X65管线厚板控冷过程的热力耦合计算与翘曲分析

　　控制冷却是X65管线厚板的常见热处理工艺[1-3],但产生的较大残余应力和翘曲难以彻底消除[4-7],该工艺有待改进.精确掌握X65管线厚板控冷时的温度、应力和应变的演变是合理制定控冷工艺的前提.与X射线等检测技术不同,基于有限元法的数值分析可对X65管线厚板控冷时的温度、应力和应变进行连续而整体的分析.鉴于目前的相关模型并没有全面考虑相变潜热、相变膨胀、相变诱导塑性(TRIP)效应等机制,本研究首先开发了线性混合热膨胀模型和拓展了Avrami相变动力学模型[8],然后基于上述两种模型和Leblond相变诱导塑性模型[9]开发了用于分析该板控冷时的热力耦合有限元模型,并利用o¨AD项目合作方的Abaqus软件对X65管线厚板从860℃控冷至低温进行了计算,定量研究了相变潜热、相变诱导塑性对温度、残余应力的影响,分析了3种不同控冷工艺下X65管线厚板的翘曲.

　　1　模型的开发

　　1.1　相变动力学模型

　　X65管线厚板控冷时因发生奥氏体-针状铁素体(由非等轴块状铁素体、粒状铁素体和少量贝氏体等亚结构组成的混合组织[10])相变而诱发相变潜热、相变膨胀和TRIP效应,进而对板的温度、应变和应力产生重要影响,故相变动力学成为计算控冷过程的关键.本研究使用X65管线厚板控冷时的动态CCT曲线拓展了Avrami相变动力学模型[8],并用该模型描述控冷时的相变行为

　　式中:ξ为针状铁素体的体积分数,满足0≤ξ≤1;n(θ)=2.0+0.26[tstart(θ)+5]^0.60为瞬时冷却速率函数;g(ξ)=3.5×e[1.5×tstart(ξ)]为纠正系数;,θ为当前温度,尽管Ac3受化学成分、轧制工艺影响,但本项目的生产工艺和材料已确定,故Ac3取合作方提供的886℃;t为时间.

　　式中:NS为判断奥氏体-针状铁素体相变是否发生的临界值.利用Abaqus建模[11]时,N被定义为场变量,用NS和NF分别界定相变的开始和结束,各参数值见表1.

　　1.2　相变潜热模型

　　上述奥氏体-针状铁素体相变过程释放的潜热直接影响到X65管线厚板的温度,并间接影响应力和应变,使用焓差法[11]对相变潜热处理如下

　　式中:qtrans为相变潜热;HA→F为相变焓, A为奥氏体, F为针状铁素体;ρ为密度,各参数值见表1.

　　1.3　热学模型

　　X65管线厚板控冷时,传热条件较复杂,存在辐射、对流和传导多种传热形式.

　　1.3.1　热传导方程

　　本研究采用二维傅里叶偏微分热传导方程[11]考虑X65管线厚板控冷时的热传导作用

　　式中:ζ为奥氏体或针状铁素体的热传导系数;qc为传导热流;Cp为奥氏体或针状铁素体的等压比热容.相关参数见表2.