焊接是一個不均勻的加熱和冷卻過程，從而造成熱影響區(qū)組織的不均勻性對焊接熱影響區(qū)進行組織模擬可以比較方便地得到一定焊接工藝條件下焊接熱影響區(qū)的組織和大致分布，為制訂合理的焊接工藝提供支撐。本章應用 Kirkaldy 模型，對碳鋼焊接熱影響區(qū)組織進行有限元預測。

 

7.1 焊接熱影響區(qū)組織轉變與 Kirkaldy 模型

許多焊接失效發(fā)生在靠近焊縫金屬的熱影響區(qū)，如粗晶區(qū)。鑒于此，許多焊接工程師致力于控制焊接熱影響區(qū)的微觀組織和韌性的研究。金相學家通常用等溫轉變圖或連續(xù)冷卻轉變圖來描述低合金鋼微觀組織演化。這些曲線描繪了隨一系列冷卻軌跡發(fā)生的不同顯微組織轉變的起始時間和溫度。這些曲線被用于分析熱處理組織，而熱處理通常假定一個保溫溫度達到1173K 的平衡態(tài)顯微組織。連續(xù)冷卻轉變模型不可以直接用于焊接，有以下幾個原因:①焊接熱影響區(qū)峰值溫度在略低于共析溫度到熔點范圍內變化;②在焊接熱影響區(qū)中奧氏體相晶粒長大是非均勻的，它對時間溫度曲線和抑制晶粒長大的析出相(如NbC)的存在十分敏感:③連續(xù)冷卻轉變圖不能方便地用于數(shù)值模擬模型。

 

基于這些原因,由 Kirkaldy 開發(fā)了一套相變模型,該模型后經(jīng) Watt 和 Henwood擴展并用于低合金鋼焊接熱影響區(qū)組織的數(shù)值模擬。該模型的輸入數(shù)據(jù)是基體金屬組成、原始微觀組織和有限元計算的瞬態(tài)溫度。輸出數(shù)據(jù)是每個積分點(xy,z,)的鐵素體、珠光體、奧氏體、貝氏體、馬氏體的體積分數(shù)及奧氏體晶粒的尺寸。

 

典型亞共析鋼焊接熱影響區(qū)相變示意圖如圖 7-1所示。由圖 7-1可見，一個典型的熱影響區(qū)固態(tài)相變包括焊接加熱過程的相變和冷卻過程的相變兩大部分。由于焊接加熱的特點，焊接加熱過程中的相變往往發(fā)生得很快，因此動力學影響可以忽略不計，即假定為局部平衡狀態(tài)。實際上，過熱也可以忽略不計。在完全奧氏體化之后，奧氏體晶粒開始長大。晶粒長大持續(xù)到進入冷卻階段至 A;溫度，此時奧氏體開始發(fā)生分解，可能的分解產物有鐵素體、珠光體和貝氏體。最后，如果在馬氏體起始溫度時，依然存在奧氏體，那么奧氏體將按照 Koisten 和 Marburger 提出的代數(shù)方程轉變?yōu)轳R氏體。

 

 

圖7-1 典型亞共析鋼焊接熱影響區(qū)相變示意圖

1-平衡狀態(tài)下的鐵素體和珠光體:Ⅱ-鐵素體和珠光體轉變?yōu)閵W氏體:Ш一奧氏體晶粒長大受 NbC 和 VC的抑制;I一奧氏體晶粒開始長大;V-奧氏體分解為鐵素體:Ⅵ一奧氏體分解為珠光體:Ⅶ一奧氏體分解為貝氏體:Ⅷ一奧氏體分解為馬氏體

 

由此可見，在相變的數(shù)值模擬中，首先應確定各階段相變特征溫度線:A1、43、Bs和 M。在焊接過程中，常用 Ae和 4。,來代替冷卻過程中的 A 線和 4,線。對于大部分低碳鋼與低合金鋼，上述關鍵溫度線可通過合金成分來估算：

 

 

 

式中，w--各元素在合金中的質量分數(shù)。

加溫階段奧氏體的形成量可以利用杠桿定律求解。

 

 

 

式中，VA、VF——奧氏體和鐵素體的體積分數(shù)；

Wc——鋼中碳的質量分數(shù)；

Wcy、Wca——奧氏體和鐵素體中碳的質量分數(shù)，可分別由式(7-7)和式(7-8)

進行求解。

 

 

 

式中，T——熱力學溫標;

W——各元素的質量分數(shù);

9、?--虛擬代號，沒有實際含義。

在加熱階段會發(fā)生奧氏體晶粒的長大，假設奧氏體晶粒長大受擴散控制，晶粒長大驅動力為界面能的降低，不需要形核過程，則奧氏體晶粒長大速度方程為

 

 

 

在冷卻階段，將發(fā)生奧氏體向各子相的相變。假設轉變開始前奧氏體所占體積分數(shù)為x，則各相變微分方程表示如下。

 

1.鐵素體相變方程

奧氏體轉變?yōu)殍F素體的常微分方程為

 

 

 

式中，G——奧氏體晶粒度，采用美國材料與試驗學會(ASTM)標準規(guī)定；

ΔT——奧氏體轉變?yōu)殍F素體的過冷度，ΔT=A3-T；

R——摩爾氣體常數(shù):

T——熱力學溫度;

T——時間。

 

式(7-12)中22反映了鐵素體在奧氏體晶界處形核，其晶核密度是一個關于奧氏體晶界面積的函數(shù);(AT)為實驗測得的鐵素體增長率為過冷度的三次方，這是由于奧氏體和鐵素體在過冷條件下，自由能的增加不同;e指數(shù)項反映了碳在鐵中的擴散系數(shù)隨溫度降低;分母反映了合金元素對擴散的影響:最后一項是Predator-Prey 系數(shù)，表征鐵素體的產率是已存在鐵素體的體積分數(shù)x與殘存奧氏體的體積分數(shù)(1-x)的函數(shù)。

 

 

 

 

3.貝氏體相變方程

根據(jù) Kirkaldy 的理論，奧氏體分解為貝氏體的常微分方程為

 

 

 

 

 

4.馬氏體相變方程

馬氏體相變?yōu)榉菙U展型相變，參考Koistenen和Marburger[36]的文章得出如下關系式：

 

 

（內容、圖片來源：《焊接過程數(shù)值模擬》一書，侵刪）

 

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