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X80钢焊接HAZ晶粒长大规律研究及计算机模拟

高保雷  
【摘要】:随着经济的发展,对高强度管线钢的需求不断提高。X80管线钢作为新一代的高强度管线钢,其开发和应用已经日益受到各界的关注。根据传统的金属学和焊接冶金学理论,焊接HAZ粗晶区是焊接接头的最薄弱环节,HAZ粗晶区的晶粒长大将对性能产生重要影响。本文从模拟微观组织演变的角度研究了材料在一定的工艺条件下微观组织的变化。 首先,考虑线能量、板厚和预热温度三因素的影响,采用一次正交回归试验方法,制定了试验方案,并测量了不同工艺参数的X80管线钢焊接热循环曲线。然后,利用焊接热模拟技术模拟X80管线钢焊接粗晶区,研究了焊接工艺参数和焊接热作用对粗晶区组织转变、晶粒长大、第二相粒子的溶解与析出的影响,以及组织变化和晶粒长大对性能的影响。 研究结果表明,X80管线钢粗晶区组织主要为贝氏体,其形态为板条束和粒状两种;粗晶区的奥氏体晶粒细小,在30~40μm左右,尺寸分布大致符合正态分布,属于正常晶粒长大。X80管线钢属于本质细晶粒钢种,晶粒长大倾向较小。X80管线钢母材中第二相粒子尺寸平均尺寸为48.72μm,粒子的成分及形状对其尺寸有较强的依赖性。焊接热循环后粒子数量减少,对奥氏体晶粒的阻碍作用变小。 性能研究表明,X80管线钢粗晶区硬度变化很小。韧度受到多重因数的影响其中晶粒尺寸是影响韧度的主要因素。奥氏体晶粒尺寸大于34μm时,随着奥氏体晶粒尺寸增大,韧度急剧下降;在小于34μm时,随着奥氏体晶粒尺寸增大韧度的上升。这是因为奥氏体晶粒尺寸以及第二相粒子和粒状贝氏体的变化的综合作用。粒状贝氏体含量较大时将对板条束贝氏体起明显的分割作用,对性能有利。 根据不同工艺参数的热循环曲线建立了X80管线钢热循环方程,并在热模拟数据的基础上建立了HAZ粗晶区的奥氏体晶粒长大动力学方程。该方程计算结果与试验结果比较吻合。 除了用焊接热模拟方法研究X80管线钢晶粒长大规律外,还采用计算机方法模拟晶粒长大过程。本文采用MATLAB语言编写了MC模拟微观组织的程序,采用Voronoi初始网格格和Radhakrishnan算法,实现了不同时刻晶粒长大演变情况的模拟。以蒙特卡洛法为基础,采用了一种将蒙特卡洛模拟时间步和与实际时间相匹配的模式,将蒙特卡洛法与实际焊接工艺对应起来模拟X80管线钢HAZ奥氏体晶粒长大,模拟结果与试验结果吻合较好。


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