門正興 李 其 陽 鶴 房 鑫 趙 剛

(中國二重集團(tuán)公司，四川618013)

鍛件晶粒尺寸對大型鍛件的高溫拉伸、沖擊功、高溫持久等性能有重要的影響，在很大程度上決定了產(chǎn)品的最終質(zhì)量，因此大型鍛件對晶粒尺寸范圍及分布有著嚴(yán)格的規(guī)定[1]。對熱鍛變形過程中鍛件晶粒尺寸變化規(guī)律進(jìn)行研究及預(yù)測，通過改變成形工藝參數(shù)及模具結(jié)構(gòu)有效控制鍛件晶粒尺寸范圍及分布，是大型鍛件鍛造成形領(lǐng)域的重要研究方向。動態(tài)再結(jié)晶是熱鍛成形過程中最重要的微觀組織演化形式，對鍛件晶粒尺寸的變化有著重要的影響。

18MnD5鋼屬于典型的中碳合金結(jié)構(gòu)鋼，具有強(qiáng)度高、淬透性高、韌性好等特點(diǎn)，適用于制造要求較高和調(diào)質(zhì)截面大的大型鍛件，如核電工程中的蒸發(fā)器、穩(wěn)壓器、壓力容器筒體等產(chǎn)品。建立16MnD5熱鍛過程動態(tài)再結(jié)晶模型，通過有限元軟件對大型鍛件成形過程進(jìn)行熱-力-微觀組織耦合模擬分析，預(yù)測及優(yōu)化鍛件晶粒尺寸范圍及分布，對提高鍛件質(zhì)量、縮短工藝周期、提高產(chǎn)品合格率具有重要的指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)方法及結(jié)果分析

18MnD5鋼等溫恒應(yīng)變速率熱壓縮實(shí)驗(yàn)在二重大型鑄鍛件數(shù)字模擬工程實(shí)驗(yàn)室的TMTS(Thermo-Mechanical Treatment Simulator)熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。TMTS是英國SERVOTEST公司生產(chǎn)的一款動態(tài)熱變形模擬試驗(yàn)設(shè)備，最大噸位500 kN，可以進(jìn)行軋制鍛壓工藝、金屬熱處理、機(jī)械熱疲勞等動態(tài)過程模擬試驗(yàn)，也可用于金屬高溫力學(xué)性能、金屬熱物性、應(yīng)力應(yīng)變曲線等材料參數(shù)測定，是目前世界上功能較齊全、技術(shù)較先進(jìn)的材料模擬試驗(yàn)裝置之一。實(shí)驗(yàn)過程中的具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：熱壓縮試驗(yàn)試件尺寸為?8 mm×12 mm，等溫恒定應(yīng)變速率試驗(yàn)溫度分別為950℃、1 050℃、1 150℃，應(yīng)變速率分別為0.5 s-1、0.05 s-1、0.005 s-1，變形程度為50% (真應(yīng)變約為0.7)。得到的18MnD5高溫流變應(yīng)力曲線如圖1所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在試驗(yàn)范圍內(nèi)材料均發(fā)生了明顯的動態(tài)再結(jié)晶，并且隨著溫度的升高及應(yīng)變速率的降低，達(dá)到完全動態(tài)再結(jié)晶所需要的應(yīng)變逐漸降低。

2 建立動態(tài)再結(jié)晶模型

一般情況下，采用數(shù)學(xué)方法將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入動態(tài)再結(jié)晶公式中就可以得到相應(yīng)的模型，但是最終擬合的效果并不理想。主要的原因是：(1)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中包含實(shí)驗(yàn)誤差和測量誤差，采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)直接擬合的方法，無法對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中較大的誤差進(jìn)行修正，從而使得一個錯誤數(shù)據(jù)導(dǎo)致整個模型的準(zhǔn)確性大大下降。(2)動態(tài)再結(jié)晶公式中都包含多個參數(shù)，無法通過圖形形象對擬合結(jié)果進(jìn)行觀察，從而導(dǎo)致擬合結(jié)果的不確定性。而通過Zener-Hollomon參數(shù)可以對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的修正，從而提高擬合準(zhǔn)確性。

圖1 18MnD5鋼在不同應(yīng)變速率下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線Figure 1 The curves between true stress and true strain for 18MnD5 steel deformed at different strain rate

在高溫塑性變形條件下， C.Zener和H.Hollomon采用Zener-Hollomon參數(shù)[2]對金屬動態(tài)再結(jié)晶流動力學(xué)行為進(jìn)行描述：

(1)

式中，Z參數(shù)的物理含義為溫度補(bǔ)償?shù)膽?yīng)變速率因子；Q為材料的再結(jié)晶激活能。通過應(yīng)力應(yīng)變曲線可以計(jì)算出18MnD5的熱變形激活能為266 kJ /mol。在不考慮初始晶粒尺寸對動態(tài)再結(jié)晶過程的影響下，峰值應(yīng)變εm、穩(wěn)態(tài)應(yīng)變εs、發(fā)生50 %動態(tài)再結(jié)晶時的應(yīng)變ε0.5及動態(tài)再結(jié)晶平均晶粒尺寸drex均為溫度補(bǔ)償應(yīng)變速率Z的函數(shù)，其關(guān)系可以表述為：

εm=a1Za2

(2)

εs=a3Za4

(3)

εrex=a5Za6

(4)

ε0.5=a6Za7

(5)

