（机械工程专业论文）f35mnvn钢热锻造过程中微观组织演化模型及数值模拟研究.pdf

青岛理工大学工程硕士( 全日制) 学位论文 摘要 非调质钢在我国有非常广泛的应用前景，特别是在汽车行业。主要是因为非调质 钢在生产过程中减少了高能耗的热处理，节能减排等经济技术特点。然而在实际生 产过程当中，很容易出现由于非调质钢强度硬度过高而导致塑性、韧性差的现象。所 以为了得到力学性能较好的非调质钢，需要对其生产过程的热加工工艺参数和非调质 钢热变形过程中的微观组织演变进行研究。 本文选取热锻用材料f 3 5 m n v n 作为研究对象，将f 3 5 m n v n 试样在g l e e b l e 3 8 0 0 热模拟实验机上进行热压缩实验，得到其真应力一应变曲线，f 3 5 m n v n 钢在高温下 的流动应力曲线具有典型的动态再结晶特征，针对流动应力随变形而变化的两个阶 段，将材料的流动应力曲线分成加工硬化动态回复阶段和动态再结晶阶段，建立模 型时借助z e n e r h o l l o m o n 参数建立各个特征变量的数学表达式，确立该材料的高温流 动应力模型。 通过单道次压缩实验，对获得的流动应力应变曲线进行分析，确定该种材料的 动态再结晶分数模型，对试样进行定量的金相实验和分析，测量出f 3 5 m n v n 钢在不 同变形条件下的动态再结晶晶粒尺寸，借助z e n e r - h o l l o m o n 参数建立动态再结晶晶粒 尺寸模型。通过双道次压缩试验，对获得的流动应力应变曲线进行分析，借助a v r a m i 方程确定其静态再结晶分数模型，对试样进行定量金相实验和分析，测量出f 3 5 m n v n 钢在不同变形条件下的静态再结晶晶粒尺寸，建立静态再结晶晶粒尺寸模型。通过奥 氏体晶粒长大实验和金相实验所获得的晶粒尺寸，建立晶粒长大模型。 通过对有限元软件m s c m a r c 进行二次开发，将建立的流动应力模型和微观组织 演变模型编写进m s c m a r c 软件所调用的子程序中，对f 3 5 m n v n 钢热变形时应变、 动态再结晶分数、动态再结晶晶粒尺寸进行了数值模拟。通过模拟和实验数据的比较 可以验证模型建立的准确性，并能预测金属在热变形过程中的微观组织演变过程，从 而可以为有效控制产品的力学性能提供理论依据。 关键词：f 3 5 m n v n 非调质钢；流动应力；动态再结晶；静态再结晶；数值模拟 a b s 仃a c t n o n q u e n c h e da n dt e m p e r e ds t e e li n c h i n ah a sav e r yb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t s ， e s p e c i a l l yi nt h ea u t o m o t i v ei n d u s t r y t h er e a s o ni sm a i n l yb e c a u s eo fe c o n o m i ca n d t e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h en o n - q u e n c h e da n dt e m p e r e ds t e e l ，f o re x a m p l ei th a s r e d u c e dt h eh e a tt r e a t m e n to fh i g he n e r g yc o n s u m p t i o n ，s a v e de n e r g ya n ds oo n h o w e v e g d u r i n gt h ea c t u a lp r o d u c t i o np r o c e s s ，h i g hs t r e n g t ha n dh a r d n e s sa r ep r o n e t ol e a dt op o o r p e r f o r m a n c eo fp l a s t i c i t y a n dt o u g h n e s s t h e r e f o r e ，i no r d e rt og e tb e a e rm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fn o n - q u e n c h e da n dt e m p e r e ds t e e l ，i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h et h e r m a lp r o c e s s p a r a m e t e r sa n dt h em i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o np r o c e s s s e l e c tt h em o r eu s a g eh o tf o r g i n gm a t e r i a l sf 3 5 m n v ni nc h i