高碳当量低密度钢焊接热影响区组织性能模拟方法技术

本发明专利技术属于金属材料焊接性研究技术领域，涉及高碳当量低密度钢焊接热影响区组织性能模拟方法，包括以下步骤：S1、制备高碳当量低密度钢试样；S2、热模拟高碳当量低密度钢试样；S3、获取热影响区组织性能变化；其中热循环曲线采用Rykalin 2D数学模型，解决了现有的焊接热影响区组织性能模拟方法不能对实际焊接的热循环过程精确模拟、无法确定高碳当量低密度钢经过不同峰值温度和线能量的焊接热循环后其热影响区的组织或性能的变化、无法直接指导实际焊接工艺参数选择的问题。实际焊接工艺参数选择的问题。实际焊接工艺参数选择的问题。

【技术实现步骤摘要】
高碳当量低密度钢焊接热影响区组织性能模拟方法


[0001]本专利技术属于金属材料焊接性研究
，涉及高碳当量低密度钢焊接热影响区组织性能模拟方法。

技术介绍

[0002]近年来，汽车产业的高速发展使能源和环境问题日渐突出，实现汽车轻量化成为未来汽车产业发展的必然趋势。低密度钢因其优异的性能成为实现汽车轻量化的潜力材料，焊接性能的好坏是衡量其是否能够成功应用于汽车生产的重要指标。高碳当量低密度钢中较高的合金元素会对其焊接性能产生不利的影响，对于高Al系高碳当量低密度钢，一方面，较高的Al含量容易使C元素在焊接接头发生迁移，形成铁素体的带状组织，降低焊接接头的组织连贯性；另一方面，当Al含量和C含量都较高时，易在焊接接头析出κappa碳化物。低密度钢中含有较多的Mn元素，且Mn元素的饱和蒸气压较高，在实际焊接过程，易蒸发，使焊缝中Mn含量减小，层错能(SFE)降低，从而促进了焊接热循环过程中相变的发生，使焊接过程变得复杂；此外，高碳当量低密度钢在焊接过程中，焊缝区还易发生元素的偏析现象，尤其当异种高碳当量低密度钢进行焊接时，此现象更加明显。
[0003]以往的焊接微观组织模拟工作侧重在凝固组织和晶粒长大模拟方面，研究成果相对成熟，但是对于焊接热影响区组织、性能模拟较少。授权公开号为CN102750425B的专利技术专利公开了一种焊接过程热影响区组织演变的模拟方法，其模拟步骤主要为：步骤一：计算热影响区温度场；步骤二：根据温度场分布，计算不同位置晶粒在β相区以上的晶粒长大过程；步骤三：根据温度场计算获得的冷却速度和β相晶粒分布计算结果，计算连续冷却固态相变；解决了目前焊缝微观组织演变的定量化，其主要基于经验或者半经验的确定性模型或者解析计算，只进行组织含量的计算，而不能动态地反映组织形态、尺寸和分布的问题，其数学模型尚不完善，不能对实际焊接的热循环过程模拟，不能再现高碳当量低密度钢在焊接过程中的受热和受力情况，导致无法确定高碳当量低密度钢经过不同峰值温度和线能量的焊接热循环后其热影响区的组织或性能的变化，无法对高碳当量低密度钢在焊接过程中将会出现的问题进行预测和判断，无法直接指导实际焊接工艺参数的选择。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术为了解决现有的焊接热影响区组织性能模拟方法不能对实际焊接的热循环过程精确模拟、无法确定高碳当量低密度钢经过不同峰值温度和线能量的焊接热循环后其热影响区的组织或性能的变化、无法直接指导实际焊接工艺参数选择的问题，提供一种高碳当量低密度钢焊接热影响区组织性能模拟方法。
[0005]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]一种高碳当量低密度钢焊接热影响区组织性能模拟方法，包括以下步骤：
[0007]S1、制备高碳当量低密度钢试样；
[0008]依次按照配料、冶炼、锻造、热轧、线切割的工序制备高碳当量低密度钢板，以高碳
当量低密度钢板板厚1/4位置为中心、沿垂直钢板轧制方向截取数个长方体热模拟试样，截取时热模拟试样的较长边平行钢板宽度方向；
[0009]S2、热模拟高碳当量低密度钢试样；
[0010]在电阻加热模拟试验机的系统上选择合适的热模拟模型，分别获取热模拟试样热影响区的粗晶区、细晶区、不完全重结晶区和回火区的模拟热循环曲线，其中试样在试验机上模拟时将热电偶的择点位控制在热模拟试样的中心，热循环曲线采用Rykalin 2D数学模型，即：公式中，E是线能量(J/cm)，δ为板厚，λ为热导率(J/(cm.s.℃))，ρ为密度(g/cm3)，c为比热容(J/(g.℃)，t是时间(s)，r为某点离电弧中心的距离(cm)，T
max
为热循环的峰值温度；
[0011]S3、获取热影响区组织性能变化；
[0012]分别依据步骤S2得到的热循环曲线在不同线能量、不同峰值温度下对试样进行加热，模拟加热后热模拟试样一定热输入条件下焊接热影响区不同区域的微区组织形态和硬度变化。
