文章编号：１６７２—０１２１（２０１１）０２—０１０７—０３ 压下量对铸态４２ＣｒＭｏ钢动态再结晶的影响研究 付甲。李永堂。齐会萍 （太原科技大学材料科学与工程学院，山西太原０３００２４） 摘要：运用刚粘塑性有限元Ｄｅｆｏｒｍ软件和热力耦合方法对铸态４２ＣｒＭｏ钢热压缩过程中动态再结晶行 为进行了研究，得到了热压缩过程中动态再结晶百分数分布规律。模拟发现再结晶晶粒细化区主要分布在心 部大变形区和接触边缘区域，鼓部外圈仍为粗晶区。通过金相观察法验证了模拟的正确性。 关键词：材料实验；动态再结晶；铸态４２ＣｒＭｏ钢；数值模拟 中图分类号：ＴＢ３３３ 文献标识码：Ａ １前言 匀且各向同性，体积不可压缩；⑤材料的变形流动服 从Ｌｅｖｙ—Ｍｉｓｅｓ流动理论。在上述假设下，通过建立 材料模型、动态再结晶模型和简化热力耦合模型，运 ４２ＣｒＭｏ钢作为一种常用的中碳合金钢被广泛 应用于制造强度要求较高或调质截面大的大锻件［１Ｊ， 其热变形成形机理被人们广泛关注。对于锻态 ４２ＣｒＭｏ钢的研究大都是锻钢的热处理相变和组织 的细化机理研究『２Ｉ３】，尚未有铸态４２ＣｒＭｏ钢动态再 用Ｄｅ￣ｒｍ有限元软件模拟动态再结晶分布情况。 ２．１模型描述 材料热物理及高温性能数据的一般获得途径 结晶的报道。随着模拟技术和铸轧工艺的发展，铸态 ４２ＣｒＭｏ钢能否通过单道次轧制获得锻造改性，已成 为一些学者的研究方向，其中对于热变形过程中各 部位的应力和应变的分布情况是多数学者所关注 的。对于热变形过程中工艺参数对其微观组织的影 响规律的研究，通常可由热模拟实验通过回归分析 是：通用材料查表，特殊材料用户提供，无法实验获 得的高温数据采用外推法同。对于铸态４２ＣｒＭｏ钢， 其热物理性能参数如表１所示。 表１ ４２ＣｒＭｏ热物理性能参数『７ ｌ物理性能参数 密度／（ｋｇ・ＩＴＩ。） ２ｏ０℃ ４０ｏ℃ ６０ｏ℃ ８ｏ０℃ ｌＯ０ｏ℃ １２ｏ０℃ ７６９０ ７６７０ ７６６０ ７６４０ ７６３５ ７６２０ 得到微观组织的数学模型，结合数值模拟的方法得 到．４’５Ｊ。通过Ｇｌｅｅｂｌｅ热模拟实验将所得动态再结晶 模型导入Ｄｅ￣ｒｍ有限元软件，从而建立组织演变和 传热过程的耦合模型，模拟得到在不同压下量下的 热变形过程动态再结晶分布情况，这些对于铸态 热焓／（ｋＪ・ｋｇ ） ７０ ｌ９５ ０．６ｌ ２９５ ５８０ ６３０ ７９５ ０．６６ 比热／（ｋＪ‘ｋｇ Ｋ ） Ｏ．５２ ０．７５ ０．９６ Ｏ．６５ 热导率，（Ｗ・ｒｆｌ Ｋ ） ４９ ４２ ３５ ２６ ２８ ３０ 将上述参数导人Ｄｅ￣ｒｍ软件前处理Ｍａｔｅｒｉａｌ 窗口中，保存并建立材料模型。 通过Ｇｌｅｅｂｌｅ单道次压缩实验对实验数据进行 ４２ＣｒＭｏ钢开坯时最佳锻比的确定，以及铸轧复合工 艺的研究。具有十分重要的意义。 线性回归分析，可得铸态４２ＣｒＭｏ钢动态再结晶模 型【８，９Ｉ： ２铸态４２ＣｒＭｏ钢热压缩过程数值模拟 金属热变形中塑性流动过程是非常复杂的，模 矗 ＝１．４５５×１Ｏ ｄ０ １８７５×１０－＝ｄ￣ ：３＿７３６×１０ －０ 。ｅｘｐ［－１２９６３／（ＲＴ）】 ｏ－ＯＺＴｅｘｐ（ ｏ．ｘ３￣ｔｅｘｐ（ ） ） 拟时可作基本假设如下：①摩擦系数不发生变化为 一固定值；②变形过程中工件温度基本保持不变，不 会因为变形功发生变化；③假设模具为完全刚性体， 工件为完全塑性体，弹性变形忽略不计；④材料是均 －一ｐ『＿０＿８（ ：０．８ ）］ 基金项目：国家自然科学基金项目（５１０７５２９０）；山西省科技攻关项 目（２０ｌ００３２１Ｏ８３） 式中： ——峰值Ｊ立力； ｓ ——临界应变； 收稿日期：２０１１—０１—１９ 作者简介：付甲（１９８５一），男，硕士在读，主攻先进制造技术研究 卜热力学温度； Ｒ——气体常数； ５——发生５０％动态再结晶的应变； ｄ 一初始晶粒尺寸； ｄ。 一动态再结晶晶粒尺寸； 厂一动态再结晶百分数。 