n aa ss t u d yo b j e c t t h r o u g hh o tc o m p r e s s i o nt e s to nt h eg l e e b l e 一38 0 0t h e r m a ls i m u l a t i o nm a c h i n e ，t h e t r u e s t r e s s s t r a i nc u r v ew a so b t a i n e d ，f l o ws t r e s sc u r v eo ff 35 m n v ns t e e la th i g ht e m p e r a t u r e h a v et y p i c a ld y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o nf e a t u r e f o rt h et w os t a g e so ff l o ws t r e s sw i t ht h e d e f o r m a t i o nc h a n g e s ，t h em a t e r i a lf l o wc u r v ei sd i v i d e di n t oh a r d e n i n g 。d y n a m i cr e c o v e r y s t a g ea n dd y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o ns t a g e m o d e l i n g w i t ht h ez e n e r - h o l l o m o np a r a m e t e r ， t h em a t h e m a t i c a le x p r e s s i o no ft h ec h a r a c t e r i s t i cv a r i a b l e sw a se s t a b l i s h e d s o t h e m a t e r i a l sh i g ht e m p e r a t u r ef l o ws t r e s sm o d e lw a se s t a b l i s h e dt o o t h r o u g hs i n g l e c h a n n e lc o m p r e s s i o nt e s ta n da n a l y s i s o nt h es t r e s s s t r a i nc u r v e ，t h e d y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n f r a c t i o nm o d e lw a se s t a b l i s h e d t h r o u g hq u a n t i t a t i v e m e t a l l o g r a p h ye x p e r i m e n t sa n da n a l y s i s o nt h es a m p l e ，t h ed y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n g r a i ns i z eo ff 3 5 m n v n s t e e lu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n sw a sg o r e n ，s o ，m o d e l i n gw i t ht h e z e n e r - h o l l o m o np a r a m e t e r ，t h ed y n a m i c a l l yr e c r y s t a l l i z e dg r a i n s i z em o d e lw a s e s t a b l i s h e d b yd u a l c h a n n e lc o m p r e s s i o nt e s ta n da n a l y s i so nt h es t r e s s s t r a i n c u r v ea n d w i t ht h ea v r a m ie q u a t i o n ， m es t a t i cr e c r y s t a l l i z a t i o nf r a c t i o nm o d e lw a se s t a b l i s h e d b y q u a n t i t a t i v em e t a l l o g r p h ye x p e r i m e n t s a n d a n a l y s i s o nt h es a m p l e ，t h es t a t i c r e c r y s t a l l i z a t i o ng r a i n s i z eu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n sw a sg