一種計算板條鐵素體在焊接冷卻過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)域和焊接過程焊縫及母材組織預(yù)測領(lǐng)域，設(shè)及一種通過焊 接冷卻過程溫度場與鋼種連續(xù)冷卻相變(CCT，Continuous Cooling Transformation)曲線 圖相結(jié)合的用于計算板條鐵素體在焊接過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)在工程中越來越廣泛地應(yīng)用，改善高強度鋼焊接接頭力學(xué)性能的研 究也迫在眉睫。預(yù)測冷卻過程中實時的焊接接頭微觀組織晶粒大小對于分析和改善焊接接 頭力學(xué)性能至關(guān)重要。而計算晶粒大小，尤其是計算板條鐵素體在焊接冷卻過程中晶粒大 小隨時間和溫度的變化對分析焊接接頭力學(xué)性能的影響因素有重要意義。
[0003] 計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:一種是通過數(shù)學(xué) 模型計算板條鐵素體晶粒大小，另一種是通過實驗測量金相組織尺寸。
[0004] 采用數(shù)學(xué)模型計算板條鐵素體晶粒大小的方法更為基礎(chǔ)，可W從機理上分析影響 板條鐵素體生長的因素。但在模型建立和計算過程中，前提假設(shè)會使計算結(jié)果與實際有所 偏差。在一定情況下，運一偏差可W接受，但在有些要求計算精度很高的情況下，運一偏差 是無法容忍的。
[0005] 采用實驗測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)。運種方法獲得的數(shù)據(jù)也較為真實可靠。但實驗方法只能測量得到 焊接冷卻后的微觀組織，無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間和 溫度的變化過程。本專利提出的一種計算板條鐵素體在焊接冷卻過程中晶粒尺寸的方法， 該方法可W得到冷卻過程中晶粒尺寸的動態(tài)演變進程，進而為研究焊接冷卻速度對晶粒的 影響提供了一種有效的計算方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種計算板條鐵素體在焊接冷卻過程中晶粒尺 寸的方法，實現(xiàn)對焊接過程焊縫及熱影響區(qū)的板條鐵素體尺寸的實時計算。
[0007] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的實施例提供一種計算板條鐵素體在焊接冷卻過程 中晶粒尺寸的方法，將焊接冷卻過程溫度場和焊接鋼種的連續(xù)冷卻相變CCT曲線圖相結(jié)合， 再通過材料學(xué)方法計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程中相變機制發(fā)生轉(zhuǎn)變時的溫度 Tc、鐵素體開始析出溫度An和結(jié)束溫度Tf;
[0009] (2)獲得焊接冷卻過程的焊縫及熱影響區(qū)的溫度場，得到某位置點溫度隨時間變 化的熱循環(huán)曲線，將熱循環(huán)曲線橫坐標的時間轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shù)坐標，繪制在步驟（1)的CCT曲線 圖上，該位置點的冷卻速度可W通過公式1計算得到，
[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是焊接冷卻過程最高溫度，單位為°C ;
[0013] T是當前溫度，單位為。
[0014] to是冷卻時間，單位為S;
[001引（3)獲得碳在鋼種內(nèi)的擴散系數(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 摩爾分數(shù)W及碳在奧氏體內(nèi)的摩爾分數(shù):；ΤΓ"、義產(chǎn)"和義"，然后根據(jù)公式2計算與鐵素體長 大速率Gf有關(guān)的無量綱參數(shù)Ω 0，
[0017] (2);
[0018] 其中，Ω〇是與鐵素體長大速率有關(guān)的無量綱參數(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)的平衡摩爾分數(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)的平衡摩爾分數(shù)；
[0021] 於是不同溫度下碳在奧氏體內(nèi)的摩爾分數(shù)；
[0022] (5)通過公式3采用迭代計算的方法求解得到奧氏體晶粒的平均直徑化，通過公式 4計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] 山為當前時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計算鐵素體長大速率Gf，
[0033] (5);
[0034] 其中，Gf是鐵素體長大速率，單位為cm ·
[0035] Dc是碳在鋼種內(nèi)的擴散系數(shù)，單位為cm2 · s-i;
[0036] ro是鐵素體成長段的極限曲率半徑，取1.8 X l(T6cm;
[0037] Ω 0是與鐵素體長大速率有關(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)的擴散系數(shù)，單位為cm2 · S-1;
[0043] T是當前溫度，單位為°C;
[0044] Gf是鐵素體長大速率，單位為cm · ，由公式5獲得；
[0045] (8)計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"成核長大"機制驅(qū)動，動力學(xué)方程如公式7所示，在鐵素體相變后期，符合"位置飽和" 機制，動力學(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是鐵素體長大速率，單位為cm · s-i;
[0051 ] t為鐵素體相變當前時間，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 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。是相變機制發(fā)生轉(zhuǎn)變時的溫度，單位為Γ ;
[005引An是鐵素體相變開始溫度，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)通過公式10和11分別計算在丫 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。是相變機制發(fā)生轉(zhuǎn)變時的溫度，單位為°C ;
[0075] Gf是鐵素體長大速率，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)中通過熱模擬試驗機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)中的焊接冷卻過程的焊縫及熱影響區(qū)的溫度場通過CFD軟件計 算得到。所述步驟(2)中的焊接冷卻過程的焊縫及熱影響區(qū)的溫度場也可W通過紅外熱成 像儀或熱電偶測量得到。
[0084