[0013]进一步，步骤S1包括以下步骤：
[0014]S11、配料；按照如下质量百分比配料：C：0.99～1.05％，Mn：12.03～16.38％，Al：9.82～12.11％，单个杂质≤0.05％，杂质总量≤0.15％，余量为Fe；
[0015]S12、冶炼；将配制好的高碳当量低密度钢原料放在真空感应炉内进行冶炼，冶炼温度为1550～1650℃，浇注温度为1510℃，浇注后钢锭的质量为20Kg；
[0016]S13、锻造；将浇注得到的钢锭在1200℃均热2h后，将其锻造成截面积为100mm
×
20mm锻坯，待空冷至室温；
[0017]S14、热轧；将空冷至室温的锻坯加热到1200℃并保温2h，将其在850～1150℃进行多道次的热轧，轧制过程采用红外线测温仪器对试样的表面温度进行测量，最终使锻坯的厚度从31mm热轧至5.5mm，轧制总压下率为82.2％；
[0018]S15、线切割；将高碳当量低密度钢的热轧板用线切割机加工成76mm
×
10mm
×
3.5mm的热模拟试样，然后使用粗糙的砂纸将试样磨平。
[0019]进一步，步骤S11中原料取自纯度较高的低碳锰块、工业铁块、铝块和碳粉。
[0020]进一步，步骤S3中热影响区中粗晶区、细晶区、不完全重结晶区和回火区的峰值温度Tp分别设为1300℃、1000℃、800℃和600℃，高温停留时间为t1＝1s，冷却时间t
8/3
＝15s或10s。
[0021]进一步，步骤S3中线能量变化范围为10～30kJ/cm，试样加热速度W
h
/(℃s
‑1)分别设为130℃/s、100℃/s、80℃/s、60℃/s，高温停留时间t1＝1s。
[0022]进一步，步骤S3中线能量变化分别设为10kJ/cm、20kJ/cm、30kJ/cm。
[0023]本专利技术的有益效果在于：
[0024]1、本专利技术所公开的高碳当量低密度钢焊接热影响区组织性能模拟方法，通过对实际焊接的热循环过程模拟，再现高碳当量低密度钢在焊接过程中的受热和受力情况，确定高碳当量低密度钢经过不同峰值温度和线能量的焊接热循环后其热影响区的组织或性能的变化，从而对高碳当量低密度钢在焊接过程中将会出现的问题进行预测和判断，来指导实际焊接选择合适的工艺参数，进而获得质量良好的焊接接头。
[0025]2、本专利技术所公开的高碳当量低密度钢焊接热影响区组织性能模拟方法，实现了焊接热影响区不同位置尤其是粗晶区的组织演变模拟，能够动态再现焊接全过程的组织形态，为改善焊接接头的显微组织和力学性能提供理论基础。
[0026]本专利技术的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本专利技术的实践中得到教导。本专利技术的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.高碳当量低密度钢焊接热影响区组织性能模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、制备高碳当量低密度钢试样；依次按照配料、冶炼、锻造、热轧、线切割的工序制备高碳当量低密度钢板，以高碳当量低密度钢板板厚1/4位置为中心、沿垂直钢板轧制方向截取数个长方体热模拟试样，截取时热模拟试样的较长边平行钢板宽度方向；S2、热模拟高碳当量低密度钢试样；在电阻加热模拟试验机的系统上选择合适的热模拟模型，分别获取热模拟试样热影响区的粗晶区、细晶区、不完全重结晶区和回火区的模拟热循环曲线，其中试样在试验机上模拟时将热电偶的择点位控制在热模拟试样的中心，热循环曲线采用Rykalin 2D数学模型，即：公式中，E是线能量(J/cm)，δ为板厚，λ为热导率(J/(cm.s.℃))，ρ为密度(g/cm3)，c为比热容(J/(g.℃)，t是时间(s)，r为某点离电弧中心的距离(cm)，T
max
为热循环的峰值温度；S3、获取热影响区组织性能变化；分别依据步骤S2得到的热循环曲线在不同线能量、不同峰值温度下对试样进行加热，模拟加热后热模拟试样一定热输入条件下焊接热影响区不同区域的微区组织形态和硬度变化。2.如权利要求1所述的焊接热影响区组织性能模拟方法，其特征在于，步骤S1包括以下步骤：S11、配料；按照如下质量百分比配料：C：0.99～1.05％，Mn：12.03～16.38％，Al：9.82～12.11％，单个杂质≤0.05％，杂质总量≤0.15％，余量为Fe；S12、冶炼；将配制好的高碳当量低密度钢原料放在真空感应炉内进行冶炼，冶炼温度为1550～1650℃，浇注温度为1510℃，浇注后钢...

【专利技术属性】
技术研发人员：章小峰，邢梅，林方敏，万亚雄，唐立志，
申请(专利权)人：安徽工业大学，
类型：发明
国别省市：