超细晶粒钢中焊接HAZ晶粒长大规律分析
超级钢焊接接头及热影响区晶粒尺寸的预测
超级钢焊接接头及热影响区晶粒尺寸的预测摘要: 应用有限元方法建立了超级钢焊接温度场的数学模型,对超级钢温度场和热循环进行了模拟和分析。
利用模拟得到的热影响区热循环曲线,根据晶粒长大动力学原理对热影响区晶粒尺寸进行预测,预测结果与实验结果基本吻合。
关键词: 超级钢热循环曲线焊接热影响区晶粒尺寸The grain size prediction in the HAZ of the ultra fine grain steelJIANG Qiuyue2(School of Mechanic and Electric Engineering, Changchun Institute of Engineering, Changchun 130012)Abstract: The paper simulates the welding temperature fields of the ultra fine grain steel by the computer simulation, and obtains the thermal cycle curve. Meanwhile, the paper has predicted the grain size of HAZ in the base of the thermal cycle curve. The outcome of the prediction accords with the outcome of the experiment .Keywords:ultra fine grain steel ; thermal cycle curve ;HAZ ;grain size;序言本文利用数字模拟技术在焊接中的应用,模拟超级钢的焊接温度场,提取热循环曲线,利用晶粒长大动力学原理预测热影响区晶粒的尺寸,晶粒尺寸直接影响到焊缝及热影响区的综合机械性能,对实际生产有着重要的现实意义。
超精细粒钢中焊接HAZ晶粒长大规律
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含第二相粒子的焊接热影响区晶粒长大分析的开题报告
含第二相粒子的焊接热影响区晶粒长大分析的开题报告
本文旨在针对含第二相粒子的焊接热影响区（HAZ）进行晶粒长大分析。
在焊接过程中，由于高温的作用，HAZ的晶粒结构会发生改变，这会影响焊缝和母材
的性能。
其中，含有第二相粒子的材料尤其容易受到影响。
因此，本研究将重点探究如何分析含有第二相粒子的焊接热影响区中晶粒的长大行为。
具体来说，本文将从以下几个方面展开研究：
1. 热影响区的晶粒结构分析
通过显微镜、扫描电镜等现代测试技术，对HAZ的晶粒进行形态和尺寸分布的分析，进一步探究第二相粒子对晶粒长大的影响。
2. 晶粒长大的机理研究
本文将根据材料结构、元素分布等特点，探究第二相粒子对晶粒长大的机理，如何影
响力量学和热力学过程。
3. 仿真模拟
通过有限元模拟等模拟手段，模拟不同焊接参数和材料条件下的晶粒长大过程，研究
影响因素和优化方法。
综上，本文将对含有第二相粒子的焊接热影响区晶粒长大行为进行全方位的研究和分析，对于改善焊接质量，提高焊接工艺的稳定性具有一定的参考价值。
钢铁材料晶粒细化技术研究
钢铁材料晶粒细化技术研究车辆工程技术221理论研究1 前言钢铁材料利用历史悠久，冶炼生产工艺发展比较成熟，钢铁是地球上含量丰富的金属资源，也是传统材料中最具代表性的。
钢铁材料相比于其他金属材料具有强韧性，便于生产加工，其生产成本较低。
我国工业的发展需要利用大量钢铁资源，并且钢铁制备及利用也是一个国家工业化水平的表现。
随着工业的不断发展进步，先进制造业的发展对机械制造用钢的性能提出了更高的要求，这意味着我们要不断创新提高钢铁材料的冶炼技术，提高钢铁材料的性能。