将上述模型导人Ｄｅｆｏｒｍ软件前处理窗口中，为 模拟其热变形动态再结晶作好准备。 ２．２边界条件 热压缩变形发生动态再结晶过程是十分复杂 的，在进行数值模拟时有必要把塑性变形、传热和微 观组织演变的交互作用进行耦合分析。马琳伟等人 对比发现使用热力耦合计算方法来模拟可使结果变 得更为精确㈣。在耦合分析时采用“准耦合”的格式 分别处理变形、传热和微观组织演变过程的求解【１ｌ】。 建立宏微观热力耦合有限元模型见图１。设置 上下模材料均为Ｈ１３钢，其热导率为２８．６Ｎ／（ｆｌ，・ｏＣ）， 热容为３．５７４Ｎ／（ｉＴｌｍ ・℃）【ｌ２】。热压缩材料为４２ＣｒＭｏ 钢，网格数为４００００个，压缩前温度为１０５０￣（；，外界 环境温度为２５￣Ｃ，模具初始温度为３００￣Ｃ。试样与环 境的热对流系数为０．０２１１Ｎ／（ｓ・ＩＴＩＩＴＩ・℃）。 图１宏微观热力耦合有限元模型 ２．３数值模拟结果 运用Ｄｅｆｏｒｍ软件模拟铸态４２ＣｒＭｏ钢在 １０５０￣Ｃ、ｌｓ一，压下量分别为０．１、０．３、０．４５、０．７时的动 态再结晶百分数图，如图２所示。 ”” …一一…一 …… 一 目 图２不同变形量下的动态再结晶百分数 由图可知，动态再结晶首先在心部大变形区发 生，然后向径向＃ｔ－． ￣ｌ缘区域延伸。在变形初期，压下 率为１０％时并未发生动态再结晶；当压下率大于一 临界值时出现动态再结晶；随着变形量增加，动态再 结晶百分数增大，最终达到最大值。在变形量约 ３０％时，动态再结晶百分数约为２０％，变形量为４５％ 时，对应值为３５％。在变形量为７０％时，动态再结晶 百分数高达９０％。若继续增大压下量，使得动态软 化现象不断明显直至完全发生动态再结晶，此时，晶 粒尺寸最为细小。 ３单道次热压缩实验 实验材料为铸态４２ＣｒＭｏ钢，其成分见表２。 表２铸态４２ＣｒＭｏ钢的化学成分／％ Ｃ Ｓｉ Ｍｎ Ｐ Ｃｒ Ｍｏ Ｓ ０．４６ Ｏ．２８ Ｏ．７２ ０．Ｏｌ２ １．１３ Ｏ．２２ Ｏ．ｏｏ７ ３．１实验条件 在Ｇｌｅｅｂｌｅ一１５００热模拟机上进行单道次压缩， 采用￣Ｓｍｍ￣１２ｒａｍ试样。变形条件为１０５０￣Ｃ、ｌｓ～、变 形量分别为０．１、０．３、０．４５、０．７，热压缩完成后立即进 行水淬。将变形试样采用４％酒精浸蚀，用 Ｑｕａｎｔｉｍｅｔ一５００型自动图像分析仪定量测定试样再 结晶体积分数『ｌ３Ｊ。 圆柱体压缩时。试样变形区按照传统理论可分 为：Ｉ难变形区、Ⅱ大变形区、Ⅲ自由变形区三个区 域，如图３ａ所示。Ｉ区也称粘着区，变形量最小，自 由变形区变形量次之，中心区即Ⅱ区其变形量最大。 将各变形区取样观察进行金相分析，变形试样的取 样位置如图３ｂ所示。 ～－．－．．．１ 上一－．． ： ｊ Ｉ：难变形区 Ⅱ Ⅱ ： Ⅱ：大变形区 Ⅲ：小变形区 一 ，．ｆ １～～．．‘ （ａ）试样变形区 （ｂ）试样取样位置 图３热压缩试样变形及取样 ３．２实验结果 对上述变形试样进行轴向切除，取大变形区中 心位置（位置点⑤）处，如图３ｂ所示，观察其金相组 织。不同压下量下的显微组织如图４所示。 由图４可知，当变形量达到０．３￣，－ｊ－，出现软化特 征，说明动态再结晶已开始启动。随着变形量的增 加，晶粒逐渐破碎，当变形量达到０．４５时，晶粒细化 且等轴化，有利于塑性变形。当变形继续增大到０．７ 时，内部畸变能增高，晶粒被局部拉伸晶界尖角现象 明显，此时，若再继续变形，就可能会产生微裂纹等 （２）当压下率为１０％，未观察到再结晶。在压下 率为３０％、４５％、７０％时，对应再结晶百分数分别为 ２０％、３５％、９０％。继续变形（变形量约７５％）时可完 全发生动态再再结晶。 （３）试样各部位的动态再结晶百分数分布不均 （ａ） 】０５０℃，ｅ＝０．１， ＝０．１ （ｂ）丁＿．１０５０℃， ＝Ｏ．３， ＝Ｏ．１ 匀，心部大变形区动态再结晶最多，晶粒最细。在 ｌ０５０ｉｆ：、ｌｓ一１下，变形量为０．４５时测得大变形细晶区 平均尺寸为２５．６１ｘｍ，接近锻态组织水平。 