驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速對鑄態(tài)42CrMo鋼環(huán)件熱輾軋微觀組織的影響規(guī)律

郭良剛，潘 霞，楊 合，李永堂，谷瑞杰

(1．西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072;2．太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024;3．中國重型機(jī)械研究院有限公司，陜西 西安 710032)

0 前言

環(huán)類零件鑄輾復(fù)合成形 (見圖1(a))是一種直接利用環(huán)形鑄坯輾軋獲得環(huán)形零件的短流程制造新技術(shù)，與傳統(tǒng)環(huán)件輾軋利用鍛坯軋制成形的工藝 (見圖1(b))流程相比，具有短流程、節(jié)能、節(jié)材、高效、低成本、環(huán)保等技術(shù)優(yōu)勢［1-2］。然而環(huán)形鑄坯材料微觀組織的演變規(guī)律及合理控制是該新技術(shù)發(fā)展面臨的主要瓶頸。圖1為兩種工藝的流程圖對比。

國內(nèi)外學(xué)者采用理論解析、試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法對環(huán)件輾軋工藝的變形控制及優(yōu)化方面開展了大量研究。郭良剛［3-4］等人在ABAQUS環(huán)境下，建立了大型環(huán)件徑軸向軋制的熱力耦合有限元模型，提出了導(dǎo)向輥的柔性控制方法和穩(wěn)定軋制條件。馬義偉［5］等研究了驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速對異形環(huán)件軋制過程及熱力參數(shù)分布的影響規(guī)律，研究表明從環(huán)件金屬軸向收縮、軋制力和溫度分布均勻性考慮，以較低的驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速軋制為宜。在微觀組織演變研究方面，王敏［6-7］將Ti-6Al-4V的微觀組織演變模型通過ABAQUS二次開發(fā)子程序應(yīng)用于大型環(huán)件熱輾軋過程的3D-FE模擬中，研究了微觀組織在成形過程中的演變特征及機(jī)理;許思廣［8］等通過將微觀組織演變模型嵌入熱力耦合三維剛塑性有限元分析程序，對鋼環(huán)件熱輾軋過程進(jìn)行了模擬，得到了環(huán)件變形區(qū)和變形區(qū)外典型截面上的奧氏體晶粒分布及平均晶粒尺寸;歐新哲［9］等預(yù)測了40Cr鋼再結(jié)晶晶粒尺寸和體積分?jǐn)?shù)，揭示了工藝參數(shù)對40Cr鋼環(huán)件熱輾軋過程中奧氏體組織的影響規(guī)律。

然而，環(huán)類零件鑄輾復(fù)合成形微觀組織方面的研究鮮見報道，僅有張峰等［1］研究了芯輥進(jìn)給速度對鑄態(tài)42CrMo鋼環(huán)件熱輾軋過程的微觀組織演化影響規(guī)律。由于驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速是環(huán)件輾軋工藝的關(guān)鍵控制因素之一，它對成形過程的應(yīng)變歷史、應(yīng)變速率及溫度場變化都將產(chǎn)生重要影響，進(jìn)而影響到鑄坯材料鑄態(tài)組織的再結(jié)晶行為及軋制環(huán)件的最終組織狀態(tài)。因此，本文擬基于ABAQUS平臺，建立42CrMo鑄坯環(huán)件熱輾軋的宏微觀有限元模型，模擬揭示環(huán)形鑄坯材料的動態(tài)再結(jié)晶行為，闡明驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速對再結(jié)晶晶粒尺寸及其分布的影響規(guī)律與機(jī)制。

1 宏微觀有限元模型的建立

1.1 環(huán)件熱輾軋宏觀變形有限元預(yù)測模型

圖2給出了環(huán)件熱輾軋過程3D-FE熱力耦合模型。為保證成形過程的穩(wěn)定性及成形件的圓度，模型中導(dǎo)向輥的控制和建模參見文獻(xiàn)［10］。成形過程中環(huán)坯和驅(qū)動輥、芯輥之間的摩擦采用Coulomb摩擦模型，摩擦系數(shù)設(shè)為μ=0.3，忽略導(dǎo)向輥和環(huán)坯的摩擦。環(huán)件熱輾軋過程存在變形、傳熱和微觀組織演變的復(fù)雜交互作用，本文采用“準(zhǔn)耦合”格式分別處理變形、傳熱和微觀組織演變過程的迭代求解［11］，能夠準(zhǔn)確、高效的預(yù)測環(huán)件熱輾軋過程的場量變化規(guī)律。數(shù)值模擬中采用的物理參數(shù)見表1［12］。

