本發(fā)明屬于物理的測量領(lǐng)域，尤其涉及關(guān)于一種預(yù)測微合金鋼焊接粗晶區(qū)晶粒尺寸的方法。

　　背景技術(shù)：

　　焊接粗晶區(qū)通常作為焊接接頭最薄弱的區(qū)域之一，其力學(xué)性能在很大程度上代表了焊接接頭的力學(xué)性能，因而評估焊接粗晶區(qū)的力學(xué)性能特征，可在很大程度上為評估焊接接頭力學(xué)性能特征提供重要參考。鋼鐵材料的微觀組織結(jié)構(gòu)通常是決定其力學(xué)性能最重要的因素之一，其中晶粒尺寸作為一個重要的表征參數(shù)，一直被認為是評價焊接粗晶區(qū)力學(xué)性能是否發(fā)生惡化最重要的標志之一。在焊接領(lǐng)域，鋼鐵材料(特別是微合金鋼)焊接粗晶區(qū)的晶粒尺寸一直是重點關(guān)注對象。

　　通常有兩種辦法來獲得微合金鋼焊接粗晶區(qū)的晶粒尺寸信息，一種是例如參考文獻1(sanjeevkumar,etal.,materialsanddesign,2016,50:177)，通過實際的金相測量，一種是例如參考文獻2(m.shome,etal.,scriptamaterialia,2004,50:1007)，通過晶粒長大動力學(xué)公式進行計算。實際的測量固然可以得到非常準確的粗晶區(qū)晶粒尺寸信息，但這種辦法無法預(yù)測當(dāng)焊接條件改變時粗晶區(qū)的晶粒尺寸。通過晶粒長大動力學(xué)公式進行計算(運用公式時通常需要在一定的焊接條件下先擬合公式中的未知參數(shù))可以得到一系列條件下粗晶區(qū)的晶粒尺寸，但從理論上講，在當(dāng)前的技術(shù)條件下，對于一般的鋼鐵材料，可以計算得到較為合理的結(jié)果，而對于微合金鋼而言，其計算結(jié)果會產(chǎn)生一定的偏差，且隨著焊接工藝條件的改變(擬合出來的未知參數(shù)實際上會隨著焊接工藝條件的變化而改變)，其偏差會逐漸增大。其主要原因是，在焊接粗晶區(qū)熱循環(huán)中，晶粒長大時會受到微合金鋼中第二相粒子的釘扎作用，而焊接熱循環(huán)本身也會影響到第二相的熱穩(wěn)定性，隨著熱循環(huán)時間與溫度的變化，第二相粒子的釘扎作用也會隨之變化，而且焊接熱循環(huán)是一個典型的非熱力學(xué)平衡的熱過程，現(xiàn)有的研究技術(shù)手段無法對第二相粒子在此過程中的熱穩(wěn)定性進行精確描述，因而運用晶粒長大動力學(xué)公式計算微合金鋼焊接粗晶區(qū)晶粒尺寸這一方法得到的結(jié)果的合理性是決定于是否可對微合金鋼中第二相粒子的熱穩(wěn)定性進行精確描述。雖然晶粒長大動力學(xué)公式的基本表達形式是公開的，但不同的研究者對于如何近似處理焊接熱過程中微合金鋼中第二相對晶粒長大的釘扎作用的方法會有所不同，因而得出的計算結(jié)果的可信度會不同?；诖耍瑢＠暾埲嗽诖罅康奈墨I總結(jié)與實際研究工作的基礎(chǔ)上，找到了一種處理微合金鋼中第二相對晶粒長大釘扎作用的簡單且有效的方法，因而得到了一種預(yù)測微合金鋼焊接粗晶區(qū)晶粒尺寸的新方法。

　　技術(shù)實現(xiàn)要素：

　　本發(fā)明的目的是提供一種預(yù)測微合金鋼焊接粗晶區(qū)晶粒尺寸的方法，是對晶粒長大動力學(xué)公式中兩個參數(shù)進行擬合后，再利用此公式計算其它熱輸入下焊接粗晶區(qū)晶粒尺寸的方法。

　　為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的方法是：首先通過熱模擬獲得三個以上不同熱輸入下微合金鋼焊接粗晶區(qū)的原奧氏體晶粒尺寸的信息；其次設(shè)定晶粒長大動力學(xué)公式中m0和pz為未知常數(shù)，其它參數(shù)為已知參數(shù)并通過查閱文獻得到相應(yīng)的合理數(shù)值，然后將三個不同熱輸入下粗晶區(qū)的原奧氏體晶粒尺寸的數(shù)值與晶粒長大動力學(xué)公式進行擬合(通過數(shù)值積分并采用有限差分法)，最佳的擬合結(jié)果得出m0和pz的數(shù)值；最后通過此晶粒長大動力學(xué)公式及擬合出的m0和pz的數(shù)值計算不同焊接熱輸入下此微合金鋼焊接粗晶區(qū)的晶粒尺寸，即達到預(yù)測微合金鋼焊接粗晶區(qū)晶粒尺寸的目的。

　　一種預(yù)測微合金鋼焊接粗晶區(qū)晶粒尺寸的方法，所述方法用于計算微合金鋼鐵材料在一系列焊接熱輸入條件下粗晶區(qū)的原奧氏體晶粒尺寸，包括以下步驟：

　　步驟1)通過熱模擬微合金鋼焊接粗晶區(qū)的熱循環(huán)，升溫速率為100～280k/s，峰值溫度為1573～1673k，峰值溫度停留時間為0.5～2s，冷卻過程采用rykalin3d/2d或其它將焊接熱輸入作為參數(shù)的熱模型，熱模型中焊接熱輸入?yún)?shù)分別為x1、x2和x3(x1＜x2＜x3)。之后對熱模擬區(qū)域的試樣進行金相分析，統(tǒng)計在當(dāng)前焊接熱循環(huán)條件下三個焊接熱輸入對應(yīng)的粗晶區(qū)的原奧氏體晶粒尺寸；

