中碳結(jié)構(gòu)鋼亞熱控制精密成形特性模擬研究.pdf

1、伴隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和制造全球化的熱潮,為了使得產(chǎn)品具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,采用低成本高質(zhì)量的先進(jìn)制造技術(shù)已成為制造業(yè)不可遏制的發(fā)展趨勢(shì)。亞熱控制精密成形是在溫成形和熱成形溫度范圍之間成形的一種精密成形工藝。該工藝具有如下優(yōu)點(diǎn):變形抗力低,簡(jiǎn)化工序,節(jié)約能耗,成形后的產(chǎn)品不僅能滿足尺寸精度要求,同時(shí)成形件晶粒細(xì)小,力學(xué)性能優(yōu)良。本文以汽車精鍛件常用的合金結(jié)構(gòu)鋼40Cr和DIN優(yōu)質(zhì)碳素鋼Cf53為研究對(duì)象,以汽車花鍵軸為載體,采用物理模擬和數(shù)值模擬相結(jié)

2、合的方法對(duì)亞熱控制精密成形特性進(jìn)行了系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究。
　　通過(guò)熱模擬實(shí)驗(yàn)和定量金相技術(shù)分析了40Cr和Cf53鋼的亞熱變形行為和變形工藝參數(shù)對(duì)微觀組織的影響。多因素方差分析結(jié)果顯示,對(duì)于這兩種鋼在亞熱成形條件下等效應(yīng)變,等效應(yīng)變率和溫度三因素都為影響顯著的因素。其影響程度由主到次可排列如下:等效應(yīng)變速率,變形溫度,等效應(yīng)變。
　　本文基于對(duì)Zener-Hollomon參數(shù)的研究,建立了一種由穩(wěn)態(tài)項(xiàng)和修正項(xiàng)構(gòu)成的新型流變

3、應(yīng)力模型。穩(wěn)態(tài)項(xiàng)是金屬材料在亞熱變形過(guò)程中的穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力模型,而修正項(xiàng)是指流變應(yīng)力隨應(yīng)變的變化而變化的部分。并把它應(yīng)用到40Cr和Cf53鋼中,計(jì)算出這兩種鋼新型流變應(yīng)力模型的具體參數(shù)值。本文計(jì)算了40Cr和Cf53鋼的亞熱成形激活能,分別為:318.759kJ/mol和274.803kJ/mol。
　　把Zener-hollomon參數(shù)作為亞熱成形過(guò)程中宏觀流變應(yīng)力與微觀晶粒尺寸的橋梁,建立了宏觀流變應(yīng)力和變形后奧氏體晶粒尺寸的

4、關(guān)系式,并首次計(jì)算了40Cr和Cf53鋼亞熱成形宏觀流變應(yīng)力和變形后奧氏體晶粒尺寸間的關(guān)系模型,為實(shí)際應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。
　　建立了40Cr和Cf53鋼亞熱成形動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸模型,首次建立了40Cr和Cf53鋼在亞熱變形條件下,Avrami指數(shù)隨應(yīng)變速率的變化而變化的再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)模型。
　　通過(guò)研究在溫度為1123-1273K和應(yīng)變速率為0.1-20s-1條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,首次構(gòu)建了40Cr鋼的亞熱變形加工圖,結(jié)

5、果顯示高的能量耗散效率對(duì)應(yīng)著峰值應(yīng)力的出現(xiàn)和由動(dòng)態(tài)再結(jié)晶產(chǎn)生的流動(dòng)軟化。在應(yīng)變?yōu)?.4時(shí)，在變形條件為1210-1230K,0.1-O.5s-1下，能量耗散效率達(dá)37％，材料發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，產(chǎn)生細(xì)小均勻的奧氏體晶粒，為最優(yōu)加工參數(shù)。
　　為了精確的模擬40Cr和Cf53鋼亞熱精鍛工藝條件下的成形行為，采用編寫(xiě)用戶子程序的方法，把本文建立的新型流變應(yīng)力模型禍合到DEFORM-3D程序中。建立了40Cr和Cf53鋼亞熱精鍛工藝模擬原型

6、系統(tǒng)。對(duì)40Cr和Cf53鋼亞熱擠壓變形過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了變形溫度，變形速度，變形量和摩擦因子對(duì)亞熱擠壓成形過(guò)程中等效應(yīng)變的影響。
　　基于本文建立的亞熱成形微觀演化模型，利用變形過(guò)程中的等效應(yīng)力場(chǎng)，等效應(yīng)變場(chǎng)，等效應(yīng)變速率場(chǎng)數(shù)據(jù)，首次用Visual C++編程實(shí)現(xiàn)了對(duì)亞熱擠壓過(guò)程微觀演化參量的計(jì)算，建立了微觀演化參量預(yù)測(cè)的原型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)再結(jié)晶晶粒度和再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)的預(yù)測(cè)。對(duì)40Cr和Cf53鋼亞熱擠壓變形進(jìn)行了數(shù)值模擬

7、，研究了變形工藝參數(shù)對(duì)再結(jié)晶晶粒尺寸和再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)的影響。
　　進(jìn)行40Cr和Cf53鋼亞熱正反擠壓實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行了定量金相分析，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果和有限元模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比證實(shí)了本文的微觀組織演化預(yù)測(cè)系統(tǒng)和流變應(yīng)力模型在40Cr和Cf53鋼亞熱變形過(guò)程的應(yīng)用具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，從而驗(yàn)證了本文提出的新型流變應(yīng)力模型的建模方法是合理的。
　　采用本文研究的亞熱控制精鍛微觀模擬系統(tǒng)，以汽車花鍵軸為例，對(duì)亞熱成形進(jìn)行工藝分析，確定了工藝