低碳鋼鍛造與軋制過(guò)程成形和組織演化的模擬計(jì)算.pdf

1、鋼鐵材料是最主要的工程結(jié)構(gòu)材料之一，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)著非常重要的地位，其應(yīng)用范圍極其廣泛，覆蓋能源、交通、建筑、航空和國(guó)防等諸多領(lǐng)域。隨著鋼鐵材料的深入應(yīng)用，對(duì)其力學(xué)性能的要求也越來(lái)越高，特別是在厚大斷面的特殊鋼鐵材料制備中，對(duì)其組織均勻性提出了更高的要求。而從宏觀、介觀以及跨尺度耦合模擬著手，結(jié)合實(shí)驗(yàn)表征，綜合考慮熱塑性加工方式對(duì)材料力學(xué)性能影響方面的研究卻鮮有涉及。特別地，對(duì)于擁有厚大斷面或者基于大壓制比成形的結(jié)構(gòu)零件，熱加工過(guò)程中

2、的工藝參數(shù)會(huì)直接影響材料顯微組織的演化行為，從而最終影響鋼鐵產(chǎn)品的綜合力學(xué)性能。因此，研究不同的熱塑性加工方式對(duì)材料顯微組織演化的影響就極其重要。
　　本文以普通低碳鋼為對(duì)象，研究了鍛造和軋制過(guò)程中的鋼鐵構(gòu)件成形中的微觀組織建模及控制問(wèn)題。利用125MN自由鍛壓機(jī)，鍛造26t實(shí)物大鍛件，并立足于宏觀有限元模擬、介觀尺度元胞自動(dòng)機(jī)數(shù)值模擬以及宏觀介觀多尺度耦合計(jì)算方法，結(jié)合大件實(shí)物解剖和實(shí)驗(yàn)表征，研究了材料熱加工過(guò)程中顯微組織的演變

3、，主要的研究?jī)?nèi)容包括:
　　(1)基于宏觀有限元模擬方法，建立了大型鍛件鍛造過(guò)程宏觀有限元模型。結(jié)合實(shí)際的鍛造加工工藝，模擬再現(xiàn)了26t大鍛件多道次鍛造熱塑性加工過(guò)程，得出了鍛造加工過(guò)程中的溫度場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)和應(yīng)變速率場(chǎng)等隨加工過(guò)程的變化情況，為進(jìn)一步研究鍛件內(nèi)部的顯微組織演變提供了參考數(shù)據(jù)。接著，基于宏觀有限元計(jì)算結(jié)果，利用經(jīng)驗(yàn)物理冶金模型，計(jì)算得出了鍛件內(nèi)部不同位置的顯微組織情況。同時(shí)，對(duì)鍛后尺寸為6500mm×1200mm的大鍛

4、件進(jìn)行了解剖，并且開(kāi)發(fā)出了大斷面多級(jí)拋光技術(shù)和大斷面冷酸腐蝕方法，獲得大鍛件中心斷面的整體低倍組織;對(duì)大鍛件典型位置進(jìn)行更細(xì)致解剖，獲得了典型位置的顯微金相組織形貌。一方面，對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果（鍛件表面晶粒尺寸為18μm，心部晶粒尺寸為26μm）和模擬結(jié)果（鍛件表面晶粒尺寸為19μm，心部晶粒尺寸為25μm），利用所建立的物理冶金模型，很好地預(yù)測(cè)了大鍛件多道次鍛造過(guò)程顯微組織演變結(jié)果，;另一方面，對(duì)于大鍛件鍛造成形過(guò)程，材料整體塑性應(yīng)變速率小

5、，單道次絕對(duì)壓下量大，有利于顯微缺陷的閉合，同時(shí)，鍛造過(guò)程累積變形量大，塑性形變時(shí)溫度高（約為1150℃），有利于微觀組織晶粒再結(jié)晶，從而細(xì)化晶粒。
　　(2)為了研究低碳鋼熱加工過(guò)程中的微觀組織行為，針對(duì)熱變形中發(fā)生的奧氏體動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象和相變過(guò)程，分別自主建立了介觀尺度元胞自動(dòng)機(jī)模型，所建模型綜合考慮了熱變形、位錯(cuò)密度演變、晶粒變形、形核與生長(zhǎng)、晶粒粗化等一系列物理冶金轉(zhuǎn)變過(guò)程，從轉(zhuǎn)變過(guò)程出發(fā)描述低碳鋼在熱變形中的顯微組織演變

6、過(guò)程，彌補(bǔ)了宏觀經(jīng)驗(yàn)物理模型的不足。應(yīng)用所建元胞自動(dòng)機(jī)模型，模擬了不同應(yīng)變速率（(ε)=0.01s-1，(ε)=0.1s-1，(ε)=1s-1）和不同初始晶粒尺寸(20μm，40μm，80μm)下的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為，及不同預(yù)變形(ε0=0，ε0=0.3，ε0=0.5，ε0=0.7，ε0=1.0)的相變行為。模擬結(jié)果如下:(ε)=0.01s-1時(shí)，穩(wěn)態(tài)晶粒尺寸為4μm;(ε)=0.1s-1時(shí)，穩(wěn)態(tài)晶粒尺寸為6μm，(ε)=1s-1時(shí)，穩(wěn)態(tài)晶

7、粒尺寸為9μm。雖然初始晶粒尺寸不同，穩(wěn)態(tài)晶粒尺寸均為6μm。
　　(3)提出了一種耦合宏觀熱變形的跨尺度的微觀組織模擬與預(yù)報(bào)的方法，采用有限元模擬，獲得多道次熱軋變形過(guò)程中單元節(jié)點(diǎn)的溫度、應(yīng)變速率和應(yīng)變等宏觀物理場(chǎng)量的變化情況，基于自主建立的元胞自動(dòng)機(jī)模型，進(jìn)一步擴(kuò)展了包含動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和靜態(tài)再結(jié)晶的熱變形過(guò)程的微觀組織演變的模型，該模型以位錯(cuò)密度為基本變量，通過(guò)追蹤非連續(xù)熱變形過(guò)程中元胞內(nèi)位錯(cuò)密度的變化，模擬復(fù)雜再結(jié)

8、晶過(guò)程中微觀組織的演變，以1780mm熱連軋機(jī)組的精軋過(guò)程為研究對(duì)象，利用該模型對(duì)多道次帶鋼熱軋過(guò)程的微觀組織演變進(jìn)行了模擬。與宏觀經(jīng)驗(yàn)物理冶金模型相比，跨尺度熱變形過(guò)程微觀組織模擬方法能更清楚地反映熱加工過(guò)程中各物理冶金轉(zhuǎn)變現(xiàn)象的作用過(guò)程與顯微組織特征。結(jié)果顯示，多道次熱軋過(guò)程中奧氏體再結(jié)晶受軋制參數(shù)的影響，即應(yīng)變速率、應(yīng)變量及溫度等，因這些宏觀場(chǎng)量在軋件中的分布不同，導(dǎo)致軋件不同位置處微觀組織的不同，包括再結(jié)晶分?jǐn)?shù)及平均晶粒尺寸等。