o r e n ，s o t h es t a t i c r e c r y s t a l l i z a t i o ng r a i ns i z em o d e lw a sr e c e i v e d b ya u s t e n i t eg r a i ng r o w t he x p e r i m e n t sa n d m e t a l l o g r a h p i ce x p e r i m e n t s ，t h eg r a i ns i z ew a so b t a i n e d ，s o ，t h eg r a i ng r o w t hm o d e l w a s i i i r e c e i v e d t h r o u g hs e c o n d a r yd e v e l o p m e n to f f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r em s c m a r c ，t h e e s t a b l i s h e df l o ws t r e s sm o d e la n dm i c r o s t r u c u r ee v o l u t i o nm o d e lw e r ew r i t t e ni n t ot l l e s u b r o u t i n eo fm s c m a r c t h es t r a i n , d y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o nf r a c t i o na n dd y n a m i c a l l y r e c r y s t a l l i z e dg r a i ns i z ew e r es i m u l a t e dd u r i n gt h ef 3 5 m n v n h o td e f o r m a t i o np r o c e s s t h r o u g hs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ld a t a ，t h e c o r r e c t n e s so fm o d e lw a sv e r i f i e d ，m e t a l m i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o l ld u r i n gh o td e f o r m a t i o np r o c e s sw a sp r e d i c t e d ，a n dt h et h e o r e t i c a l b a s i st oc o n t r o lt h em e c l 4 a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ep r o d u c t se f f e c t i v e l yh a db e e np r o v i d e d k e y w o r d s ：f 3 5 m n v nn o n - q u e n c h e d a n d t e m p e r e ds t e e l ；f l o ws t r e s s ；d y n a m i c r e c r y s t a l l i z a t i o n ；s t a t i cr e c r y s t a l l i z a t i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 1 1 引言 第1 章绪论 微合金非调质钢于7 0 年代初首先在西德研制成功，由于其在生产过程中减少了 高能耗的热处理工序，具有节能减排等经济技术特点。目前国内外都陆续出现了多种 非调质钢，应用领域也在不断扩大，尤其是在汽车行业，并且采用非调质钢替代高耗 能的调质钢制造汽车零部件已经是汽车工业发展的一个重要趋势，例如日本8 0 以上 汽车企业采用非调质钢制作零部件，绝大多数企业已经完全取消热处理工厂等。由于 其对调质钢的明显优势，非调质钢的研究也是数不胜数，由起初的只改变钢种的化学 成份来研究非调质钢，到现在大量的学者投身于非调质钢微观组织演变的研究，可以 相信，微合金非调质钢将会在技术研发的基础上得到更快的发展。 1 2 非调质钢发展概况 第一代非调质钢于7 0 年代初由西德开发，典型钢种为4 9 m n v s 3 ，其成份为 ( 讯) ：c0 4 2 0 4 7 ；s i0 1 5 - 0 3 5 ；m n0 9 0 1 0 0 ；so 0 5 0 0 6 5 ；v0 1 0 0 1 4 此钢很 快就被西德和欧洲国家应用于锻件生产。相继在日本也得到了应用和发展，他是通过 在锻造温度下直接空冷，析出碳化钒来实现强化。由于韧性差，应用受到了限制。第 一代非调质钢的组织为铁素体一珠光体。 第二代非调质钢于8 0 年代产生，一类仍为铁素体一珠光体型，另一类为贝氏体 型。