固態(tài)相變對(duì)10Ni5CrMoV鋼焊接殘余應(yīng)力的影響

10Ni5CrMoV鋼是國(guó)內(nèi)研制的船用高強(qiáng)度低合金鋼，屈服強(qiáng)度大于785MPａ，平均值在850MPa以上，在船舶工業(yè)中獲得了廣泛應(yīng)用。

高強(qiáng)鋼在焊接熱循環(huán)中，發(fā)生一系列固態(tài)相變過程，一般認(rèn)為，當(dāng)固態(tài)相變溫度區(qū)間位于“力學(xué)熔點(diǎn)”之上時(shí)，在焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬中將相變過程忽略不會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大影響。但對(duì)于10Ni5CrMoV鋼而言，馬氏體相變溫度較低，即發(fā)生馬氏體相變時(shí)材料已經(jīng)恢復(fù)強(qiáng)度，進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬有必要考慮固態(tài)相變效應(yīng)。研究認(rèn)為固態(tài)相變效應(yīng)主要表現(xiàn)為相變過程中晶格結(jié)構(gòu)變化引起的體積變化和屈服強(qiáng)度“滯后”現(xiàn)象。

一些研究在考慮固態(tài)相變體積變化時(shí)，根據(jù)相變前后晶格結(jié)構(gòu)間的差異來計(jì)算體積變化量，這種做法看似存在理論依據(jù)，但是相變過程中的體積變化受到多種因素的影響，體積變化量與相變前后不同組織對(duì)應(yīng)晶格尺寸的差異值并不相等，因此，使用試驗(yàn)測(cè)試固態(tài)相變體積變化量的方法更為準(zhǔn)確。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究者們通過熱膨脹試驗(yàn)測(cè)試相變參數(shù)，建立固態(tài)相變的數(shù)學(xué)模型，開展了考慮固態(tài)相變效應(yīng)的10Ni5CrMoV鋼焊接熱-力耦合分析。采用Fortran語言開發(fā)考慮固態(tài)相變效應(yīng)的焊接子程序，使用ABAQUS計(jì)算10Ni5CrMoV鋼的焊接殘余應(yīng)力，并采用盲孔發(fā)測(cè)試殘余應(yīng)力，驗(yàn)證相變模型的精度。

焊接試板為10Ni5CrMoV鋼板，尺寸為370mm×180mm×10mm，焊接方法為“自熔TIG焊”，即使用TIG焊槍試板中心線加熱。焊接電流為220A，電弧電壓為20V，鎢極直徑為4mm，焊接速度為2mm/s，采用純氬氣保護(hù)，氣體流量為15L/min。試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）根據(jù)10Ni5CrMoV鋼在特定焊接熱循環(huán)下的熱膨脹曲線，分別建立的Kamamoto模型和K-M方程，能夠計(jì)算奧氏體與馬氏體的轉(zhuǎn)變量。

（2）考慮固態(tài)相變效應(yīng)后，相變區(qū)域的縱向拉應(yīng)力大幅度降低，相變區(qū)域相鄰位置拉應(yīng)力仍然較高；橫向應(yīng)力的分布狀態(tài)變化明顯，時(shí)間上表面焊縫區(qū)域由壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力，焊縫附近由拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，但應(yīng)力峰值變化較小，約為室溫屈服強(qiáng)度的25%。

（3）焊接殘余應(yīng)力的測(cè)試結(jié)果與考慮固態(tài)相變效應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果相吻合，驗(yàn)證了10Ni5CrMoV鋼考慮固態(tài)相變效應(yīng)的必要性和固態(tài)相變模型的準(zhǔn)確性。