圖2 環(huán)件熱輾軋3D-FE熱力耦合模型Fig.2 Coupled thermo-mechanical 3D-FE model for hot ring rolling

通過以上方法，建立了環(huán)件熱輾軋過程宏觀變形預(yù)測的有限元模型，該模型從能量評估、環(huán)坯幾何形狀的演變、輾擴(kuò)力以及溫度場的演變等方面已得到了試驗(yàn)的驗(yàn)證［13］。

表1 物理參數(shù)［12］Table 1 Physical parameters［12］

1.2 鑄態(tài)42CrMo鋼本構(gòu)關(guān)系與微觀組織演變模型

本文基于付甲［14-15］等以Zener-Hollomon參數(shù)描述的唯像本構(gòu)關(guān)系和微觀組織演變模型進(jìn)行了修正，修正后的模型如下所述。

1.2.1 本構(gòu)關(guān)系

1.2.2 微觀組織演變模型

式中，εp為峰值應(yīng)變;d0為初始晶粒尺寸(μm);εc為臨界應(yīng)變;ε0.5為動態(tài)再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)為50%時的應(yīng)變;Xdrex為動態(tài)再結(jié)晶百分?jǐn)?shù);ddrex為動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸 (μm)。

通過采用有限元模擬鑄態(tài)42CrMo鋼熱壓縮過程中動態(tài)再結(jié)晶行為，并與實(shí)際熱壓縮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比較，驗(yàn)證了該組織模型能夠準(zhǔn)確的預(yù)測鑄坯材料在熱變形過程中的組織演變行為［12］。

1.2.3 宏微觀模型的耦合

本文基于ABAQUS軟件平臺，將42CrMo鋼的微觀組織演變模型和率相關(guān)、溫度相關(guān)各向同性硬化彈塑性本構(gòu)模型寫入VUMAT子程序，采用彈性預(yù)估－塑性校正策略和隱式積分算法，計算子程序中每一步的應(yīng)變和應(yīng)變率，而溫度可從主程序中讀取，將這些熱力參數(shù)輸入到微觀組織演化模型中，即可獲得微觀組織參量。利用有限元模擬和圓柱體等溫鐓粗實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對比，驗(yàn)證了該子程序能夠準(zhǔn)確地預(yù)測成形過程中的微觀組織［7］。

2 模擬結(jié)果與討論

2.1 模擬計算條件

(1)環(huán)形鑄坯、驅(qū)動輥和芯輥幾何尺寸見表2，毛坯尺寸設(shè)計方法見相關(guān)文獻(xiàn)［16］;

(2)要轉(zhuǎn)變環(huán)形鑄坯鑄態(tài)組織為鍛態(tài)組織，必須需采用較大的軋比［17］，綜合計算后取軋比m=1.7;

(3)鑄態(tài)42CrMo鋼的完全奧氏體區(qū)域?yàn)?800℃ ～1250℃［14］，故本文選取初始軋制溫度:T=1050℃;

(4)芯輥的進(jìn)給速度為v=1.5 mm/s;驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速取n={3，4，5，7，9}rad/s。

表2 環(huán)形鑄坯及軋輥尺寸Table 2 Geometric dimensions of ring blank and rolls

2.2 鑄坯環(huán)件熱輾軋過程微觀組織演變規(guī)律

2.2.1 動態(tài)再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)

圖3為鑄坯環(huán)件輾軋過程不同時刻鑄坯材料動態(tài)再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)分布云圖，其中自定義變量SDV17代表再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)。由圖可知，初始軋制階段，輥縫局部變形區(qū)首先發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，這是因?yàn)檩氒堖^程中，環(huán)坯首先在輥縫變形區(qū)發(fā)生變形，導(dǎo)致該區(qū)的位錯密度增大，金屬畸變能增大，因而動態(tài)再結(jié)晶驅(qū)動力增大，當(dāng)變形程度達(dá)到動態(tài)再結(jié)晶的臨界應(yīng)變時動態(tài)再結(jié)晶就發(fā)生。隨著軋制過程的進(jìn)行，環(huán)件的變形由局部變形區(qū)演變?yōu)榄h(huán)帶，并不斷向變形量較小的中間層擴(kuò)展，因而動態(tài)再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)由變形區(qū)逐漸擴(kuò)展形成環(huán)帶，并不斷向中間層擴(kuò)展，動態(tài)再結(jié)晶呈現(xiàn)出環(huán)件內(nèi)、外層程度高而中間低的分布特征。

2.2.2 平均晶粒尺寸

平均晶粒尺寸的大小和分布是動態(tài)再結(jié)晶產(chǎn)生的晶粒尺寸和原始晶粒尺寸的綜合反映，最終決定了軋制成形環(huán)件的綜合力學(xué)性能。定義平均晶粒尺寸的計算模型為［9］:

圖4為鑄坯環(huán)件輾軋過程不同時刻鑄坯材料的平均晶粒尺寸分布云圖，其中自定義變量SDV19代表平均晶粒尺寸。由圖可知，在軋制初期，輥縫變形區(qū)首先發(fā)生晶粒細(xì)化，隨著軋制過程的進(jìn)行，平均晶粒尺寸的分布由局部變形區(qū)演變?yōu)榄h(huán)帶，并呈現(xiàn)出鑄坯環(huán)件內(nèi)外層晶粒尺寸細(xì)小而中間層晶粒尺寸粗大的分布規(guī)律。這是因?yàn)閯討B(tài)再結(jié)晶是晶粒細(xì)化的主要機(jī)制之一，動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生的部位會生成細(xì)小的動態(tài)再結(jié)晶晶核。另一方面，由于鑄坯環(huán)件內(nèi)、外層的動態(tài)再結(jié)晶晶核在形成和長大的過程中受到的變形作用較明顯，使該處的奧氏體晶粒出現(xiàn)反復(fù)形核、有限生長的特點(diǎn)［18］。

2.3 驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速對動態(tài)再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)的影響

圖5為不同驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速下成形環(huán)件的動態(tài)再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)分布云圖。從圖中可知，隨著驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速的增加，成形環(huán)件的動態(tài)再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)不斷增大。圖6為不同驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速下，成形環(huán)件沿徑向方向的動態(tài)再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)分布曲線。從圖中可知，驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速增大，環(huán)件沿徑向方向上動態(tài)再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)整體增加。這是因?yàn)殡S著驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速增大，一方面環(huán)坯每轉(zhuǎn)進(jìn)給量減小，變形主要集中在環(huán)坯的表層導(dǎo)致該處的變形熱效應(yīng)增強(qiáng);另一方面，軋制道次增加有利于降低環(huán)形鑄坯和環(huán)境之間的熱交換，二者的綜合效果使得鑄坯環(huán)件整體溫度升高，如圖7所示。而溫度的升高會使鑄態(tài)材料的變形抗力降低，從而增加材料的塑性流動，因此隨著驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速增大，成形環(huán)件沿徑向的等效塑性應(yīng)變值增大，如圖8所示。因此驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速增大，導(dǎo)致溫度升高和變形程度增大，這對動態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生有重要的促進(jìn)作用，最終使動態(tài)再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)增大。

2.4 驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速對平均晶粒尺寸及分布的影響

本文采用公式 (7)來描述平均晶粒尺寸模型，采用晶粒尺寸標(biāo)準(zhǔn)差SDF(公式 (8))來描述動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸分布的非均勻程度。SDF值越大，表示軋制成形環(huán)件晶粒尺寸分布越不均勻。

式中，Xa為環(huán)件上所有單元的平均晶粒尺寸的平均值，即:

其中，N環(huán)件上的所有單元數(shù)，Xi為第i各單元的平均晶粒尺寸。

圖9為不同驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速下成形環(huán)件的平均晶粒尺寸分布云圖。從圖中可知，隨著驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速的增大，軋制成形環(huán)件的平均晶粒尺寸的最大值和最小值都減小。圖10給出了不同驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速下環(huán)件沿徑向的平均晶粒尺寸分布。從圖中可知，驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速增大，成形環(huán)件晶粒整體細(xì)化。圖11為不同驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速下環(huán)件軋制過程中輥縫局部變形區(qū)的最大應(yīng)變速率的變化曲線，可以看出，驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速增大，環(huán)件輥縫局部變形區(qū)的應(yīng)變速率明顯增加。而動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸是由晶粒長大速率和形核率來共同作用的［18］，在高應(yīng)變速率作用下，鑄坯材料的奧氏體中形成了大量的位錯和結(jié)構(gòu)缺陷，形變儲存能增大，為奧氏體再結(jié)晶提供了有利的形核條件，提高了形核率，從而達(dá)到了細(xì)化晶粒的效果，這正是驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速增大，成形環(huán)件晶粒整體細(xì)化的原因和機(jī)理。

圖12給出了驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速對平均晶粒尺寸及其分布均勻性 (SDF)的影響曲線。可以看出，驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速增大，平均晶粒尺寸逐漸減小，但對晶粒分布的均勻性影響不顯著。

圖12 驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速對平均晶粒尺寸及其分布的影響曲線Fig.12 Effect of rotational speed of main roll on average grain size and its distribution uniformity