其特点是有非常好的强韧性，尤其是良好的低温韧性，适于制造要求高强度、高 韧性的制品。其缺点是切削性能差不能直接用于切削使用。尽管第二代非调质钢比第 一代非调质钢有较大的提高，并得到较多的应用，但是在正常锻造条件下不足以和合 金调质钢相比。以往的工作提高韧性主要是通过调整化学成份来获得。钢的显微组织 基本上都是铁素体一珠光体，难以大幅度改善，达到甚至超过调质钢的性能。我国开 发的非调质钢属于第二代铁素体一珠光体类型，性能达到8 0 年代国际先进水平。典 犁钢种成份见表1 1 ： 表1 1国内第二代非调质钢典型成份( 叭) t a b l e1 1t h es e c o n dg e n e r a t i o nt y p i c a ln o n q u e n c h e da n dt e m p e r e ds t e e li n g r e d i e n t so f d o m e s t i c ( w t ) 化学成份 c s im ns pvn f 3 5 m n v n0 3 50 2 71 3 2 0 0 2 40 0 2 00 0 7 9 0 0 1 0 2 y f 3 5 m n v0 3 50 5 y f 3 5 v0 3 5o 3 y f 4 0 v0 4 0 0 3 y f 4 5 v0 4 50 3 y f 4 0 m n v0 4 00 5 y f 4 5 m n v0 4 5 0 5 f 4 0 m n v 0 4 01 3 2 1 3 2 0 8 o 8 o 8 1 3 2 1 3 2 1 3 20 0 2 4 0 0 2 0 0 0 2 0 0 0 2 0 0 0 2 0 0 0 2 0 0 0 2 0 0 0 2 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 9 0 0 0 9 0 0 0 9 0 0 0 9 0 0 0 9 0 0 0 9 0 0 0 9 国外开发的非调质钢两种类型都有，其具体成份如表1 2 所示： 表1 2国外第二代非调质钢典型成份( 州) t a b l e1 2t h es e c o n dg e n e r a t i o nt y p i c a ln o n - q u e n c h e da n dt e m p e r e ds t e e li n g r e d i e n t so ff o r e i g n ( w t ) 目前世界上大多数国家在完善第一代和第二代非调质钢的基础上，投入大量的人 力、物力探索和开发新型非调质钢。除了继续调整钢的化学成份以外，还把大部分的 工作重点放到非调质钢微观组织演变和热加工工艺上来，使钢的化学成份和加工方法 相协调，满足用户对非调质钢综合性能的要求，使非调质钢性能有一个较大幅度的改 善。同时改善实际生产工艺，降低生产成本、提高生产厂家的经济效益，开发出一条 一举多得的非调质钢生产途径。 2 1 3 研究现状 1 3 1 流动应力模型 2 0 世纪中期，h o l l o m o n t l 采用幂函数形式建立流动应力模型用于模拟钢的流动应 力一应变曲线，简单可行，应用十分方便。但此模型只是在较小的应变下才有一定的 预测精度。 l u d w i g s o n 2 1 的模型采用幂函数和指函数相结合的方式；v o t e 3 , 4 贝l j 根据饱和应力、 极限应力和应变的关系建立了模型。 但是上面的模型只都考虑了变形温度和变形速率，预测范围比较小，仅能描述加 工硬化一动态回复阶段的流动应力一应变情况，而不能对热变形时复杂的显微组织变 化进行描述，从而不能反映出发生在动态再结晶阶段时的流动应力变化情况。 2 0 世纪7 0 年代，英国s h e f f i e l d 大学的s e l l a r s 5 , 6 j 教授对轧钢领域进行了研究，认 为热变形时稳态应力与应变速率的关系与蠕变实验的相同，建立了应用非常广泛的双 曲正弦模型。虽然s e l l a r s 模型也属于经验模型，但该模型对于不同应变下的应力都具 有较高精度的预测性能。和以往的模型相似的是，s e l l a r s 模型也不包括应变，也就是 说不能连续跟踪应力的变化情况，只能对流动应力曲线上的某些特殊点进行预测。 2 0 世纪9 0 年代初，加拿大学者l a a s r a o u i 和j o n a s 7 , 8 j 采用单道次压缩实验，对低 碳钢和含c u 、n b 、b 等元素的微合金钢的热变形进行了研究。建立了适用于热轧过 程流动应力的本构方程。该模型将流动应力曲线分成两段，以动态再结晶开始点为分 界点，前一段为动态回复一加工硬化阶段，后一段为动态再结晶阶段，所以也俗称为 “两段式模型”。l a a s r a o u i 模型有两个方程组成，一个是由双曲正弦类型的“速率方 程”，用来描述峰值应力和应变速率、变形温度的关系；另一个是含有位错密度变化 量的“演变方程”，描述变形过程流动应力的变化，当动态再结晶发生时，在“演变 方程”中加入了动态再结晶引起的软化量，使得预测峰值之后的应力一应变曲线成为 可能。 多年来，西方学者对不同材料进行了大量的分析，得到了符合各自材料的流动应 力模型【9 。6 1 。