支承輥微觀組織的模擬研究

栗文鋒 曹 明(天津重型裝備工程研究有限公司，天津 300457)

本文分別對支承輥生產過程中的鐓粗、KD法和WHF法拔長過程進行模擬。運用元胞自動機法，通過Deform-3D軟件中的Microstructure模塊分析變形過程中支承輥內部組織再結晶及晶粒長大微觀組織演變規(guī)律。通過比較不同鍛造方法壓實后鍛件內部應力、應變、位錯密度等因素對鍛件微觀組織演化的影響，進而為工藝方法的選取、制定提供理論及參考依據。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

實驗材料是我公司為支承輥開發(fā)的5%Cr鍛鋼材質?；瘜W成分如表1所示。

表1 5%Cr鍛鋼的化學成分 (質量分數，%)Table 1 Chemical compositions of 5%Cr forged steel (mass fraction,%)

1.2 工藝參數的確定

選用我公司76 t錠型的鋼錠，采用雙真空冶煉。鍛造工藝為：鐓粗H=1 300 mm×?2 600 mm，WHF法和KD法拔長至?2 000 mm。圖1所示為在鐓粗和拔長過程中取點的位置。

圖1 取點位置Figure 1 Sampling position

模擬參數如下：鍛造溫度為1 250℃，環(huán)境溫度為20℃，傳熱系數為5 kW/(m2·℃)。在熱變形時，摩擦因子取0.4。壓下速度均為15 mm/s，邊部的初始晶粒度設為100 μm，心部的初始晶粒度設為150 μm。鐓粗采用上專用鐓粗板和下專用鐓粗漏盤。KD法、WHF法分別采用我公司專用上下V砧及上下寬平砧。位錯密度采用修正的Laasroui-Jonas模型[4]，公式如下：

dρ=(hIRrρi)dε

h=h0(ε·ε·0)mexp(mQRT)

(1)

r=r0(ε·ε·0)-mexp(-mQRT)

以上關系模型中：dρi為位錯密度微分；ε·0是應變率修正常數，取0.9；h0為硬化作用修正常數，取0.007 5；r0為材料軟化修正常數，取2 100；m為硬化敏感系數，取0.17；Q為激活能，取234 000；R為氣體常數。

2 模擬結果分析

2.1 鐓粗結果分析

圖2為在鐓粗過程中等效應力、等效應變的變化曲線。從圖2可以看出，隨著鐓粗的進行，等效應變逐漸增加，在鐓粗結束時達到最大。等效應力先增加，到最大值28.6 MPa后，逐漸下降，隨后又有所升高。說明在鐓粗過程中材料處于加工硬化和軟化機制的共同作用下。

圖2 鐓粗過程中P1點的等效應力、應變曲線Figure 2 The effective stress and strain curves of P1 during upsetting process

圖3為P1點在鐓粗過程中的晶粒變化情況。由圖3(a)可看出，在初始狀態(tài)下，設置的初始晶粒度默認晶粒尺寸為1。圖3(b)、圖3(c)為高溫變形過程中晶粒迅速長大情況。從圖3(b)可以看出，平均晶粒大小已為初始晶粒大小的3.59倍。在圖3(c)中平均晶粒大小為初始晶粒尺寸的8.96倍，晶粒在高溫狀態(tài)下迅速長大。由圖3(d)可知，在鐓粗結束時，晶粒大小為初始晶粒大小的4.02倍。P1點在鐓粗過程中晶粒先長大，到鐓粗結束時，平均晶粒尺寸下降。這是因為在鐓粗變形初期，晶粒在高溫狀態(tài)下迅速長大，隨著變形量的加大，新晶核在晶界處形成，在鍛件內部發(fā)生再結晶。圖2中等效應力并未隨著等效應變的增加而增加，而是達到最大值后有所下降，說明在變形過程中發(fā)生了再結晶，起到了軟化作用[5]。

2.2 拔長結果分析

圖4為KD法和WHF法拔長過程中心部P1點的等效應力、應變曲線。從圖4(a)可以看出，兩種方法拔長過程中，等效應變隨著拔長的進行逐漸增加，拔長結束時等效應變值分別為 2.79和2.54，KD法要大于WHF法。圖4(b)為等效應力的曲線，可以看出，等效應力在前幾個道次急劇增加，在最后一個道次逐漸達到一定值后趨于平穩(wěn)，KD法的等效應力高于WHF法。

