一种计算板条铁素体在焊接冷却过程中晶粒尺寸的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于金属材料领域和焊接过程焊缝及母材组织预测领域，设及一种通过焊 接冷却过程溫度场与钢种连续冷却相变(CCT，Continuous Cooling Transformation)曲线 图相结合的用于计算板条铁素体在焊接过程中焊缝及热影响区晶粒尺寸的方法。
【背景技术】
[0002] 随着焊接技术在工程中越来越广泛地应用，改善高强度钢焊接接头力学性能的研 究也迫在眉睫。预测冷却过程中实时的焊接接头微观组织晶粒大小对于分析和改善焊接接 头力学性能至关重要。而计算晶粒大小，尤其是计算板条铁素体在焊接冷却过程中晶粒大 小随时间和溫度的变化对分析焊接接头力学性能的影响因素有重要意义。
[0003] 计算焊接接头微观组织板条铁素体晶粒大小，目前有两种方法:一种是通过数学 模型计算板条铁素体晶粒大小，另一种是通过实验测量金相组织尺寸。
[0004] 采用数学模型计算板条铁素体晶粒大小的方法更为基础，可W从机理上分析影响 板条铁素体生长的因素。但在模型建立和计算过程中，前提假设会使计算结果与实际有所 偏差。在一定情况下，运一偏差可W接受，但在有些要求计算精度很高的情况下，运一偏差 是无法容忍的。
[0005] 采用实验测量金相组织尺寸的方法可W方便直观地得到板条铁素体和其他组织 的尺寸及其他相关参数。运种方法获得的数据也较为真实可靠。但实验方法只能测量得到 焊接冷却后的微观组织，无法得到微观组织的演变历程W及板条铁素体晶粒大小随时间和 溫度的变化过程。本专利提出的一种计算板条铁素体在焊接冷却过程中晶粒尺寸的方法， 该方法可W得到冷却过程中晶粒尺寸的动态演变进程，进而为研究焊接冷却速度对晶粒的 影响提供了一种有效的计算方法。
【发明内容】
[0006] 本发明要解决的技术问题是提供一种计算板条铁素体在焊接冷却过程中晶粒尺 寸的方法，实现对焊接过程焊缝及热影响区的板条铁素体尺寸的实时计算。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种计算板条铁素体在焊接冷却过程 中晶粒尺寸的方法，将焊接冷却过程溫度场和焊接钢种的连续冷却相变CCT曲线图相结合， 再通过材料学方法计算板条铁素体的晶粒尺寸，具体步骤如下：
[000引（1)获取钢种的CCT曲线图，从中得到焊接冷却过程中相变机制发生转变时的溫度 Tc、铁素体开始析出溫度An和结束溫度Tf;
[0009] (2)获得焊接冷却过程的焊缝及热影响区的溫度场，得到某位置点溫度随时间变 化的热循环曲线，将热循环曲线横坐标的时间转变为对数坐标，绘制在步骤（1)的CCT曲线 图上，该位置点的冷却速度可W通过公式1计算得到，
[0010] Vc=(T"ax-T)/t〇 (1);
[00川其中，Vc是冷却速度，单位为°c · S-1;
[0012] Tmax是焊接冷却过程最高溫度，单位为°C ;
[0013] T是当前溫度，单位为。
[0014] to是冷却时间，单位为S;
[001引（3)获得碳在钢种内的扩散系数Dc，单位为cm2 · S-1;
[0016] (4)分别获得不同溫度下碳在奥氏体与铁素体相界处奥氏体侧和铁素体侧的平衡 摩尔分数W及碳在奥氏体内的摩尔分数:；ΤΓ"、义产"和义"，然后根据公式2计算与铁素体长 大速率Gf有关的无量纲参数Ω 0，
[0017] (2);
[0018] 其中，Ω〇是与铁素体长大速率有关的无量纲参数；
[0019] 若"α是不同溫度下碳在奥氏体与铁素体相界处奥氏体侧的平衡摩尔分数；
[0020] zfy是不同溫度下碳在奥氏体与铁素体相界处铁素体侧的平衡摩尔分数；
[0021] 於是不同溫度下碳在奥氏体内的摩尔分数；
[0022] (5)通过公式3采用迭代计算的方法求解得到奥氏体晶粒的平均直径化，通过公式 4计算单位奥氏体有效晶界面积Sy，
[0025] 其中，do为恒定溫度下奥氏体起始平均晶粒直径，单位为cm;
[0026] 山为当前时刻奥氏体平均晶粒直径，单位为cm;
[0027] K为常数；
[002引η为指数；
[0029] to是冷却时间，单位为S;