目前，中国的学者也越来越多的参与到各种材料的高温流动应力研究中 来，很多学者对不同材料的见解都有独到之处。 吴瑞恒、张鸿冰从晶粒尺v 寸角度出发，提出晶粒变形度的概念，建立一个用于 。墼塑i 塑垒兰錾堑全旦丝兰堡垒塾一 = = ! = ! = = = = = ! j 目= = 目i _ 皇鲁自目目e = = = = 鲁j 目= g = ! e = = = ! ! ! = = = = ! 目= = = ! = = = = = = = = = = = = = = = = 2 2 5 5 。 描述金属材料热变形行为的数学模型，该模型具有一定的微观物理基础；金蕾、徐有 荣【1 8 1 通过单道次压缩 武验，建立了c - m n 钢的热变形流动应力模型；汪凌云1 9 1 对镁合 金建立了动态回复一加工硬化、动态再结晶两段式流动应力模型：刘娟【2 0 1 也给出了十 分独特的镁合金流动应力曲线预测方法。 1 3 2 微观组织演变模型 微观组织演变模型最初由英国的s e l l a r s 2 1 , 2 4 1 等提出。s e l l a r s 等对c m n 钢热轧时 的微观组织进行了研究，建立了再结晶晶粒尺寸和再结晶体积百分比的半经验公式， 首次对微观组织演变进行定量描述，他们在大量热模拟实验的基础上，于2 0 世纪7 0 年代末提出了第一组预报c m n 钢奥氏体组织演变的数学模型。目前他们开发的模型 已经用于c m n 钢的轧制，预报的晶粒尺寸与实际晶粒尺寸十分近似。s e l l a r s 模型也 成为日后学者对微观组织演变研究的基础。1 9 8 5 年，s e l l a r s 综述了s h e f f i e l d 大学冶 金系采用镦粗工艺和压缩实验进行的热加工工艺计算机微观建模研究发展。 2 0 世纪8 0 年代初，日本的y a d a 【2 5 , 2 6 j 等提出了一种公式分析含m n 量小于1 的 碳钢的微观组织演变，建立了c m n 钢环轧过程中晶粒尺寸与分布的数学模型。 此后c m n 钢再结晶行为的研究和模型不断取得新的进展。s a i t o 27 j 于2 0 世纪8 0 年代初建立了自己的c m n 钢模型。8 0 年代中期，加拿大学者m c q u e e n 2 8 】等研究了 低碳钢在热变形中及荆变形后的内部组织变化过程，认为金属热变形达到一定程度后 会出现一种多机制软化现象，并采用a v r a m i 方程来描述再结晶过程。9 0 年代初， n a n b a 2 9 也创立了c m n 钢动态再结晶、静态再结晶以及晶粒长大的模型。 目前各国学者对c m n 的研究已经非常成熟，例如s e r a j z a d e h 3 0 于2 0 0 3 年分别建 立了高碳和低碳c m n 钢的再结晶模型，并以此为基础进行了一系列的数值模拟研究。 尽管不同的研究者归纳出了不同的数学模型，但还是有一定的相似性，对于c m n 钢 应用最广泛的模型有4 种，即s e l l a r s 模型、y a d a 模型、s a i t o 模型和n a n b a 模型，而 这些模型预报的结果也基本一致。 随着对材料要求赵来越高，又相继出现了很多适合不同合金成份的微观组织数学 模型【3 1 , 3 8 】l a a s r a o u i 【3 9 】等采用双道次压缩实验，对含c u 、n b 、b 等合金元素的低合金 钢的热变形行为进行研究，分析了预变形条件和合金元素对再结晶的影响。g r o n g 4 0 1 等人则利用内变量法建立钢、铸铁、铝合金等在非等温变形过程中微观组织模型。中 4 壹岛理工大学工程硕士( 全日制) 学位论文 国的刘鹏飞【4 1 】等人用q u a n t i m e n t 一5 0 0 型自动图像分析仪定量测定了g h 7 6 1 合金的 动态再结晶晶粒尺寸和再结晶体积分数，并建立了自己的模型。吴瑞恒【4 2 】等人也建立 了0 9 5 c 1 8 w 4 c r l v 高速钢动态再结晶的数学模型。 对于上述不同专家、学者所研究出来的不同的模型，只能说对于钢这种材料的研 究方法具有一定的参考价值。对流动应力模型来说，不同的钢种，由于化学成份的不 同，对奥氏体流动应力的影响非常大，不同钢种之间的流动应力模型不能混用，要进 行要求精度较高的数值模拟计算或实际生产应用，必须针对预测的钢种建立相应的流 动应力模型。 对上述众多学者对钢的微观组织演变模型的研究来说，虽然说他们所建立的模型 能够对钢的微观组织演变和力学性能进行预测，并且为控制轧制和控制冷却制定了合 理的工艺。但同时也可以看出来，不同材料的微观组织演变模型是不一样的，对于特 定的材料，需要根据大量的实验数据才能得到相符合的数学模型。 1 4 研究的意义及主要内容 1 4 1 研究的意义 自2 0 世纪7 0 年代以来，非调质钢受到世界各主要工业化国家的重视，主要原因 是其具有节约能源、减少工件变形和环境污染等优点，在现代的汽车行业中，非调质 钢已成功应用于发动机曲轴、连杆、汽车前桥等零件。另外汽车车身、车身附件、变 速箱总成、驱动桥总成、悬挂减震器、离合器、转向系统中也有相当多的零部件材料 为非调质钢。 然而微合金非调质钢锻件容易出现的塑性、韧性不足的现象。通过控制热变形的 微观组织演化可以有效改善其宏观性能。