一种预测微合金钢焊接粗晶区晶粒尺寸的方法与流程

　　本发明属于物理的测量领域，尤其涉及关于一种预测微合金钢焊接粗晶区晶粒尺寸的方法。

　　背景技术：

　　焊接粗晶区通常作为焊接接头最薄弱的区域之一，其力学性能在很大程度上代表了焊接接头的力学性能，因而评估焊接粗晶区的力学性能特征，可在很大程度上为评估焊接接头力学性能特征提供重要参考。钢铁材料的微观组织结构通常是决定其力学性能最重要的因素之一，其中晶粒尺寸作为一个重要的表征参数，一直被认为是评价焊接粗晶区力学性能是否发生恶化最重要的标志之一。在焊接领域，钢铁材料(特别是微合金钢)焊接粗晶区的晶粒尺寸一直是重点关注对象。

　　通常有两种办法来获得微合金钢焊接粗晶区的晶粒尺寸信息，一种是例如参考文献1(sanjeevkumar,etal.,materialsanddesign,2016,50:177)，通过实际的金相测量，一种是例如参考文献2(m.shome,etal.,scriptamaterialia,2004,50:1007)，通过晶粒长大动力学公式进行计算。实际的测量固然可以得到非常准确的粗晶区晶粒尺寸信息，但这种办法无法预测当焊接条件改变时粗晶区的晶粒尺寸。通过晶粒长大动力学公式进行计算(运用公式时通常需要在一定的焊接条件下先拟合公式中的未知参数)可以得到一系列条件下粗晶区的晶粒尺寸，但从理论上讲，在当前的技术条件下，对于一般的钢铁材料，可以计算得到较为合理的结果，而对于微合金钢而言，其计算结果会产生一定的偏差，且随着焊接工艺条件的改变(拟合出来的未知参数实际上会随着焊接工艺条件的变化而改变)，其偏差会逐渐增大。其主要原因是，在焊接粗晶区热循环中，晶粒长大时会受到微合金钢中第二相粒子的钉扎作用，而焊接热循环本身也会影响到第二相的热稳定性，随着热循环时间与温度的变化，第二相粒子的钉扎作用也会随之变化，而且焊接热循环是一个典型的非热力学平衡的热过程，现有的研究技术手段无法对第二相粒子在此过程中的热稳定性进行精确描述，因而运用晶粒长大动力学公式计算微合金钢焊接粗晶区晶粒尺寸这一方法得到的结果的合理性是决定于是否可对微合金钢中第二相粒子的热稳定性进行精确描述。虽然晶粒长大动力学公式的基本表达形式是公开的，但不同的研究者对于如何近似处理焊接热过程中微合金钢中第二相对晶粒长大的钉扎作用的方法会有所不同，因而得出的计算结果的可信度会不同。基于此，专利申请人在大量的文献总结与实际研究工作的基础上，找到了一种处理微合金钢中第二相对晶粒长大钉扎作用的简单且有效的方法，因而得到了一种预测微合金钢焊接粗晶区晶粒尺寸的新方法。

　　技术实现要素：

　　本发明的目的是提供一种预测微合金钢焊接粗晶区晶粒尺寸的方法，是对晶粒长大动力学公式中两个参数进行拟合后，再利用此公式计算其它热输入下焊接粗晶区晶粒尺寸的方法。

　　为实现上述目的，本发明采用的方法是：首先通过热模拟获得三个以上不同热输入下微合金钢焊接粗晶区的原奥氏体晶粒尺寸的信息；其次设定晶粒长大动力学公式中m0和pz为未知常数，其它参数为已知参数并通过查阅文献得到相应的合理数值，然后将三个不同热输入下粗晶区的原奥氏体晶粒尺寸的数值与晶粒长大动力学公式进行拟合(通过数值积分并采用有限差分法)，最佳的拟合结果得出m0和pz的数值；最后通过此晶粒长大动力学公式及拟合出的m0和pz的数值计算不同焊接热输入下此微合金钢焊接粗晶区的晶粒尺寸，即达到预测微合金钢焊接粗晶区晶粒尺寸的目的。

　　一种预测微合金钢焊接粗晶区晶粒尺寸的方法，所述方法用于计算微合金钢铁材料在一系列焊接热输入条件下粗晶区的原奥氏体晶粒尺寸，包括以下步骤：

　　步骤1)通过热模拟微合金钢焊接粗晶区的热循环，升温速率为100～280k/s，峰值温度为1573～1673k，峰值温度停留时间为0.5～2s，冷却过程采用rykalin3d/2d或其它将焊接热输入作为参数的热模型，热模型中焊接热输入参数分别为x1、x2和x3(x1＜x2＜x3)。之后对热模拟区域的试样进行金相分析，统计在当前焊接热循环条件下三个焊接热输入对应的粗晶区的原奥氏体晶粒尺寸；

