非調(diào)質(zhì)鋼三維復(fù)雜熱鍛造過程多物理場數(shù)值模擬研究.pdf

1、復(fù)雜形狀鍛件生產(chǎn)過程發(fā)展成為智能制造技術(shù)是現(xiàn)代塑性加工科學(xué)發(fā)展的客觀要求。熱鍛造過程中,材料的變形、傳熱和組織演化相互作用,很大程度上限制了有限單元法在需要充分考慮微觀組織影響的熱鍛造工藝中的應(yīng)用。為了研究復(fù)雜零件熱鍛造中微觀組織演化過程,本文以較有代表性的兩種非調(diào)質(zhì)鋼F40MnV和38MnVS6(Ti)為研究對象,在所建立的微觀組織演化模型基礎(chǔ)上,以成熟的商用有限元為平臺,開發(fā)適合復(fù)雜零件多工序成形及冷卻過程使用的有限元變形-傳熱-微

2、觀組織演化分析系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件熱鍛造及其冷卻過程多物理場的數(shù)值模擬,以期為確定和優(yōu)化復(fù)雜零件鍛造工藝提供科學(xué)的依據(jù)。
　　 在對兩種非調(diào)質(zhì)鋼F40MnV和38MnVS6(Ti)熱變形行為的系統(tǒng)研究基礎(chǔ)上,針對高溫奧氏體流動應(yīng)力隨變形的兩個階段(加工硬化-動態(tài)回復(fù)階段和動態(tài)再結(jié)晶階段)不同,依據(jù)熱模擬試驗(yàn)確定模型特征參數(shù)與Zener-hollomon參數(shù)的關(guān)系,首次建立了該兩種鋼符合微觀組織演化機(jī)理的高溫奧氏體流動應(yīng)力模型。模型

3、預(yù)測的高溫流動應(yīng)力與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合,可以用于同類鋼種熱加工工藝的制定和有限元數(shù)值模擬研究。
　　 通過大量的熱模擬試驗(yàn),首次較為完整地建立了描述非調(diào)質(zhì)鋼F40MnV熱變形過程微觀組織演化的數(shù)學(xué)模型,這些模型包括動態(tài)再結(jié)晶、靜態(tài)再結(jié)晶和晶粒長大模型,定量的反映熱力學(xué)參數(shù)對動態(tài)、靜態(tài)再結(jié)晶演化過程以及晶粒尺寸變化的影響。試驗(yàn)結(jié)果顯示,模型的計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果較為吻合。另外,依據(jù)熱模擬試驗(yàn)建立了非調(diào)質(zhì)鋼38MnVS6(Ti)熱變形過

4、程的動態(tài)再結(jié)晶模型,確定了適用于該種中碳釩鈦非調(diào)質(zhì)鋼的靜態(tài)再結(jié)晶模型以及適用溫度為T>850℃。所建立的微觀組織模型為定量研究該兩種非調(diào)質(zhì)鋼熱變形中的微觀組織演化奠定了基礎(chǔ)。
　　 為了建立冷卻過程中奧氏體向鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變的數(shù)學(xué)模型,本文以超組元模型為熱力學(xué)基礎(chǔ),綜合考慮變形過程的微觀組織變化對儲存能的影響,計(jì)算了非調(diào)質(zhì)鋼奧氏體向鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變的熱力學(xué)參數(shù)；以Cahn模型為動力學(xué)基礎(chǔ),依據(jù)熱膨脹實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算適合F40Mn

5、V鋼和38MnVS6(Ti)鋼使用的相關(guān)模型參數(shù),結(jié)合Scheil疊加法則,確定了完整的描述中碳釩和中碳釩鈦非調(diào)質(zhì)鋼奧氏體向鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變的數(shù)學(xué)模型。該模型計(jì)算F40MnV鋼連續(xù)冷卻過程的相變開始溫度和轉(zhuǎn)變分?jǐn)?shù)的計(jì)算值與實(shí)測值吻合的較好。
　　 為了滿足非等溫、非固定應(yīng)變速率實(shí)際生產(chǎn)條件下微觀組織模擬需要,本文提出了一套計(jì)算非穩(wěn)態(tài)條件下熱變形奧氏體微觀組織演化的計(jì)算方法。該方法滿足再結(jié)晶分?jǐn)?shù)連續(xù)增長和奧氏體晶粒尺寸連續(xù)變化的

6、冶金學(xué)原理,同時便于限元計(jì)算過程的程序?qū)崿F(xiàn)。結(jié)合連續(xù)冷卻過程相變的計(jì)算方法,在MSC.Superform有限元平臺上開發(fā)了較為完整的適合二維零件熱成形及冷卻過程的變形-溫度-組織演化耦合分析系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)從變形到冷卻整個過程的微觀組織演化的連續(xù)預(yù)測。使用該分析系統(tǒng)模擬F40Mnv鋼非等溫、非固定應(yīng)變速率熱壓縮及空冷的全過程,奧氏體晶粒尺寸和相轉(zhuǎn)變產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)的模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果較為吻合。
　　 在上述工作的基礎(chǔ)上,開發(fā)了適合復(fù)雜