大量试验数据表明，提高钢材的强度可以减轻产品的自重，例如，在建筑用钢中，提高钢的强度可以节约钢材和建筑空间的利用率，桥梁用钢中，提高钢的强度可以减轻桥的重量并提高桥梁承载能力。
细化晶粒来提高钢铁材料强韧性是现今最有效，应用最广泛的方式。
2 晶粒细化技术2.1 晶粒尺寸对钢材强度影响原理研究表明，钢材的强度与基体的晶粒尺寸有较大关系，由Hall-Petch公式可知，晶粒越细，其屈服强度越大晶粒尺寸在一定范围内减小，可以增加材料塑性。
金属的塑性变形主要由位错运动引起的，因此强化金属的主要途径是阻碍位错运动。
晶界是两个晶粒的过渡部分，它的能量比晶内能量高，原子扩散速度快，而且晶界的缺陷比晶内缺陷要多，它还对位错运动有阻碍作用，是金属中的强化部位。
细化晶粒的是实质增加单位体积内晶粒的数目，也就是增加晶界面积，金属的晶粒越细，晶界面积越大，对位错的阻碍作用越强。
在晶粒中，还存在亚晶界，亚晶界同晶界一样可以阻碍位错运动，对金属有强化作用。
因此细化晶粒技术就是从怎么增加晶界面积和减小晶粒大小角度深入。
在国内外，对细晶研究不断深入，细晶技术不断发展创新，日本采用细晶技术多为低温大变形，通过控制温度，使工件在大过冷条件下轧制，这个方式在细晶过程中难以控制温度，对轧机要求高；韩国低温变形，采用应变诱导相变或动态诱导相变机制，在加工过程中，相变时的温度难以控制，热处理变形难以按照预想实施，有一定的误差。
超细晶粒高碳钢的制备与组织性能研究
超细晶粒高碳钢的制备与组织性能研究
1.超细晶粒高碳钢的制备方法
超细晶粒高碳钢的制备方法有很多种，常见的方法包括热处理和机械加工。
热处理方法主要包括等温退火和热变形等方法。
等温退火能够通过控制退火温度和时间来获得细小的晶粒。
热变形方法包括等温正火、等温淬火等，通过热压缩和热拉伸等加工工艺使材料晶粒尺寸减小。
机械加工方法包括冷拔、冷轧和剧烈塑性变形等，通过大变形量的机械加工使材料晶粒尺寸显著减小。
2.超细晶粒高碳钢的组织性能
超细晶粒高碳钢的组织性能主要体现在以下几个方面。
首先，超细晶粒结构使得材料具有更高的强度和硬度。
晶界活动对强化和硬化起着重要作用。
其次，超细晶粒高碳钢具有更好的韧性和抗冲击性能。
细小的晶粒能够限制晶界扩展和位错运动，从而提高材料的韧性。
此外，超细晶粒结构还可以改善材料的耐腐蚀性能。
3.超细晶粒高碳钢的应用前景
超细晶粒高碳钢具有广泛的应用前景。
首先，其优异的机械性能使其成为理想的结构材料，可以广泛用于航空航天、汽车制造和机械制造等领域。
其次，超细晶粒高碳钢的耐磨性能优越，适用于制造高速切削工具和模具等。
此外，超细晶粒高碳钢在原油开采和海洋工程等恶劣环境下具有良好的耐腐蚀性能，因此还具有广阔的市场前景。
总之，超细晶粒高碳钢的制备方法和组织性能研究对于材料科学和工程领域具有重要意义。
随着技术的不断发展，超细晶粒高碳钢的制备方法将不断优化，其在各个领域的应用前景也将更加广阔。
晶粒粗大的概念,危害以及控制
晶粒粗大(coarse grain)概念和危害以及控制钢材内部缺陷之一，表现为金属晶粒比正常生产条件下获得的标准规定的晶粒尺寸粗大。
钢材由于生产不当，奥氏体或室温组织均能出现粗大晶粒，这种组织使强度、塑性和韧性降低。
粗大的晶粒通过热处理可以细化。
表示晶粒大小的方法是晶粒的平均体积、平均直径或单位体积内含有的晶粒数，但测定繁琐。
为简化评定方法，采用晶粒大小标准图相比较的方法，确定晶粒大小的级别。
钢的标准晶粒级别由大到小划分为-3到+12共16级，晶粒平均直径由-3级的1.000mm到12级的0.0055mm。
1～4级为粗晶粒；5～8级为细晶粒，粗于1级的为晶粒粗大；细于8级的为超细晶粒。
晶粒粗大的原因有：(1)金属凝固或加热到相变温度以上、或在奥氏体再结晶区变形时，再结晶后停留时间长、冷却速度慢使晶粒集聚长大；(2)粗大奥氏体晶粒固态相变后铁素体晶粒粗大。