3 結(jié)論

(1)修正了鑄態(tài)42CrMo鋼動態(tài)再結(jié)晶模型，并通過ABAQUS平臺VUMAT子程序開發(fā)，建立了可靠的42CrMo鑄坯環(huán)件熱輾軋宏微觀有限元模型。

(2)揭示了鑄態(tài)42CrMo鋼環(huán)件熱輾軋過程動態(tài)再結(jié)晶行為，發(fā)現(xiàn)鑄坯材料動態(tài)再結(jié)晶呈環(huán)件內(nèi)、外層程度高而中間層低的分布特征，而晶粒尺寸呈內(nèi)、外層細(xì)化而中間層粗大的分布特征。

(3)隨著驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速增大，鑄坯材料動態(tài)再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)增加，軋制環(huán)件晶粒尺寸減小，而對平均晶粒尺寸分布的均勻性影響不顯著。

［1］ 張峰，李永堂，齊會萍，等．環(huán)形鑄坯熱輾擴(kuò)成形微觀組織演變規(guī)律研究［J］．鍛壓裝備與制造技術(shù)，2011，(2):96－99．

［2］ 張峰，李永堂，齊會萍，等．基于鑄坯的環(huán)件熱輾擴(kuò)過程微觀組織演變研究［J］．鍛壓裝備與制造技術(shù)，2011，(5):98－101．

［3］ Guo L G，Yang H．Key technologies for 3D－ FE modeling of radial－ axial ring rolling Process［J］．Materials Science Forum，2008，(3):575 －578，367－372．

［4］ Guo L G，Yang H．Towards a steady forming condition for radial－axial ring rolling［J］．International Journal of Mechanical Sciences，2011，53(4):286－299．

［5］ 馬義偉，王志宏，劉東，等．GH4169合金異形環(huán)件軋制過程的最優(yōu)主輥轉(zhuǎn)速 ［J］．航空學(xué)報，2011，32(8):1555－1562．

［6］ WANG Min．Comparison of evolution laws of stress and strain fields in hot rolling of titanium alloy large rings with different sizes［J］．Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2011(21):1611－1619．

［7］ 王敏，楊合，郭良剛，等．基于3D－FE的大型鈦環(huán)熱輾擴(kuò)過程微觀組織演變仿真［J］．塑性工程學(xué)報，2008，15(6):76－80．

［8］ S．G．Xu，Q．X．Cao．Numerical simulation of the microstructure in the ring rolling of hot steel［J］．Journal of Materials Processing Technology．1994．43(4):221－235．

［9］ 歐新哲．金屬環(huán)件熱輾擴(kuò)宏微觀變形三維熱力耦合有限元分析 ［D］．西安:西北工業(yè)大學(xué)碩士論文．2007．

［10］ WANG Min，Yang He，SUN Zhichao，et al．Dynamic explicit FE modeling of hot ring rolling process［J］．Transactions of Nonferrous Metals Society of China．2006，16(6):1274－1280．

［11］ 劉君，劉郁麗，楊合，等．基于多場耦合分析的TC4葉片精鍛成形的微觀組織模擬 ［J］．塑性工程學(xué)報．2007，14(4):64－68．

［12］ 付甲，李永堂，齊會萍．壓下量對鑄態(tài)42CrMo鋼動態(tài)再結(jié)晶的影響研究 ［J］．CNET鍛壓裝備與制造技術(shù)．2011，(2):96－99．

［13］ WANG Min，Yang He，SUN Zhichao，et al．Analysis of coupled mechanical and thermal behaviors in hot rolling of large rings of titanium alloy using 3D dynamic explicit FEM ［J］．Journal of materials processing technology．2009，209(24):3384－3395．

［14］ 付甲，李永堂．鑄態(tài)42CrMo鋼本構(gòu)方程與微觀組織的研究［A］．第七屆華北 (擴(kuò)大)塑性加工學(xué)術(shù)年會文集 ［C］．太原: ［出版者不詳］，2010．

［15］ 付甲，李永堂．鑄態(tài)42CrMo鋼熱壓縮變形動態(tài)軟化行為研究［A］．第七屆華北 (擴(kuò)大)塑性加工學(xué)術(shù)年會文集［C］．太原:2010．

［16］ 郭良剛，楊合，金堅誠．環(huán)件徑軸向軋制毛坯尺寸設(shè)計方法 ［J］．機(jī)械工程學(xué)報．2010，46(24):1－8．

［17］ 劉振康．熱加工工藝學(xué) ［M］．機(jī)械工業(yè)出版社，1990．

［18］ 劉智恩．材料科學(xué)基礎(chǔ) ［M］．西北工業(yè)大學(xué)出版社，2007．