　　步驟2)根據(jù)上述步驟1)獲取的三個原奧氏體晶粒尺寸數(shù)據(jù)，利用晶粒長大動力學(xué)公式通過數(shù)值積分，采用有限差分法，時間間隔取0.01～0.2s，分別將三個熱輸入下的原奧氏體晶粒尺寸與晶粒長大公式進行擬合，當(dāng)通過公式分別計算出來的三個晶粒尺寸與原奧氏體晶粒尺寸數(shù)據(jù)都較為接近時即得到最佳的擬合情況，擬合結(jié)果得到m0和pz的數(shù)值；其中d是原奧氏體晶粒尺寸，n是長大因子，m0是指前因子，qa是晶粒長大激活能，r是氣體常數(shù)，t是溫度，是晶界驅(qū)動力，γ是奧氏體的晶界能，pz是第二相釘扎產(chǎn)生的作用力，t是在升溫過程中溫度超過ac3溫度到降溫過程中溫度低于ac3溫度所持續(xù)的時間，將ac3溫度設(shè)定為一常數(shù)，利用經(jīng)驗公式計算得到的微合金鋼的a3溫度，將m0和pz作未知常數(shù)，其它參數(shù)作已知參數(shù)(例如取n＝2，r＝8.3j/(mol·k)，qa＝352185.31+21827.26xc+19950.94xmn+7185.49xcr+7378.06xni)，此公式是參考文獻中的公式(uhms，etal.，isijinternational，2004，44(7)：1230)。n值的變化不影響后面的參數(shù)，公式中的參數(shù)是相互獨立的，(xc、xmn、xcr和xni分別為微合金鋼中c、mn、cr和ni的重量百分含量，計算得到qa的單位為j/mol)，t和t的數(shù)據(jù)可以根據(jù)上述步驟1)采用的焊接熱模型進行計算得到，γ＝0.5j/m2)；

　　步驟3)根據(jù)上述步驟2)擬合得到的m0和pz的數(shù)值及提到的晶粒長大動力學(xué)公式，即可用相同的方法計算出焊接熱輸入為x時的微合金鋼焊接粗晶區(qū)原奧氏體晶粒尺寸的大小(當(dāng)x的取值范圍為[x1，x3]時，計算結(jié)果有很高的可信度，當(dāng)x的取值范圍為(0，x1)或(x3，∞)時，隨著x的數(shù)值偏離x1或x3的加大，計算結(jié)果與實際情況的偏離程度逐漸加大。

　　此方法的核心思路如下。就當(dāng)前的鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)而言，在微合金鋼的基體中一般存在兩大類第二相粒子：第一類傾向于在鋼液中或鋼液凝固過程中形成，這類粒子具有很高的熱穩(wěn)定性，但就尺寸與體積分數(shù)而言，其對微合金鋼焊接過程中的奧氏體晶粒尺寸長大的釘扎作用較弱；第二類傾向于在生產(chǎn)或熱處理過程中析出，這類粒子具有較低的熱穩(wěn)定性，但因其尺寸非常小，只在焊接熱過程的低溫階段常常會產(chǎn)生較強的釘扎作用。為計算微合金鋼焊接粗晶區(qū)中的晶粒尺寸，針對這兩大類粒子的釘軋作用，可分別作如下簡化。第一類粒子對晶界的釘軋作用雖然也會隨著焊接過程時間與溫度的變化而變化，但因為焊接熱過程的瞬時特征且其本身產(chǎn)生的釘扎作用較小，可以合理的簡單認為第一類粒子在整個焊接粗晶區(qū)熱過程中對晶界的釘軋作用不變，即可認為其產(chǎn)生的釘扎作用力近似為常數(shù)。而第二類粒子具有較低的熱穩(wěn)定性，焊接粗晶區(qū)的峰值溫度一般達到1573～1673k，通常遠高于第二類粒子的熱力學(xué)溶解溫度，考慮到此類粒子的尺寸非常小，且動力學(xué)過程也顯示在焊接粗晶區(qū)熱循環(huán)開始到峰值溫度的過程中(通常是幾秒的時間)其將會發(fā)生大量溶解，因而第二類粒子對晶粒長大的釘扎作用會大大減弱?？紤]到采用晶粒長大動力學(xué)公式計算的是粗晶區(qū)最終的晶粒尺寸而并非晶粒長大過程中尺寸的變化，通過對公式中參數(shù)的擬合，可以基本上消除第二類粒子釘軋作用對最終晶粒尺寸大小的影響，因而可以簡單的認為第二類粒子在焊接粗晶區(qū)熱循環(huán)過程中產(chǎn)生的釘扎作用為0。在這一思路下，晶粒長大動力學(xué)公式中需要確定的兩個參數(shù)(一個常數(shù)參數(shù)及一個隨時間/溫度變化的參數(shù))將會轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€常數(shù)參數(shù)，這極大的簡化了擬合及計算過程。因而在這一思路下得到的一種預(yù)測微合金鋼焊接粗晶區(qū)晶粒尺寸的方法具有獨特性及實用性，同時理論上其準確性也可得到保證。為控制微合金鋼焊接粗晶區(qū)的晶粒尺寸提供了重要依據(jù)。

　　附圖說明

　　圖1為預(yù)測出的微合金鋼在不同焊接熱輸入下粗晶區(qū)的晶粒尺寸。

　　具體實施方式

　　下面結(jié)合實施例，對本發(fā)明作進一步描述：

　　實施例