防止晶粒粗大的方法有：采用铝脱氧的本质细晶粒钢，控制加热温度和保温时间，加大道次变形量，降低终轧温度和控制冷却速度。
[1]焊接时，大的线能量，就可能会使焊缝的晶粒粗大。
降低零件塑性，使零件变脆，冲击值达不到要求，使用中会在毫无征兆的情况下突然断裂。
另外，晶粒粗大会给零件探伤造成困难，掩盖一些缺陷或使零件不可探。
熔合线附近的母材多因焊接热作用,形成晶粒粗大,性能恶化的组织叫热影响区，即HAZ，就是焊缝金属和母材之间的过渡区，由于焊接时加热到接近熔点后快速冷却，导致晶粒粗大，如果母材含碳量较高，易产生裂纹。
熔合区的机械性能要达到木材的水平，就要求在焊接时控制线能量输入--------尽可能用小电流、快速度、不摆动来解决“晶粒粗大”的问题，因为保持较细的晶粒结构，才可以保证里面的组织不发生变化。
钢中奥氏体晶粒长大规律
般都以具有最低激活能的方式首先生长；温度越
低，激活能越小的生长机制持续时间越长；然后随
着温度升高依次过渡到激活能更高的生长机制；
高温时激活能低的生长机制很快完成而失去作 用。高振英等 研 ［１２］ 究了中碳钢奥氏体晶粒的 ４
种生长机制：１）Ｆｅ原子位错扩散控制机制；２）Ｆｅ
原子位错、界 面 扩 散 控 制 的 混 合 机 制；３）界 面 扩
细化奥氏体晶粒，可以显著改善钢材的力学
性能。在奥氏体单相区，对奥氏体施加一定量的 塑性变形使之发生再结晶从而细化晶粒，是现代 钢铁产品获得优异性能的常规工艺。无论是原奥 氏体晶粒还是完成再结晶后的奥氏体晶粒，都具 有相同 的 长 大 规 律。 了 解 奥 氏 体 晶 粒 的 长 大 规 律，对控制钢材的最终性能具有重要意义。
奥氏体晶粒长大受 Ｆｅ、Ｃ原子的扩散速率控 制，其长大 规 律 有 如 下 定 性 认 识［９］：１）晶 粒 长 大
基金项目：国家重点研发计划（Ｎｏ．２０１８ＹＦＣ０３１０３００） 作者简介：刘文月，男，高级工程师，博士，主要从事管线钢宽厚板产品的研发，Ｅｍａｉｌ：ｗｅｎｙｕｅ＿ｌｉｕ＠ａｌｉｙｕｎ．ｃｏｍ
奥氏体晶粒的长大不是没有限制的，具有一 个极限尺寸，Ｚｅｎｅｒ认为该尺寸由钉扎粒子的尺寸 和数量决定［４６］。奥氏体晶粒长 大 过 程 中，会 出 现正常长大与异常长大两种现象。正常长大过程 中，最大晶粒尺寸约为平均尺寸的 ２．５倍［７］；异常 长大过程中，仅有少数晶粒尺寸急剧增加，最大尺 寸一 般 为 平 均 尺 寸 的 ６倍 以 上，有 时 可 达 十 几 倍［８］。奥氏体晶粒的异常长大，也被称为二次再 结晶［９］。
Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，ＡｎｓｈａｎＬｉａｏｎｉｎｇ１１４００９，Ｃｈｉｎａ）
不同晶粒尺寸材料的霍尔佩奇关系
不同晶粒尺寸材料中的H-P关系细化晶粒一直是改善多晶体材料强度的一种有效手段。
根据位错理论,晶界是位错运动的障碍,在外力作用下,为了在相邻晶粒产生切变变形,晶界处必须产生足够大的应力集中,细化晶粒可以产生更多的晶界,如果晶界结构未发生变化,则需施加更大的外力才能产生位错塞积, 从而使材料强化。
Hall-Petch 关系就是在位错塞积模型基础上导出的。
H-P关系的历史20世纪50年代初，人们开始研究晶粒尺寸与材料强度的关系，1951年当时还在谢菲尔德大学读书的E. O. Hall在64册装订的《物理学进程表》上发表了三篇文章。
在第三篇文章中，他指出了滑动带的长度或裂纹尺寸与晶粒尺寸成正比，即，式子中的第一项代表了材料的强度，k是常数。
由于技术条件的限制，Hall只能推出成正比的关系，但是x的取值没有具体给出。
当时Hall选取的研究对象是锌但是他发现这个关系应用于低碳钢同样成立。
英国利兹大学的N. J. Petch根据自己在1946-1949年的实验研究和Hall的理论基础发表了一篇论文，这篇论文着重讲述了有关脆性断裂方面的知识，通过测量在低温条件下不同晶粒尺寸的解理强度，Petch把Hall提出的数学关系进行了精确地完善，这个重要的数学关系就以他们的名字命名为霍尔佩奇关系。