【参考文献】 ［１］李春胜，黄德彬．金属材料手册 ］．北京：化学工业出版社，２００４． ［２］赵莉萍，刘宗昌，杨慧，冯佃臣．４２ＣｒＭｏ钢的贝氏体组织转变『ＪＪ． （ｅ）７－－１０５０℃。 ＝Ｏ．４５． ＝Ｏ．１ 【ｄ）７ｌ＿１０５０ ， ＝Ｏ．７． ：Ｏ．１ 特殊钢，２００４，４（２５）：２１－２５． 图４不同变形量下的显微组织演变 【３］蔺永诚，陈明松，钟掘，等．形变温度对４２ＣｒＭｏ钢塑性成形与 动态再结晶的影响ｌＪＩ．材料热处理学报，２００９，ｌ（３０）：７０—７４． ［４］张斌，李波，张鸿冰．３５ＣｒＭｏ钢动态再结晶过程数值模拟与试 验研究『ＪＩｌ锻压技术，２００４，２９（６）：３６—３９． 缺陷。 ３．３模拟与实验对比分析 利用自动图像分析仪分析金相图中再结晶百分 数，测量对应图４变形量为０３、０．４５和０．７时对应 ｆ５１刘建生，王仲仁，卢志永．曲轴ＲＲ镦锻成形的数值模拟与缺陷 预测『Ｊ］．中囝机械工程，２００１，１２（４）：４２９—４３２． 动态再结晶百分数分别为２ｌ％、３７％和９２％。将热压 缩变形过程模拟动态再结晶百分数和实验测量值进 行比较并计算相对误差，如表３所示。 表３动态再结晶百分数模拟数据与试验数据对比 ｌＯ％ ３Ｏ％ ４５％ ７０％ ｆ６］孙慕荣，胡立平，倪利勇，等．大型锻件锻造加工中有限元软件技 术进展ＩＪ１．锻压装备与制造技术，２００４，３９（４）：８３—８６． ［７］袁有录，曾大新，董艺，林月军，等．４２ＣｒＭｏ复杂铸钢件熔模精 铸过程数值模拟及试验研究『ＪＪ．铸造．２００８，５７（５）：４７３—４７６． ｆ８１付甲，李永堂，齐会萍．３０ＣｒＳｉＭｏＶＡ热压缩流变行为与微观组 织的研究．热加工１［艺．２０１０，３９（２２）：６２—６５． 压下量 模拟值 实验值 相对误差 Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ－２ Ｏ．２１ ４．７６％ ０＿３５ ０．３７ ５Ｊ４１％ ０．９ Ｏ．９２ ２．１７％ 『９】付甲，李永堂．铸态４２ＣｒＭｏ钢热压缩变形动态软化行为研究． 第七届华北（扩大）塑性加工学术年会文集，２０１０－０８ ［１０］马琳伟，孙乐民，张巧芳，等．数值模拟在锻造成形中的应用．锻 压装备与制造技术．２００３，３８（６）：９—１３． 【１１］刘君，刘郁丽，杨合．基于多场耦合分析的ＴＣ４叶片精锻成 形的微观组织模拟ｌＪｌ＿塑性工程学报，２００７，１４（４）：６４—６７． 由表３可见，模拟数据相对于实验值是较准确 的，有限元模拟中的动态再结晶模型用于研究不同 压下量下的动态再结晶的影响规律，对于实际热变 形工艺具有一定的指导意义。 ［Ｉ２］周杰，骆刚，权国政．基于热力耦合的４２ＣｒＭｏ曲轴预成形 ４结论 动态再结晶模拟分析『ＪＩｌ金属铸锻焊技术２００９，２３（３８）：２３—２６． （１）在热变形过程中试样心部：犬变形区域首先 发生动态再结晶，后逐渐向外圈扩展。 『１３１刘东，罗子健．ＧＨ４１６９合金热加工过程中的显微组织演化数 学模型Ｉｊ１．中国有色金属学报，２００３，１ ３（５）：２１ １ １－１２１８． Ａｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｄｅｇｒｅｅ ｏｎ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ＺＧ４２ＣｒＭｏ Ｓｔｅｅｌ ＦＵ Ｊｉａ，ＬＩ Ｙｏｎｇｔａｎｇ，ＱＩ Ｈｕｉｐｉｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔａｉｙｕａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｔｅｓｔｅｄ ａｒｉｄ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ａｎａｌ
