固态相变对10Ni5CrMoV钢焊接残余应力的影响

10Ni5CrMoV钢是国内研制的船用高强度低合金钢，屈服强度大于785MPａ，平均值在850MPa以上，在船舶工业中获得了广泛应用。高强钢在焊接热循环中，发生一系列固态相变过程，一般认为，当固态相变温度区间位于“力学熔点”之上时，在焊接残余应力的数值模拟中将相变过程忽略不会对计算结果产生较大影响。但对于10Ni5CrMoV钢而言，马氏体相变温度较低，即发生马氏体相变时材料已经恢复强度，进行焊接残余应力的数值模拟有必要考虑固态相变效应。研究认为固态相变效应主要表现为相变过程中晶格结构变化引起的体积变化和屈服强度“滞后”现象。

一些研究在考虑固态相变体积变化时，根据相变前后晶格结构间的差异来计算体积变化量，这种做法看似存在理论依据，但是相变过程中的体积变化受到多种因素的影响，体积变化量与相变前后不同组织对应晶格尺寸的差异值并不相等，因此，使用试验测试固态相变体积变化量的方法更为准确。

哈尔滨工业大学的研究者们通过热膨胀试验测试相变参数，建立固态相变的数学模型，开展了考虑固态相变效应的10Ni5CrMoV钢焊接热-力耦合分析。采用Fortran语言开发考虑固态相变效应的焊接子程序，使用ABAQUS计算10Ni5CrMoV钢的焊接残余应力，并采用盲孔发测试残余应力，验证相变模型的精度。

焊接试板为10Ni5CrMoV钢板，尺寸为370mm×180mm×10mm，焊接方法为“自熔TIG焊”，即使用TIG焊枪试板中心线加热。焊接电流为220A，电弧电压为20V，钨极直径为4mm，焊接速度为2mm/s，采用纯氩气保护，气体流量为15L/min。试验结果表明：

（1）根据10Ni5CrMoV钢在特定焊接热循环下的热膨胀曲线，分别建立的Kamamoto模型和K-M方程，能够计算奥氏体与马氏体的转变量。

（2）考虑固态相变效应后，相变区域的纵向拉应力大幅度降低，相变区域相邻位置拉应力仍然较高；横向应力的分布状态变化明显，时间上表面焊缝区域由压应力变为拉应力，焊缝附近由拉应力变为压应力，但应力峰值变化较小，约为室温屈服强度的25%。

（3）焊接残余应力的测试结果与考虑固态相变效应的数值模拟结果相吻合，验证了10Ni5CrMoV钢考虑固态相变效应的必要性和固态相变模型的准确性。