即σy代表了材料的屈服极限，是材料发生0.2%变形时的屈服应力σ0.2通常可以用显微硬度Hv来表示σ0表示移动单个位错时产生的晶格摩擦阻力Ky一个常数与材料的种类性质以及晶粒尺寸有关d 平均晶粒直径Hall-Petch关系图由于Hall和Petch所处的年代技术的落后他们能研究的晶粒尺寸还是很大的，所以早期的H-P关系是不完善的，只有图中前半部分。
后半部分是随着科技的进步，逐渐完善的。
近几十年来, 材料的细晶强化研究大量开展。
在一般晶粒尺寸范围内, 材料的强度随晶粒尺寸的变化是符合Hall-Petch 关系的, 但在纳米晶体材料中出现了偏离甚至反Hall-Petch 关系的现象, 因此Hall-Petch 关系的使用具有一定的局限性。
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超细晶粒钢中焊接HAZ晶粒长大规律分析林震欧①(温州市苍南县立瓯石化设备有限公司 浙江温州325000)摘要 根据传统金属学和焊接冶金学理论,对800M Pa和400MPa两个强度级别新一代钢铁材料进行焊接热模拟试验,分析了焊接热影响区HAZ晶粒长大规律。
结果表明,随着TP 和t8/5的逐渐增大,新一代钢铁材料焊接HAZ的奥氏体晶粒都存在严重的长大倾向,且400MPa级比800MPa级的HAZ奥氏体晶粒长大更为严重。
对冶金设备制造具有重要意义。
关键词 新一代钢铁材料 焊接 晶粒长大 热影响区Ana lysis of the Rule of W eld i n g HAZ Gra i n Growthi n the Ultra2f i n e Gra i n SteelL in Zhenou(W enzhou Cangnan County L i ou Petr oche m icals Equi pment L i m ited Company)ABSTRACT Based on physical metallurgy and welding metallurgy,The ne w generati on steel materials with 400M Pa and800MPa yield strength was measured by welding ther mal si m ulati on and the rule of welding HAZ grain gr owth was studied.It’s show that the welding HAZ austenitic grain of new generati on steel materials has a seri ous gr owth,and the HAZ grain gr owth of400MPa strength has more seri ous than800MPa.KE YWO R D S Ne w generati on steel materials W elding Grain gr owth HAE(Heat acti onfarea)1 引言目前,国内已经对新一代钢铁材料进行了探索,新一代钢材只有在实现了超洁净度、超细晶化、超均匀化(即“三超”)才能在成分基本不变的情况下实现高强、高韧性(“两高”)。
对于新一代钢铁材料来说,在焊接热作用下,其晶粒长大是必然存在的。
而且晶粒越小,晶粒长大速度和长大驱动力就越大,因此新一代钢铁材料经过焊接后,焊接接头,尤其是焊接的HAZ性能能否保持具有“三超”特征母材的性能水平将成为重点关注的问题[2]。
但由于超细晶粒具有“三超”、“两高”特点,其长大规律不一定完全符合根据传统钢材建立起来的HAZ 晶粒长大规律,因此有必要研究新一代钢铁材料HAZ晶粒长大规律,这对推广和应用新一代钢铁材料均具有重要意义。