为了得到更好的热加工工艺参数和材料力学 性能，有效控制产品的组织和性能，本文对微合金非调质钢热变形过程微观组织演变 进行研究，建立相应的模型和进行数值模拟来预测微观组织的晶粒尺寸、再结晶分数 等，从而有效控制产品的组织、性能和优化热加工工艺参数。 另外我国非调质钢行业与西方发到国家还有很大的差距。所以加快对非调质钢的 研究是当今时代的必然选择。 本课题来源于山东省自然科学基金项目：“三维复杂非调质钢锻件热成形过程微 ：篮竖基苎塞三堡堡圭垒旦坠型塑丝坠一 观组织演化模型与数值模拟研究”，( 项目编号：z r 2 0 1 0 e q 0 2 7 ) ，对我国非调质钢材 料的高温流动应力和微观组织演变进行研究，并建立模型，不仅可以用于指导生产实 际，还能通过与计算机c a e 软件集成，对非调质钢的高温性能进行数值模拟，以期 对材料的力学性能预测进行理论支持。 1 4 2 研究的主要内容 本课题通过对f 3 5 佃v n 钢进行热压缩模拟实验，分析并建立流动应力模型，同 时建立其在热变形时铡观组织演变模型。主要内容如下： 1 ) 通过热压缩模拟实验，获得非调质钢f 3 5 m n v n 在不同热变形条件下高温奥氏 体钢的流动应力曲线，进而建立流动应力模型。 2 ) 建立f 3 5 m n v n 微合金非调质钢在热变形过程中的微观组织演变模型，包括奥 氏体晶粒动态再结晶分数模型、静态再结晶分数模型、动态再结晶晶粒尺寸模型、静 态再结晶晶粒尺寸模型、晶粒长大模型。 3 ) 对微合金非调质钢热变形过程微观组织演变进行数值模拟，预测其在热变形过 程微观组织的晶粒尺刊和再结晶分数。 6 第2 章f 3 5 m n v n 非调质钢奥氏体流动应力模型 2 1 引言 目前有限元技术己广泛应用于分析热成型过程，有限元数值模拟提供给人们很多 有用的信息，如不同时刻的变形力、应变、应变速率和温度分布情况。有限元分析的 精确与否很大程度上取决于材料属性参数的精确程度。流动应力模型对变形力和材料 塑性流动的计算有显著的影响。因此使用有限元进行热变形分析必须建立较为精确的 流动应力模型。 钢的流动应力是应变、应变速率、温度、化学成分和微观组织的函数。由于流动 应力和微观组织相互影响，相互耦合，所以要建立较为精确的流动应力模型是十分困 难的。随着对微观组织演变的深入研究，学术界正在企图建立综合考虑微观组织演化， 包括加工硬化、动态回复以及动态再结晶的流动应力模型。l a a s r a o u i 和j o n a s 在这方 面做出了杰出的工作，他们基于实验和微观组织演化理论建立了完整的反映加工硬 化、动态回复以及动态再结晶的流动应力模型。本章将以l a a s r a o u i 模型为基础，研 究f 3 5 m n v n 在热变形过程中的流动应力模型。 2 2 热模拟实验方法 在研究和开发生产金属材料的新工艺、新产品时，其变形过程、变形时的力能参 数、热塑性、显微组织以及相变行为等基础研究工作和生产工艺的过程模拟，都可以 在热物理模拟试验机上进行。 本文采用g l e e b l e 3 8 0 0 热模拟试验机对f 3 5 m n v n 钢进行高温下的热模拟压缩 实验。f 3 5 m n v n 非调质钢的化学成分如表2 1 所示： 表2 1f 3 5 m n v n 非调质钢的化学成分( 叭) t a b l e2 1f 35 m n v n n o n - q u e n c h e da n dt e m p e r e ds t e e lo f c h e m i c a lc o m p o s i t i o n 本次实验材料为直径1 0 r a m 、高1 5 m m 的圆柱形压缩模拟试样。在g l e e b l e - 3 8 0 0 热模拟试验机上进行单道次压缩试验，实验步骤为：试样先以l o * c s 加热至1 2 5 0 后保温5 m i n ，再以1 0 c s 的冷却速度冷却到不同变形温度，保温3 0 s 消除试件内 温度梯度后进行变形，变形温度分别为：9 5 0 。c 、1 0 0 0 。c 、l 1 0 0 * c 、1 2 0 0 c ，变形 速率分别为：0 o l s 、0 1s 、1s 、5s ，变形量为o 8 。为观察变形过程中奥氏体 动态再结晶情况，变形后立即进行水淬处理，以保存奥氏体晶界，金相实验采用饱 和苦味酸、洗涤剂和水溶液作为腐蚀剂，如图2 1 所示： 。t i m e 图2 1 单道次压缩实验 f ! g u r e2 1s i n g l e - c h a n n e lc o m p r e s s i o ne x p e r i m e n t s 2 3 实验结果与分析 2=暑拦oq葛q叫 图2 2f 3 5 m n v n 钢流动应力一应变曲线 f i g 2 2 t h ef l o ws t r e s s - s t r a i nc u r v e so ff 3 5 m n v ns t e e l 由图2 2 可知，在应变量比较小的时候应力急剧的增大，但随着应变量的增大， 图中曲线斜率在减小，即应力的增长速度减小，这是因为产生了动态回复的结果， 随着应变量的继续增大，到达某一临界变形量时斜率急剧减小，在斜率为零时出现 一个峰值应力，而后减小至稳态应力不再改变，这是由于动态再结晶软化与加工硬 化相互制约、相互平衡的结果。 