Abstract The objective of this study is developing a thermo-metallurgical-mechanical finite element (FE) model incorporating the effect of solid-state phase transformation (SSPT) to accurately simulate deformations for single bead-on-plate welding of an ultra-high strength carbon steel. Comprehensive phase transformation modeling including both diffusive and diffusionless (displacive) transformation kinetics, was performed and the effect of SSPT on welding-induced deformations was investigated. Modelling the heat source and thermal boundary conditions were accomplished in the ABAQUS user subroutines, the former based on the Goldak’s double ellipsoidal heat source model. An ABAQUS user subroutine was developed in which kinetics of diffusive and diffusionless transformations based on Machnienko model and Koistinen-Marburger formula, respectively, were implemented. Modification of strains due to volumetric change as a result of SSPT was accomplished using an ABAQUS user-defined subroutine. A comparison between the temperature histories from thermal simulations (with isotropic as well as anisotropic conductivities) and measurement with thermocouples shows that much better verification with experiments can be obtained when anisotropic conductivity is applied. From the results of the mechanical simulations (with and without considering the effect of SSPT) and comparison with measured deformations, it is observable that more accurate prediction of welding-induced angular and bending distortions is possible when the effect of SSPT is incorporated for the material under investigation.

中文翻译：

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超高强度钢 S960 MC 焊接变形的有限元模拟，包括综合热和固态相变模型

摘要 本研究的目的是开发一种结合固态相变 (SSPT) 效应的热-冶金-机械有限元 (FE) 模型，以准确模拟超高强度单珠板焊接的变形。碳素钢。进行了包括扩散和无扩散（位移）相变动力学在内的综合相变建模，并研究了 SSPT 对焊接引起的变形的影响。热源和热边界条件的建模在 ABAQUS 用户子程序中完成，前者基于 Goldak 的双椭球热源模型。开发了一个 ABAQUS 用户子程序，其中分别基于 Machnienko 模型和 Koistinen-Marburger 公式的扩散和非扩散转换动力学，被实施。使用 ABAQUS 用户定义的子程序完成由于 SSPT 导致的体积变化而导致的应变修改。来自热模拟（具有各向同性和各向异性电导率）的温度历史与使用热电偶的测量之间的比较表明，当应用各向异性电导率时，可以获得更好的实验验证。从机械模拟的结果（考虑和不考虑 SSPT 的影响）以及与测量变形的比较，可以观察到，当将 SSPT 的影响纳入材料时，可以更准确地预测焊接引起的角度和弯曲变形在调查中。使用 ABAQUS 用户定义的子程序完成由于 SSPT 导致的体积变化而导致的应变修改。来自热模拟（具有各向同性和各向异性电导率）的温度历史与使用热电偶的测量之间的比较表明，当应用各向异性电导率时，可以获得更好的实验验证。从机械模拟的结果（考虑和不考虑 SSPT 的影响）以及与测量变形的比较，可以观察到，当将 SSPT 的影响纳入材料时，可以更准确地预测焊接引起的角度和弯曲变形在调查中。使用 ABAQUS 用户定义的子程序完成由于 SSPT 导致的体积变化而导致的应变修改。来自热模拟（具有各向同性和各向异性电导率）的温度历史与使用热电偶的测量之间的比较表明，当应用各向异性电导率时，可以获得更好的实验验证。从机械模拟的结果（考虑和不考虑 SSPT 的影响）以及与测量变形的比较，可以观察到，当将 SSPT 的影响纳入材料时，可以更准确地预测焊接引起的角度和弯曲变形在调查中。来自热模拟（具有各向同性和各向异性电导率）的温度历史与使用热电偶的测量之间的比较表明，当应用各向异性电导率时，可以获得更好的实验验证。从机械模拟的结果（考虑和不考虑 SSPT 的影响）以及与测量变形的比较，可以观察到，当将 SSPT 的影响纳入材料时，可以更准确地预测焊接引起的角度和弯曲变形在调查中。来自热模拟（具有各向同性和各向异性电导率）的温度历史与使用热电偶的测量之间的比较表明，当应用各向异性电导率时，可以获得更好的实验验证。从机械模拟的结果（考虑和不考虑 SSPT 的影响）以及与测量变形的比较，可以观察到，当将 SSPT 的影响纳入材料时，可以更准确地预测焊接引起的角度和弯曲变形在调查中。