2 实验材料与方法采用上海宝山钢铁总公司生产的400MPa级(ss400钢,板厚为3mm)和由钢铁研究总院提供的800MPa级(x52钢,板厚为1.8mm)新一代钢铁材料,成分列于表1。
表1 400M Pa级和800M Pa级新一代钢铁材料的化学成分(wt%)试验材料C Si M n P S A l Nd Ti 400M Pa级0.170.090.360.0130.0130.025// 800M Pa级0.090.181.370.0110.0070.0010.0510.017 首先分别将400MPa级和800MPa级新一代钢铁材料制作成3.0×10.5×80mm和1.8×10.5×80mm的板状热模拟试样,其板面的粗糙度为Ra=1.60,然后在Gleel2 ble21500热模拟试验机上进行两系列的焊接热模拟,如图Extra Editi on2007 冶 金 设 备MET ALLURGI CAL E QU I P M E NT2007年特刊①作者简介:林震欧,男,主要从事特种设备的检验工作1和图2所示。
图1是固定加热峰值温度T P ,变化冷却时间t 8/5,目的是模拟不同焊接热输入条件下HAZ 粗晶区的状况;图2是固定冷却时间t 8/5,变化加热峰值温度T P ,目的是模拟在同一焊接热输入条件下,焊接HAZ 不同部位的状况。
经过焊接热模拟后的试样,沿均温区中心截开制成晶相磨片,在光学显微镜下用截线法测量并统计奥氏体晶粒的平均尺寸,400MPa 级和800M Pa 级新一代钢铁材料板状热模拟试样的尺寸分别制作成3.0×10.5×100mm 和1.8×10.5×65mm 。
3 试验结果及讨论3.1 800MPa 级焊接HAZ 晶粒长大规律经焊接热模拟实验后,800MPa 级新一代钢铁材料HAZ 中奥氏体晶粒尺寸测定结果如图3所示。
图3a 为峰值温度为1350℃时,不同t 8/5对奥氏体晶粒尺寸的影响规律;图2b 为t 8/5=5s 时,不同峰值温度T P 对奥氏体晶粒尺寸的影响规律。
从图3a 可以看出,t 8/5由小到大变化时,奥氏体平均晶粒尺寸逐渐增大,当t 8/5<12s 时,奥氏体平均晶粒尺寸较小,且长大速度缓慢;当t 8/5>12s 时,奥氏体平均晶粒尺寸较大,且长大速度急剧增加。
这说明,当t 8/5较小时,对应的焊接热输入低,高温停留时间短,此时800MPa 级新一代钢铁材料所含的第二相粒子还没有来得及完全溶解,因而奥氏体晶粒尺寸长大程度较低,长大速度增加也较小,当t 8/5较大时,对应的焊接热输入高,高温停留时间变长,母材中第二相粒子溶解数量和程度都较大,使得对奥氏体晶粒尺寸长大的阻碍作用降低,这样,奥氏体晶粒长大速度就增加,最终奥氏体的尺寸就增加。
从图3b 看出,奥氏体晶粒尺寸随着峰值温度的升高逐渐增大,当T P =1200℃时,奥氏体平均晶粒尺寸为30μm,说明此时奥氏体晶粒开始粗化。
这意味着,随着峰值温度的提高,800MPa 级新一代钢铁材料中的第二相粒子已经开始溶解、粗化,阻碍奥氏体晶粒长大的能力越来越弱。
3.2 400MPa 级焊接HAZ 晶粒长大规律400M Pa 级新一代钢铁材料经焊接热模拟后,HAZ 中奥氏体晶粒尺寸测定结果如图4所示。
图4a 为峰值温度为1350℃时,不同t 8/5对奥氏体晶粒尺寸的影响规律;图4b 为t 8/5=5s 时,不同峰值温度T P 对奥氏体晶粒尺寸的影响规律。
冶 金 设 备2007年特刊 图4 模拟各种热循环条件下400M Pa级焊接HAZ奥氏体平均晶粒尺寸测定结果 从图4a可以看出:即使在焊接热输入很小的情况下(t8/5<8s),HAZ中奥氏体晶粒也明显长大,且随着t8/5的增加,HAZ中奥氏体晶粒不断增加,这说明采用溶化焊方法,HAZ晶粒粗化是不可避免的。
晶粒粗化的程度受焊接热输入影响很大。