2 4f 3 5 m n v n 钢流动应力模型的建立 2 4 1 热变形激活能与z 值的确定 由于在热变形过程中及d 和o ( 应变速率) 对流动应力的影响很大。对于不同 热加工数据表明，热变形激活能可用下列几式h 3 ，4 钔确定： 叠= a s i n h ( a 口) 】”e x p ( 一q r t ) ( 2 - 1 ) z = 童e x p ( q r t 、 ( 2 - 2 ) a 、仅是与材料有关的常数：7 为应力指数：r 为气体常数：p 为热变形激活能。 由式( 2 1 ) 、( 2 - 2 ) 得： 当温度一定时， 三：叟! 型些丝2 1 ( 2 3 ) 门a i n 叠 当应变速率一定时， q = r 刀0 1 n s i n h ( a c r ) i o ( 1 r 、 ( 2 - 4 ) 9 ( b ) 。 并分别做出t n s i n h ( a a ) 一1 n 叠、l n s i n h ( a o - ) - 1 t 的关系曲线图如图2 3 ( a ) 、 08 28 48 e8 , 09 09 20 49 , 6 鱼81 c t 0 1 ( 1 2 1 0 4 1 0 6 1 0 8 1 10 1 丌x 1 0 图2 3 l n s i n h ( a a ) 】一l ng 、l n s i n h ( a c r ) 】一1 t 关系曲线 f i g 2 3l n s i n h ( a o - ) 卜l ng c u r v e sa n dl n s i n h ( a o - ) 卜1 tc u r v e s 由图2 3 ( a ) 、( b ) 中的曲线平均斜率分别代入式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 可得热变形激活 能0 = 2 0 2 9 2 k j m 0 1 表2 2温度补偿变形速率因子 t a b l e2 2t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o nd e f o r m a t i o nr a t ef a c t o r 应变速率( 1 s 温度()lnz 0 0 19 5 01 5 3 5 o 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 5 5 1 4 5 6 1 7 6 5 1 6 8 7 1 5 4 7 1 7 7 7 1 6 5 6 1 9 3 8 1 8 1 7 又因为 z = 托x p ( 斋) ( 2 - 5 ) 对式( 2 - 5 ) 两边向时取对数得： l i 】_ z ：l n 占+ 生 ( 2 6 ) r t 把不同变形条件和热激活能代入式( 2 6 ) 可以得出不同的z 值如表2 2 所示。 1 0 ”吐呻扪 一一b口。一clif詈一 咖如咖抛m枷 1 9 1 1 卜1 1 1 青岛理工大学工程硕士( 全日制) 学位论文 2 4 2 动态回复部分流动应力的确定 ( 1 ) 吼( 初始应力) 的确定 根据流动应力曲线，由于弹性部分不明显不同变形条件下吼取c r o ：，c r 0 的数学 模型具体形式如下： c r 0 = k z ” ( 2 7 ) 做出l n z - l n o - o 的关系图如图2 4 所示： 图2 4l n z i n g o 关系曲线 f i g u r e2 4l n z - i n 仃oc u r v e 由图2 4 可以得出1 1 值为o 1 ，k 值为1 3 7 。 把n 、k 值分别代入式( 2 7 ) 为： 仃o = 1 4 z 0 1 ( 2 - 8 ) ( 2 ) 仃( 饱和应力) 的确定 由于仃。无法从流动应力曲线中直接读取，但为了求出仃。，本文引入一个变量加 工硬化率0 、d o ) 。许多学者研究发现，加工硬化曲线的第一个阶段，即动态回复- 力口 a 占 工硬化阶段有下式： 臼：兰+ b 仃( 占 ，) ( 2 9 ) a 、b 为常数，又应为0 ：孥，结合式( 2 9 ) 得： d 占 望鱼：旦+ b 仃 d 6盯 对式( 2 1 0 ) 积分得： 由 仃：卜要+ i c e x p ( 2 出s ) 】0 5 仃2 卜否+ 百 馏嵋旷 盯聊= o r ；+ p ；一c r f f ) e x p ( - f 2 占) 】0 5 综合式( 2 - 1 1 ) 、( 2 - 1 2 ) 得盯。= 在占( 占s 。) ( 2 3 3 ) 占p 2 4 5f 3 5 m n v n 钢流动应力模型 由模型各参数的相继确定，在整个变形过程中的流动应力模型应为： 盯厢= 口；+ ( 仃；一仃；) e x p ( 一q 占) o 5 扣_ ( 叽j 1 e x p - k d ( 等严 ) ( 2 3 4 ) 由此模型可以用来比较模型预测值与实验所得数据值，以验证所建立的模型精确 度是否可靠。