[0030] Sy是单位奥氏体有效晶界面积，单位为cm2;
[0031] JI 是圆周率，取 3.1415926;
[0032] (6)根据公式5计算铁素体长大速率Gf，
[0033] (5);
[0034] 其中，Gf是铁素体长大速率，单位为cm ·
[0035] Dc是碳在钢种内的扩散系数，单位为cm2 · s-i;
[0036] ro是铁素体成长段的极限曲率半径，取1.8 X l(T6cm;
[0037] Ω 0是与铁素体长大速率有关的参数，由公式2获得；
[0038] (7)根据公式6计算铁素体形核速率Is，
[0040] 其中，Is是铁素体形核速率，单位为cm · s^;
[0039] (6);
[0041 ] Κ2、拉、k 为常数，分别取2.07 X 1〇3、1.14 X 10哺 1.38 X 10-23;
[0042] Dc是碳在钢种内的扩散系数，单位为cm2 · S-1;
[0043] T是当前溫度，单位为°C;
[0044] Gf是铁素体长大速率，单位为cm · ，由公式5获得；
[0045] (8)计算铁素体相变前期和后期的相变率、马·:，在铁素体相变前期，相变主 要由"成核长大"机制驱动，动力学方程如公式7所示，在铁素体相变后期，符合"位置饱和" 机制，动力学方程如公式8所示，
[004引其中，分别是铁素体相变前期和后期的相变率，单位为kg · cnf3 ·
[0049] Is是铁素体形核速率，单位为cm ·
[0050] Gf是铁素体长大速率，单位为cm · s-i;
[0051 ] t为铁素体相变当前时间，单位为s ;
[0052] S 丫是单位奥氏体有效晶界面积，单位为cm2;
[00对 Is由公式6获得，Gf由公式5获得，Sy由公式4获得；
[0化4] (9)根据公式9计算铁素体形核总数円；，
[0化5] (9 ),
[0化6] 其中，雌是铁素体形核总数；
[0057] T。是相变机制发生转变时的溫度，单位为Γ ;
[005引An是铁素体相变开始溫度，单位为。C;
[0059] Is是铁素体形核速率，单位为cm · S-1;
[0060] Vc是冷却速度，单位为。C · S-1;
[0061 ] 是铁素体相变前期的相变率，单位为kg · cnf3 ·
[0062] Τ是当前溫度，单位为°C;
[006引Is由公式6获得，由公式7获得，An由步骤(1)中钢种CCT曲线图获得；
[0064] (10)通过公式10和11分别计算在丫 相变前期的铁素体晶粒尺寸娘1和丫 相 变后期的长大增量Δ<ζ，
[0067]其中，媒是在丫 相变前期的铁素体晶粒尺寸，单位为cm;
[006引 Δ也是丫一α相变后期的长大增量，单位为cm;
[0069] j与、分别是铁素体相变前期和后期的相变率，单位为kg · cnf3 ·
[0070] Ji 是圆周率，取 3.1415926;
[0071] 鳴是铁素体形核总数；
[0072 ] Sy是单位奥氏体有效晶界面积，单位为cm2;
[0073] Tf是铁素体相变结束溫度，单位为°C ;
[0074] T。是相变机制发生转变时的溫度，单位为°C ;
[0075] Gf是铁素体长大速率，单位为cm · S-1;
[0076] Vc是冷却速度，单位为。C · S-1;
[0077] T是当前溫度，单位为°C;
[007引 Sy由公式4获得，Gf由公式5获得，由公式7获得，由公式8获得，< 由公式9获 得，An由步骤(1)中钢种CCT曲线图获得；
[0079] (11)铁素体当前的晶粒尺寸为丫 相变前期的铁素体晶粒尺寸武1和丫 相变 后期的长大增量Δ成2之和，如公式12所示，
[0080]
(12 λ
[0081 ] 其中，所述钢种为高强度低合金钢，为乂65心70八80心90心100或乂120，该钢种被广 泛应用于天然气、石油的输送管道。
[0082] 其中，所述步骤（1)中通过热模拟试验机模拟分析不同冷却速度下组织组成及硬 度，绘审化CT曲线，获取钢种的CCT曲线图。
[0083] 其中，所述步骤(2)中的焊接冷却过程的焊缝及热影响区的溫度场通过CFD软件计 算得到。所述步骤(2)中的焊接冷却过程的焊缝及热影响区的溫度场也可W通过红外热成 像仪或热电偶测量得到。
[0084