基于相变动力学的低合金高强钢焊接连续冷却相体积分数计算新方法研究

In accordance with the limitations of metallographic analysis and the lever rule (including the expanded lever rule) in calculating phase volume fractions in process of welding continuous cooling diagram establishment for high strength low alloy (HSLA) steel, a kinetic fitting method is put forward based on phase transformation kinetics. The steps for kinetic fitting method are as follows: (i) by confirming nucleation model and growth model of typical phases in continuous cooling process for HSLA steel, develop each corresponding phase kinetic equation; (ii) based on that, establish phase kinetic superposition equation and phase transformation rate superposition equation for different cooling conditions (two-phase or multi-phase processes); (iii) build kinetic fitting method for phase volume fraction calculation in welding continuous process for HSLA steel by fitting and solving these superposition equations with/by experimental data and self-consistent correction. Main research contents include confirming nucleation model and growth model of each typical phase in continuous cooling process of HSLA steel; phase kinetics and their validations of phase transformation in continuous cooling process of HSLA steel; establishment, validation and error analysis of kinetic fitting method for phase volume fraction calculation of HSLA steel, etc..The proposed kinetic fitting method is a new method for phase volume fraction calculation, which has not been reported at home and abroad. This method is not only available for HSLA steel, but also applicable for other steels.

研究内容和意义：本项目针对目前金相法和杠杆法（包括扩展杠杆法）在低合金高强钢焊接CCT图建立过程中相体积分数计算的局限性，在相变动力学方程的基础上，提出动力学拟合法：通过确立低合金高强钢连续冷却典型组织的形核模型和长大模型，建立相应相变动力学方程，在此基础上，建立适用于不同冷却条件下（两相或多相过程）的相变动力学叠加方程和相变速率叠加方程，进而通过方程与实际数据的拟合求解与自洽修正，建立适用于低合金高强钢焊接连续冷却相体积分数的计算方法。主要研究内容包括低合金高强钢连续冷却典型组织形核模型和长大模型的确立，低合金高强钢连续冷却典型组织相变动力学方程及验证，低合金高强钢相体积分数计算动力学拟合法的建立、验证及误差分析等。.特色与创新：项目拟建立的动力学拟合法是一种新的相体积分数计算方法，国内外尚未见报道。该方法不仅适用于低合金高强钢，而且对其它钢铁材料具有普遍意义。

针对当前方法解决低合金高强钢焊接连续冷却相体积分数计算问题的局限性，本项目提出新的计算方法，即动力学拟合法。确立了低合金高强钢连续冷却典型组织形核模型和长大模型，研究了典型组织相变动力学方程，进而建立了动力学拟合法并进行了验证。. 基于JMAK理论框架，采用超高温共聚焦显微镜实时观察相变过程，结果表明，板条马氏体适用于连续形核和零维长大模型，下贝氏体适用于连续形核和一维长大模型，上贝氏体适用于连续形核和一维长大模型，粒状贝氏体适用于连续形核和二维长大模型，针状铁素体适用于连续形核和一维长大模型，珠光体适用于瞬间形核和三维长大模型，先析铁素体适用于瞬间形核和三维长大模型。. 通过考虑各类典型组织的转变条件，对相关形核模型与长大模型进行优化，进而建立了各类组织连续冷却相变动力学方程，方程中均只存在一个未知参数：动力学速率因子。通过设计不同焊接热循环并开展热模拟实验，获得组织相变数据，通过动力学方程与相变动力学数据、动力学微分方程与相变速率数据同时的拟合，验证了各类组织动力学方程的适用性。. 基于建立的各类组织相变动力学方程，建立了适用于多相过程的相变动力学叠加方程和相变速率叠加方程，从而在优化的扩展杠杆法的基础上，建立了动力学拟合法，并阐明了其数学原理。通过设计开展热模拟实验，利用获得的多相过程相变数据，通过相变动力学叠加方程与多相过程相变动力学数据、相变速率叠加方程与对应相变速率数据的同时拟合与自洽，计算相体积分数，展示了动力学拟合法的合理性。. 通过设计开展热模拟实验，采用动力学拟合法、扩展杠杆法和（或）金相法分别计算各类组织体积分数，验证了动力学拟合法计算结果的准确性及其优势。. 此外，本项目揭示了板条贝氏体动力学速率因子与原奥氏体晶粒尺寸的定量关系，建立了适用于低合金高强钢焊接过程奥氏体晶粒尺寸计算的模型，为下一步动力学速率因子的定量研究打下基础。