如图2 1 4 所示： 图2 1 4流动应力模型预测与实验值比较 f i g u r e2 14 f l o ws t r e s sm o d e lp r e d i c t i o n sw i t ht h ee x p e r i m e n t a lv a l u e 从图2 1 4 中可以看出所建立的模型预测值与实验值吻合的比较好。因此适用于实 际锻造过程，也可以通过这一模型很好的确定锻造过程中的热加工工艺参数和进一步 改善非调质钢材料的力学性能，以便更好的根据材料性能的要求来预定变形条件。 2 5 本章小结 本章采用l a a s r a o u i 模型来建立流动应力模型和f 3 5 m n v n 钢的微观组织演变模型。 一童曼坠立垒薹墅墅墼l 竖些盐堡垒窒一 其流动应力模型参数如下： o = 2 0 2 9 2 k 1 m o l c r 0 = 1 4 z o 1 仃。= 7 6 9 2 a r c s i n h ( 1 9 7 1 0 7z ) o 。2 5 q ：3 0 1 8 z 。0 0 2 4 g p = 0 0 0 8 7 z 0 2 s c = 0 8 3 6 p 仃。= 7 6 9 2 a r c s i a h ( 3 7 6x10 8z ) o 2 4 盯j 口= 7 6 9 2 a r c s i n h ( 1x 10 7z ) o 2 6 k d = 1 4 刀d = 0 9 由匕所有参数及公式就能就能确定出f 3 5 m n v n 钢的高温流动应力模型： 仃删： 仃? + ( 仃；一仃；) e x p ( 一f 2 占) 】0 5 ( 占 sc ) 仃 = 仃附一( 仃。一仃船) 1 一e x p 一k 。( 三一二玉) ”j 】) 青岛理工大学工程硕士( 全日制) 学位论文 第3 章f 3 5 m n v n 非调质钢奥氏体动态再结晶模型 3 1 引言 随着科学技术的发展，金属塑性加工不仅是一种成型手段，还成为控制材料组织 和性能的一个重要环节，也就是说，塑性加工不仅能控形，还能控性。其中细化晶粒 是一种既能提高强度又能改善韧性的措施。众所周知，钢在发生动态再结晶过程中会 出现晶粒细化的现象，本章将对f 3 5 m n v n 非调质钢热变形过程中的动态再结晶进行 研究。 3 2 动态再结晶分数模型 由于在2 4 3 节中流动应力模型建立的需要，动态再结晶分数模型已经建立完毕， 本节就不在赘述。动态再结晶分数模型如下： x 。：1 一e x p 一1 4 ( 三二生) 0 9 7 】 ( 3 1 ) p 3 3 动态再结晶晶粒尺寸模型 3 3 1 微观组织金相实验 目前在科学研究和生产实践中广泛应用金相检验方法对金属材料及其制件的宏 观组织和微观组织进行检验分析，利用金相显微镜拍摄的金相照片来观察金相组织的 变化，判断各种金属材料组织结构的优劣情况，分析并找出产生废品，造成事故的原 因，采取有效的措施，达到控制和提高产品质量的目的。 为了进一步研究f 3 5 m n v n 钢热变形微观组织演变，将热模拟压缩试验所得试样 沿压缩轴方向、按横截面直径线切割开，然后将其置于金相镶样机上进行镶样，得到 利用于金相实验的试样。 把所得试样在粗细程度不同的砂纸上进行预磨与精磨，再把精磨后的试样在自动 抛光机上进行抛光，用酒精清洗试样表面后在金相显微镜下观察，若出现明显的划痕 则重新磨抛、观察，直到试样表面在金相显微镜下没有明显的划痕。把抛光后的试样 表面浸入用水、洗涤剂和苦味酸制成的溶液当中进行腐蚀，一般腐蚀1 0 - 3 0 s ( 视溶液 浓度大小而定) 。在金相显微镜下观察腐蚀好的金相试样，若出现大面积比较清晰的 奥氏体晶界，则说明这个试样可以用于随后的拍摄金相照片，若没有出现大面积比较 清晰的奥氏体晶界，需要重新抛光和腐蚀。把所有腐蚀好的金相试样在光学显微镜下 拍金相照片，得到显微组织图。 3 3 2 金相实验结剿 定量金相采用截线法测量再结晶晶粒尺寸，测量时在显微组织图像上随机划线， 数出直线穿过晶粒数，计算出晶粒的平均直径，再与标准长度对比，得出晶粒的平均 直径，计算公式如下： 如南n a 啡l1 , 2 3 玎) 4 f ( f = ，1 ) 式中厶为第i 次画出的直线长度； 度在该显微图中的测量长度。 所以所得晶粒尺寸的平均值为： d = 去缸 ( 3 2 ) ，为该直线穿过的晶粒个数；a 为实际单位长 表3 1动态再结晶晶粒尺寸值 t a b l e3 1d y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o ng r a i ns i z e ( 3 3 ) 应变速率( 1 s )温度()d 0 所) 2 4 7 一u j ；| l 垡渊钙酪躯轮钙弱钉一鹰皴 删姗一一一一 重鱼理工大学工程硕士( 全日制) 学位论文 与其对应的在不同变形条件下的金相显微图如图3 1 所示： 图3 1不l 司变形条件下的金相照片 f i g u r e3 1 t h em e t a l l o g r a p h i cp h o t ou n d e rd i f f e r e n td e f o r m a t i o nc o n d i t i o n s ( 舢t = 9 5 0 。c 叠= o 0 1s ；( b ) t = 9 5 0 * c 营= 0 1 s 一：( c ) t =