从图4b可以看出,随着峰值温度TP的升高,奥氏体平均晶粒尺寸逐渐增大,当TP介于1100℃～1200℃之间时,奥氏体晶粒尺寸开始粗化,当TP大于1350℃时,奥氏体晶粒尺寸不再增大,反而开始逐渐减小,这可是奥氏体晶粒边界局部溶化导致晶粒尺寸有所减小。
4 讨论分析图3和图4可以看出,新一代钢铁材料在焊接奥氏体晶粒有明显的长大倾向,在同样条件下,与800M Pa 相比,400MPa新一代钢铁材料的HAZ晶粒长大倾向更严重。
在图3b和图4b中,当t8/5=5s时,800M Pa级新一代钢铁材料在TP>1200℃时,奥氏体开始粗化,而400M Pa级新一代钢铁材料在TP>1100℃时,奥氏体开始粗化,这说明800MPa级新一代钢铁材料比400MPa级的晶粗化温度更高。
钢的化学成分对晶粒长大有重要影响,当钢中含有碳、氮化物形成元素时,都可降低晶粒长大倾向,因为这些碳、氮化物元素一般在晶内和晶界上形成细化而分布均匀的难溶质点,加热时这些碳、氮化物会阻碍晶粒长大,只有加热到很高温度或时间较长时,才使这些难溶质点溶解在奥氏体中,晶粒才会显著长大。
800M Pa级新一代钢铁材料中含有Nd和Ti,在焊接过程中会形成碳、氮化物,尤其是钢中形成的Ti N粒子是有效阻止奥氏体晶粒粗化的析出相[3,4]。
再加上焊接加热的速度极快,使得Ti N粒子的溶解有明显的延迟滞后效应,因而在高温阶段仍有一小部分Ti N保持稳定,可有效阻止晶粒长大,所以在相同条件下,800MPa级超细晶粒钢比400M Pa级超细晶粒钢的焊接HAZ晶粒长大程度更小,奥氏体的晶粒粗化温度也要高一些。
然而,尽管800M Pa级新一代钢铁材料中含有能阻碍晶粒长大的碳、氮化物形成元素,由于母材原始晶粒尺寸小,细小晶粒形成的晶粒长大驱动力远远大于因碳、氮化物在晶粒中形成的阻力。
峰值温度较低时,碳、氮化合物在晶粒中形成的阻力较大,随着峰值温度的提高,碳、氮化合物在晶粒中形成的阻力越来越小,温度提供的晶粒长大驱动力增加,最终的晶粒粗化程度严重。
由图3b和图4b知,HAZ中奥氏体和晶粒尺寸受t8/5影响很大,且随着t8/5的增大而增加。
因此,对新一代钢铁材料而言,为了防止奥氏体晶粒粗化,应尽可能地降低t8/5,也就是说,实际焊接时在条件允许的情况下,应尽可能地提高冷却速度。
5 结论1)模拟焊接HAZ试验的结果表明,无论是400M Pa 级还是800MPa级新一代钢铁材料,其HAZ中的奥氏体晶粒都存在严重的长大倾向,且晶粒尺寸随着冷却时间的加长和峰值温度的增高都出现增大趋势。
2)T P=1350℃时,随着t8/5的逐渐增加,新一代钢铁材料焊接HAZ粗晶区中的奥氏体平均晶粒尺寸不断增加;当t8/5=5s时,随着缝值温度的不断升高,新一代钢铁材料焊接HAZ中的奥氏体平均晶粒尺寸不断增大。
3)在相同焊接热循环下,400MPa级比800MPa级的HAZ奥氏体晶粒长大更为严重,其原因是800M Pa级新一代钢铁材中含有碳、氮化物形成元素,对于HAZ中奥氏体晶粒长大有一定的抑制作用。
参考文献[1]Our o C.R,Bott IDe S,Bastian F L.I nfluence of LocalB rittle Zone Size on the Heat Affected Zone Toughness ofStructural Steel for Offshore App licati ons.Tends in W eld2 ing Research[C].Pr oceeding of the4#internati onal Con2 ference,1995:519～524(转36页) 林震欧: 超细晶粒钢中焊接HAZ晶粒长大规律分析2007年特刊泵启动指示灯亮,这时就可以启动主泵,按主泵启动按钮,主泵启动,延时5s后,主泵启动指示灯亮,等主泵启动指示灯亮后,再按主泵加载按钮,主泵加载,主泵加载指示灯亮。