X80钢焊接HAZ晶粒长大规律研究及计算机模拟

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。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1管线钢在国内外的发展与应用

1.2管线钢的基本成分组织与性能特征

1.3焊接HAZ晶粒长大模拟的概况

1.3.1物理模拟方法

1.3.2计算机模拟

1.4本课题研究的意义

1.5课题研究的主要内容及研究方法

第二章试验材料及方法

2.1试验材料

2.2试验方法

2.2.1热模拟试验

2.2.2焊接热模拟后试样的分析和测定试验方案

2.2.3组织与性能的测定

第三章X80管线钢HAZ粗晶区组织与性能的研究

3.1概述

3.2 X80钢HAZ的晶粒长大规律

3.3 X80钢HAZ的第二相粒子变化规律

3.3.1母材中的第二相粒子

3.3.2 HAZ粗晶区中的第二相粒子

3.3.3焊接热循环过程中粒子溶解、长大及再析出

3.4 X80钢焊接HAZ粗晶区的组织变化规律

3.5 M-A组元

3.6 X80管线钢粗晶区性能研究

3.6.1 X80管线钢粗晶区的硬度

3.6.2冲击韧性

3.7小结

第四章焊接HAZ奥氏体晶粒长大动力学方程的建立

4.1概述

4.2微合金钢焊接HAZ中的晶粒长大模型概述

4.2.1沉淀物稳定性模型

4.2.2沉淀物长大模型

4.2.3沉淀物分解模型

4.2.4限定晶粒尺寸

4.2.5晶粒长大微分方程

4.2.6.晶粒长大模型在微合金钢焊接中的应用

4.2.7耦合模型利弊

4.3 X80高强度管线钢焊接HAZ奥氏体晶粒长大方程的建立

4.3.1焊接HAZ奥氏体晶粒长大方程的建立

4.3.2 X80钢焊接HAZ奥氏体晶粒长大方程的建立

4.4结论

第五章X80钢焊接HAZ奥氏体粒长大MC模拟

5.1焊接HAZ晶粒长大模拟的意义

5.2模拟晶粒长大的Monte Carlo(MC)方法

5.3 MC方法在焊接中的应用

5.4 MC方法模拟X80管线钢焊接HAZ晶粒长大的实现

5.4.1 Monte Carlo方法的MATLAB实现

5.4.2单纯的奥氏体晶粒长大的MC方法的实现

5.4.3以实验数据为基础的MC模拟时间的确定

5.4.4 HAZ熔合线附近晶粒长大过程的MC模拟

5.5小结

第六章结论

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