圖3 鐓粗過程中P1點的晶粒變化Figure 3 Grain variation of P1during upsetting process

圖4 KD法和WHF法拔長過程中P1點的等效應力、等效應變Figure 4 The effective stress and strain of P1 during KD and WHF stretching processes

圖5 KD法和WHF法在拔長過程中晶粒大小的比較Figure 5 The comparison of grain sizes during KD and WHF stretching processes

圖6 KD法和WHF法拔長過程中的位錯密度與再結晶Figure 6 Dislocation densities and recrystallization during KD and WHF stretching processes

圖5為KD法和WHF法在拔長過程中晶粒長大情況比較。圖5(a)是邊部P2點晶粒的長大情況，可以看出，晶粒尺寸有增大也有減小。這是因為在拔長過程中，隨著應變量的增大位錯密度也逐漸上升，當位錯密度增加到一定程度達到飽和狀態(tài)時，將促使再結晶新晶核的形成，從而使平均晶粒度下降。新晶核在高溫下會迅速長大，這又使得平均晶粒度上升。最終KD法的平均晶粒度為初始晶粒的2.12倍，而WHF法鍛造結束時，平均晶粒度為初始晶粒度的2.64倍?？梢奒D法拔長后的晶粒要比WHF法細小，并且拔長效率也比WHF法要高。圖5(b)為心部P2點晶粒度比較。最終，KD法心部的晶粒度為初始的4.51倍，而WHF法為初始的5.15倍，KD法也優(yōu)于WHF法。

圖6為KD法和WHF法拔長過程中P1點及P2點的位錯密度與再結晶。圖6(a)和圖6(b)所示為KD法拔長后邊部及心部的位錯密度和再結晶。圖6(c)和圖6(d)所示為WHF法拔長后邊部及心部的位錯密度和再結晶?？梢钥闯?，KD法拔長后邊部和心部的位錯密度都比WHF法要大。這是因為在拔長過程中，相比較于WHF法，KD法拔長產生了更大的應力和應變。在這種大應力和應變的作用下，工件的位錯密度也會逐漸增大，從而促進新晶粒的形核。位錯密度不斷地經歷增加、釋放的循環(huán)周期，同時晶粒不斷經歷形核、晶粒長大的過程。在整個過程中，應力和應變對于消除原始的鑄態(tài)組織、焊合空洞以及晶粒度的改善都起到了重要作用[6]。

3 結論

(1)在鐓粗過程中晶粒先長大，隨著鐓粗的進行，在鍛件內部發(fā)生再結晶，平均晶粒尺寸有所下降。在鐓粗過程結束時，晶粒大小為初始晶粒大小的4.02倍。

(2)通過KD法和WHF法拔長過程模擬，發(fā)現KD法拔長時，工件內部應力、應變均大于WHF法拔長，且KD法拔長工件內部的晶粒尺寸明顯優(yōu)于WHF法。比較兩種拔長方法，鍛造工藝選用KD法更為合適。

[1] 曾志明，金泉林，張艷姝，等．金屬熱變形過程中的微觀組織預測.中國材料研討會.北京機電研究所. 2002.

[2] 趙俊偉，陳學文，史宇麟，等．大型鍛件鍛造工藝及缺陷控制技術的研究現狀及發(fā)展趨勢[J]．鍛壓裝備與制造技術，2009(4)．

[3] 鄧冬梅.大型鍛件鍛造新理論與新工藝的數值模擬[D].秦皇島:燕山大學碩士學位論文，2000．

[4] S.Gourdet, F.Montheillet. A model of continuous dynamic recrystallization[J].Acta Materialia,2003，51(1):2685-2699．

[5] 賈薇．大型鍛件鐓粗工藝理論的研究[J]．大型鑄鍛件，2005，(2)：4-5．

[6] 曾志朋.DEFORM軟件的二次開發(fā)與大型鍛件鍛造工藝優(yōu)化[D]．北京機電研究所碩士學位論文．2002.