00川其中，Vc是冷卻速度，單位為°c · S-1;
[0012] Tmax是焊接冷卻過(guò)程最高溫度，單位為°C ;
[0013] T是當(dāng)前溫度，單位為。
[0014] to是冷卻時(shí)間，單位為S;
[001引（3)獲得碳在鋼種內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)Dc，單位為cm2 · S-1;
[0016] (4)分別獲得不同溫度下碳在奧氏體與鐵素體相界處奧氏體側(cè)和鐵素體側(cè)的平衡 摩爾分?jǐn)?shù)W及碳在奧氏體內(nèi)的摩爾分?jǐn)?shù):；ΤΓ"、義產(chǎn)"和義"，然后根據(jù)公式2計(jì)算與鐵素體長(zhǎng) 大速率Gf有關(guān)的無(wú)量綱參數(shù)Ω 0，
[0017] (2);
[0018] 其中，Ω〇是與鐵素體長(zhǎng)大速率有關(guān)的無(wú)量綱參數(shù)；
[0019] 若"α是不同溫度下碳在奧氏體與鐵素體相界處奧氏體側(cè)的平衡摩爾分?jǐn)?shù)；
[0020] zfy是不同溫度下碳在奧氏體與鐵素體相界處鐵素體側(cè)的平衡摩爾分?jǐn)?shù)；
[0021] 於是不同溫度下碳在奧氏體內(nèi)的摩爾分?jǐn)?shù)；
[0022] (5)通過(guò)公式3采用迭代計(jì)算的方法求解得到奧氏體晶粒的平均直徑化，通過(guò)公式 4計(jì)算單位奧氏體有效晶界面積Sy，
[0025] 其中，do為恒定溫度下奧氏體起始平均晶粒直徑，單位為cm;
[0026] 山為當(dāng)前時(shí)刻奧氏體平均晶粒直徑，單位為cm;
[0027] K為常數(shù)；
[002引η為指數(shù)；
[0029] to是冷卻時(shí)間，單位為S;
[0030] Sy是單位奧氏體有效晶界面積，單位為cm2;
[0031] JI 是圓周率，取 3.1415926;
[0032] (6)根據(jù)公式5計(jì)算鐵素體長(zhǎng)大速率Gf，
[0033] (5);
[0034] 其中，Gf是鐵素體長(zhǎng)大速率，單位為cm ·
[0035] Dc是碳在鋼種內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)，單位為cm2 · s-i;
[0036] ro是鐵素體成長(zhǎng)段的極限曲率半徑，取1.8 X l(T6cm;
[0037] Ω 0是與鐵素體長(zhǎng)大速率有關(guān)的參數(shù)，由公式2獲得；
[0038] (7)根據(jù)公式6計(jì)算鐵素體形核速率Is，
[0040] 其中，Is是鐵素體形核速率，單位為cm · s^;
[0039] (6);
[0041 ] Κ2、拉、k 為常數(shù)，分別取2.07 X 1〇3、1.14 X 10哺 1.38 X 10-23;
[0042] Dc是碳在鋼種內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)，單位為cm2 · S-1;
[0043] T是當(dāng)前溫度，單位為°C;
[0044] Gf是鐵素體長(zhǎng)大速率，單位為cm · ，由公式5獲得；
[0045] (8)計(jì)算鐵素體相變前期和后期的相變率、馬·:，在鐵素體相變前期，相變主 要由"成核長(zhǎng)大"機(jī)制驅(qū)動(dòng)，動(dòng)力學(xué)方程如公式7所示，在鐵素體相變后期，符合"位置飽和" 機(jī)制，動(dòng)力學(xué)方程如公式8所示，
[004引其中，分別是鐵素體相變前期和后期的相變率，單位為kg · cnf3 ·
[0049] Is是鐵素體形核速率，單位為cm ·
[0050] Gf是鐵素體長(zhǎng)大速率，單位為cm · s-i;
[0051 ] t為鐵素體相變當(dāng)前時(shí)間，單位為s ;
[0052] S 丫是單位奧氏體有效晶界面積，單位為cm2;
[00對(duì) Is由公式6獲得，Gf由公式5獲得，Sy由公式4獲得；
[0化4] (9)根據(jù)公式9計(jì)算鐵素體形核總數(shù)円；，
[0化5] (9 ),
[0化6] 其中，雌是鐵素體形核總數(shù)；
[0057] T。是相變機(jī)制發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度，單位為Γ ;
[005引An是鐵素體相變開(kāi)始溫度，單位為。C;
[0059] Is是鐵素體形核速率，單位為cm · S-1;
[0060] Vc是冷卻速度，單位為。C · S-1;
[0061 ] 是鐵素體相變前期的相變率，單位為kg · cnf3 ·
[0062] Τ是當(dāng)前溫度，單位為°C;
[006引Is由公式6獲得，由公式7獲得，An由步驟(1)中鋼種CCT曲線圖獲得；
[0064] (10)通過(guò)公式10和11分別計(jì)算在丫 相變前期的鐵素體晶粒尺寸娘1和丫 相 變后期的長(zhǎng)大增量Δ<ζ，
[0067]其中，媒是在丫 相變前期的鐵素體晶粒尺寸，單位為cm;
[006引 Δ也是丫一α相變后期的長(zhǎng)大增量，單位為cm;
[0069] j與、分別是鐵素體相變前期和后期的相變率，單位為kg · cnf3 ·
[0070] Ji 是圓周率，取 3.1415926;
[0071] 鳴是鐵素體形核總數(shù)；
[0072 ] Sy是單位奧氏體有效晶界面積，單位為cm2;
[0073] Tf是鐵素體相變結(jié)束溫度，單位為°C ;
[0074] T。是相變機(jī)制發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度，單位為°C ;
[0075] Gf是鐵素體長(zhǎng)大速率，單位為cm · S-1;
[0076] Vc是冷卻速度，單位為。C · S-1;
[0077] T是當(dāng)前溫度，單位為°C;
[007引 Sy由公式4獲得，Gf由公式5獲得，由公式7獲得，由公式8獲得，< 由公式9獲 得，An由步驟(1)中鋼種CCT曲線圖獲得；
[0079] (11)鐵素體當(dāng)前的晶粒尺寸為丫 相變前期的鐵素體晶粒尺寸武1和丫 相變 后期的長(zhǎng)大增量Δ成2之和，如公式12所示，
[0080]
(12 λ
[0081 ] 其中，所述鋼種為高強(qiáng)度低合金鋼，為乂65心70八80心90心100或乂120，該鋼種被廣 泛應(yīng)用于天然氣、石油的輸送管道。
[0082] 其中，所述步驟（1)中通過(guò)熱模擬試驗(yàn)機(jī)模擬分析不同冷卻速度下組織組成及硬 度，繪審化CT曲線，獲取鋼種的CCT曲線圖。
[0083] 其中，所述步驟(2)中的焊接冷卻過(guò)程的焊縫及熱影響區(qū)的溫度場(chǎng)通過(guò)CFD軟件計(jì) 算得到。所述步驟(2)中的焊接冷卻過(guò)程的焊縫及熱影響區(qū)的溫度場(chǎng)也可W通過(guò)紅外熱成 像儀或熱電偶測(cè)量得到。
[0084