　　步骤2)根据上述步骤1)获取的三个原奥氏体晶粒尺寸数据，利用晶粒长大动力学公式通过数值积分，采用有限差分法，时间间隔取0.01～0.2s，分别将三个热输入下的原奥氏体晶粒尺寸与晶粒长大公式进行拟合，当通过公式分别计算出来的三个晶粒尺寸与原奥氏体晶粒尺寸数据都较为接近时即得到最佳的拟合情况，拟合结果得到m0和pz的数值；其中d是原奥氏体晶粒尺寸，n是长大因子，m0是指前因子，qa是晶粒长大激活能，r是气体常数，t是温度，是晶界驱动力，γ是奥氏体的晶界能，pz是第二相钉扎产生的作用力，t是在升温过程中温度超过ac3温度到降温过程中温度低于ac3温度所持续的时间，将ac3温度设定为一常数，利用经验公式计算得到的微合金钢的a3温度，将m0和pz作未知常数，其它参数作已知参数(例如取n＝2，r＝8.3j/(mol·k)，qa＝352185.31+21827.26xc+19950.94xmn+7185.49xcr+7378.06xni)，此公式是参考文献中的公式(uhms，etal.，isijinternational，2004，44(7)：1230)。n值的变化不影响后面的参数，公式中的参数是相互独立的，(xc、xmn、xcr和xni分别为微合金钢中c、mn、cr和ni的重量百分含量，计算得到qa的单位为j/mol)，t和t的数据可以根据上述步骤1)采用的焊接热模型进行计算得到，γ＝0.5j/m2)；

　　步骤3)根据上述步骤2)拟合得到的m0和pz的数值及提到的晶粒长大动力学公式，即可用相同的方法计算出焊接热输入为x时的微合金钢焊接粗晶区原奥氏体晶粒尺寸的大小(当x的取值范围为[x1，x3]时，计算结果有很高的可信度，当x的取值范围为(0，x1)或(x3，∞)时，随着x的数值偏离x1或x3的加大，计算结果与实际情况的偏离程度逐渐加大。

　　此方法的核心思路如下。就当前的钢铁生产技术而言，在微合金钢的基体中一般存在两大类第二相粒子：第一类倾向于在钢液中或钢液凝固过程中形成，这类粒子具有很高的热稳定性，但就尺寸与体积分数而言，其对微合金钢焊接过程中的奥氏体晶粒尺寸长大的钉扎作用较弱；第二类倾向于在生产或热处理过程中析出，这类粒子具有较低的热稳定性，但因其尺寸非常小，只在焊接热过程的低温阶段常常会产生较强的钉扎作用。为计算微合金钢焊接粗晶区中的晶粒尺寸，针对这两大类粒子的钉轧作用，可分别作如下简化。第一类粒子对晶界的钉轧作用虽然也会随着焊接过程时间与温度的变化而变化，但因为焊接热过程的瞬时特征且其本身产生的钉扎作用较小，可以合理的简单认为第一类粒子在整个焊接粗晶区热过程中对晶界的钉轧作用不变，即可认为其产生的钉扎作用力近似为常数。而第二类粒子具有较低的热稳定性，焊接粗晶区的峰值温度一般达到1573～1673k，通常远高于第二类粒子的热力学溶解温度，考虑到此类粒子的尺寸非常小，且动力学过程也显示在焊接粗晶区热循环开始到峰值温度的过程中(通常是几秒的时间)其将会发生大量溶解，因而第二类粒子对晶粒长大的钉扎作用会大大减弱。考虑到采用晶粒长大动力学公式计算的是粗晶区最终的晶粒尺寸而并非晶粒长大过程中尺寸的变化，通过对公式中参数的拟合，可以基本上消除第二类粒子钉轧作用对最终晶粒尺寸大小的影响，因而可以简单的认为第二类粒子在焊接粗晶区热循环过程中产生的钉扎作用为0。在这一思路下，晶粒长大动力学公式中需要确定的两个参数(一个常数参数及一个随时间/温度变化的参数)将会转变为两个常数参数，这极大的简化了拟合及计算过程。因而在这一思路下得到的一种预测微合金钢焊接粗晶区晶粒尺寸的方法具有独特性及实用性，同时理论上其准确性也可得到保证。为控制微合金钢焊接粗晶区的晶粒尺寸提供了重要依据。

　　附图说明

　　图1为预测出的微合金钢在不同焊接热输入下粗晶区的晶粒尺寸。

　　具体实施方式

　　下面结合实施例，对本发明作进一步描述：

　　实施例