其中，a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8均為材料常數(shù)。

由于Z參數(shù)與各變量的關(guān)系均為典型的冪函數(shù)，因此可以方便的通過曲線的方式對其進(jìn)行描述，從而通過Zener-Hollomon參數(shù)對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的修正。優(yōu)化前后Z參數(shù)與動態(tài)再結(jié)晶峰值應(yīng)變εm之間的關(guān)系如圖2所示。在圖2(a)中，采用原始數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果的相關(guān)系數(shù)R2為0.848 9。從圖2(a)可以明顯的發(fā)現(xiàn)，在1 150℃和應(yīng)變速率為0.05 s-1的情況下，峰值應(yīng)變εm值異常，與總體的趨勢不符，從而導(dǎo)致擬合結(jié)果相關(guān)度較差。刪除異常點(diǎn)后的擬合結(jié)果如圖2(b)所示，擬合相關(guān)度提高到0.926 1。

圖3為修正前后峰值應(yīng)變與應(yīng)變之間關(guān)系的比較。從圖3(b)可以明顯發(fā)現(xiàn)，修正后不同溫度下峰值應(yīng)變與應(yīng)變的趨勢更加明顯。

根據(jù)以上方法，采用溫度補(bǔ)償應(yīng)變速率Z對峰值應(yīng)變εp、穩(wěn)態(tài)應(yīng)變εs、發(fā)生50 %動態(tài)再結(jié)晶時的應(yīng)變ε0.5及動態(tài)再結(jié)晶平均晶粒尺寸drex進(jìn)行修正后代入公式，得到18MnD5鋼的動態(tài)再結(jié)晶模型：

(6)

(7)

(8)

(9)

圖2 修正前后Z與εm的關(guān)系Figure 2 The relations between Z and εm before and after correction

圖3 修正前后材料峰值應(yīng)變與應(yīng)變的關(guān)系Figure 3 The relation between material peak strain and strain before and after correction

圖4 不同變形量情況下平均晶粒尺寸分布(T=950℃，.5s-1)Figure 4 Average grain size distributions under different deformation situations (T =950℃，.5s-1)

圖5 不同位置平均晶粒尺寸隨行程變化的曲線(T=950℃，.5s-1)Figure 5 The curve of average grain size at different positions changed along stroke (T =950℃，.5s-1)

3 數(shù)值模擬分析

將動態(tài)再結(jié)晶模型輸入Deform軟件中，即可對18MnD5材料在不同條件下的動態(tài)再結(jié)晶情況及實(shí)現(xiàn)鍛件平均晶粒尺寸進(jìn)行預(yù)測。對?10 mm×14 mm 18MnD5試樣在不同溫度及應(yīng)變速率情況下熱壓縮變形進(jìn)行熱力耦合模擬，得到不同情況下鍛件晶粒尺寸的變化情況。溫度為950℃、應(yīng)變速率為 0.5s-1和初始晶粒尺寸為100 μm情況下，不同變形量時試樣平均晶粒尺寸分布情況如圖4所示。從圖4可以發(fā)現(xiàn)，在變形量為40%時，鍛件中心開始發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶；當(dāng)變形量達(dá)到50%時，試樣大部分區(qū)域發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶；當(dāng)變形量達(dá)到55%時，最小平均晶粒尺寸為13.8 μm，最大平均晶粒尺寸為89.3 μm，晶粒尺寸分布明顯分為三個區(qū)，即晶粒細(xì)小的中心部位大變形區(qū)、晶粒較大的上下表面難變形區(qū)和平均晶粒尺寸介于以上兩區(qū)之間的試樣側(cè)面自由變形區(qū)。

選取試樣上表面中點(diǎn)(點(diǎn)1)，試樣高度方向3/4、寬度方向1/2半徑處(點(diǎn)2)，試樣中心(點(diǎn)3)三個典型部位對鐓粗過程中平均晶粒尺寸進(jìn)行分析(圖5)。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，試樣中心(點(diǎn)3)在下壓量達(dá)到4.6 mm時最先發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，并在下壓量達(dá)到7.6 mm時完成完全動態(tài)再結(jié)晶，平均晶粒尺寸達(dá)到14.4 μm。點(diǎn)2動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生較點(diǎn)3晚，由于在試樣鐓粗過程中未發(fā)生完全動態(tài)再結(jié)晶，因此平均晶粒尺寸一直在減小，最后達(dá)到16.3 μm。點(diǎn)1與模具接觸，位于難變形區(qū)，在下壓量達(dá)到6.6 mm時才發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，最終平均晶粒尺寸達(dá)到77 μm。

4 結(jié)論

(1)采用TMTS試驗(yàn)機(jī)對18MnD5鋼試樣進(jìn)行等溫恒應(yīng)變速率熱壓縮實(shí)驗(yàn)，得到18MnD5材料真實(shí)流變應(yīng)力曲線，得到峰值應(yīng)變、穩(wěn)態(tài)應(yīng)變、動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸等重要參數(shù)。

(2)通過分析Zener-Hollomon參數(shù)與峰值應(yīng)變、穩(wěn)態(tài)應(yīng)變及動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸之間的關(guān)系，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正，排除誤差較大的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，使得動態(tài)再結(jié)晶模型更加準(zhǔn)確。

(3)建立了完整的18MnD5動態(tài)再結(jié)晶模型，對?10 mm×14 mm試樣在鐓粗過程中平均晶粒尺寸進(jìn)行了分析和預(yù)測。

[1] 《鍛件質(zhì)量分析》編寫組.鍛件質(zhì)量分析.北京：機(jī)械工業(yè)出版社[M]，1983.

[2] Zener C,Hollomon H. Effect of strain-rate upon the Plastic flow of steel. Journal Application Physics[J],1944，15(l):22-27.