基于铸坯的环件热辗扩过程微观组织演变研究.pdf

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1、文章编号：1672—0121(2011)o5—0098—03基于铸坯的环件热辗扩过程微观组织演变研究张锋，李永堂。齐会萍。付甲。赵磊(太原科技大学材料科学与工程学院，山西太原030024)摘要：根据建立的环形铸坯热辗扩成形刚塑性有限元模型和铸态42CrMo钢动态再结晶数学模型，基于DEFORM一3D软件平台，综合考虑了变形、传热和微观组织演变等因素，对辗扩过程中的变形和动态再结晶行为进行宏微观耦合模拟。结果表明：在环形铸坯热辗扩成形过程中，动态再结晶程度较低，等效应变和晶粒尺寸呈现环带状分布，环件的内外层等效应变大，动态再结晶晶粒尺寸和平

2、均晶粒尺寸细小，变形量较小的环件中层晶粒尺寸相对粗大。关键词：机械制造；热辗扩；环形铸坯；组织分析中图分类号：TG335．6文献标识码：B1引言体积分布。但是，有关铸态组织演变及其在热辗扩热辗扩工艺作为生产各种形状和尺寸的无缝环成形过程中再结晶机理和规律方面的研究还较少。形零件的先进制造技术，在机械、能源、航空航天等本文基于刚塑性有限元变形理论，根据实验室许多212业领域中都有广泛的应用【”。而利用环形铸坯建立的铸态42CrMo钢材料模型和动态再结晶数学直接热辗扩制造环件与传统的辗扩工艺(冶炼钢模型，采用DEFORM一3D软件，xl,-~

3、F形铸坯热辗扩锭一开坯一锻压一热辗扩成形)相比，由于减少了生成形过程进行宏观变形和微观组织演变耦合模拟，产工序和加热次数，能够显著的降低能耗，提高生产分析变形过程中的动态再结晶演变规律，对工艺优率和经济效益，具有巨大的发展潜力和广阔的推广化、质量预测与控制具有重要的指导意义。应用前景。在环形铸坯热辗扩成形过程中，不仅要控制环2动态再结晶数学模型材料的化学成分和微观组织结构对成形环件的件的几何尺寸精度，而且要通过高温变形作用，使粗大的铸态组织转化为锻态组织，消除铸造组织缺陷，力学性能有很大影响，由于环形铸坯热辗扩成形是提高环件的综合力学性能

4、。动态再结晶作为热辗扩一个连续局部塑性成形过程，非变形区在高温停留时间短，发生静态再结晶和亚动态再结晶的程度比成形过程中最重要的微观组织演变行为，它的发生较小，因此，环件辗扩后的晶粒尺寸主要取决于动态对铸态组织晶粒细化起着非常重要的作用。近年来，再结晶程度的大小和分布。本课题采用热压缩模拟随着有限元技术的快速发展，国内外学者对高温变实验和金相观测试验方法，建立了铸态42CrMo钢形过程中的微观组织演变进行了大量的模拟研究。的动态再结晶演化模型【8J。Young—SangNa等利用有限元法对IN718合金涡轮2．1动态再结晶动力学模型盘锻造

5、过程中的晶粒尺寸变化及动态再结晶体积分环形铸坯发生动态再结晶临界应变与峰值数进行了数值模拟研究；Li将建立的反映变形一传应变之间的关系为：热一微观组织演化交互作用关系的流动应力模型耦占=0．75占。合到有限元程序中，对钛合金盘的模锻过程和微观组6．1875×lO-2dg~~ZTexp(2．2动态再结晶运动学模型环形铸坯发生动态再结晶的运动学模型是以如下Avrami方程为基础的：x=1-exp[-0．69(等)]鼬_3_736×10~]341exp()式中：一动态荐结晶体积分数；(3)环件热辗扩的工艺参数：环形铸坯的初始外——动态再结晶体积

6、分数为50％时的应径、内径和高度分别为500mm、858mm和234mm；驱变。动辊、芯辊和导向辊直径分别为850mm、280ram和2．3动态再结晶晶粒模型140mm；驱动辊转速3．06rad／s，芯辊进给速度lmrrd动态再结晶晶粒尺寸也(m)模型为：s；铸坯的初始晶粒尺寸d0=250wm，初始辗扩温度1150~c；~4~与成形辊的摩擦因子0．7，辗扩时间45s。455x10删一9exp(》4模拟结果与分析3环形铸坯热辗扩T艺4．1应变场和平均晶粒尺寸分布3．1有限元模型建立图2和图3分别为环形铸坯热辗扩结束时，环通过PRO／E软件建

7、立环形铸坯热辗扩的三维件等效应变和平均晶粒尺寸的分布图。从图中可以几何装配模型，分别生成STL文件，导人到DE—看出环件平均晶粒尺寸的分布趋势与等效应变相FORM模拟软件中，建立的数字仿真有限元模型如似，都呈现环带状分布。和成形辊接触的环件内外层图l所示。由于环件在热辗扩过程中的变形量比较区域等效应变比较大，平均晶粒尺寸细化明显，粗晶大，忽略其弹性变形，视为刚塑性材料。为了使模拟区主要集中在环件的中层部位。这是由于在变形温能够顺利进行，方便大变形畸变网格的重划分，环坯度和应变速率一定的条和成形辊都采用四面体单元网格，环坯的网格数为件下，变

8、形程度比较大60000个。为了节约计算时间，将成形辊作为剐性体的环件内外表层位错密对待，由于在辗扩成形过程中成形辊只与环坯发生度大，再结晶的驱动力热量传导，网格可划分得稀疏一些。较大，有利于再