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非调质钢三维复杂热锻造过程多物理场数值模拟研究

王进  
【摘要】: 复杂形状锻件生产过程发展成为智能制造技术是现代塑性加工科学发展的客观要求。热锻造过程中,材料的变形、传热和组织演化相互作用,很大程度上限制了有限单元法在需要充分考虑微观组织影响的热锻造工艺中的应用。为了研究复杂零件热锻造中微观组织演化过程,本文以较有代表性的两种非调质钢F40MnV和38MnVS6(Ti)为研究对象,在所建立的微观组织演化模型基础上,以成熟的商用有限元为平台,开发适合复杂零件多工序成形及冷却过程使用的有限元变形-传热-微观组织演化分析系统,实现复杂零件热锻造及其冷却过程多物理场的数值模拟,以期为确定和优化复杂零件锻造工艺提供科学的依据。 在对两种非调质钢F40MnV和38MnVS6(Ti)热变形行为的系统研究基础上,针对高温奥氏体流动应力随变形的两个阶段(加工硬化-动态回复阶段和动态再结晶阶段)不同,依据热模拟试验确定模型特征参数与Zener-hollomon参数的关系,首次建立了该两种钢符合微观组织演化机理的高温奥氏体流动应力模型。模型预测的高温流动应力与试验结果较为吻合,可以用于同类钢种热加工工艺的制定和有限元数值模拟研究。 通过大量的热模拟试验,首次较为完整地建立了描述非调质钢F40MnV热变形过程微观组织演化的数学模型,这些模型包括动态再结晶、静态再结晶和晶粒长大模型,定量的反映热力学参数对动态、静态再结晶演化过程以及晶粒尺寸变化的影响。试验结果显示,模型的计算结果和试验结果较为吻合。另外,依据热模拟试验建立了非调质钢38MnVS6(Ti)热变形过程的动态再结晶模型,确定了适用于该种中碳钒钛非调质钢的静态再结晶模型以及适用温度为T 850℃。所建立的微观组织模型为定量研究该两种非调质钢热变形中的微观组织演化奠定了基础。 为了建立冷却过程中奥氏体向铁素体和珠光体转变的数学模型,本文以超组元模型为热力学基础,综合考虑变形过程的微观组织变化对储存能的影响,计算了非调质钢奥氏体向铁素体和珠光体转变的热力学参数;以Cahn模型为动力学基础,依据热膨胀实验结果计算适合F40MnV钢和38MnVS6(Ti)钢使用的相关模型参数,结合Scheil叠加法则,确定了完整的描述中碳钒和中碳钒钛非调质钢奥氏体向铁素体和珠光体转变的数学模型。该模型计算F40MnV钢连续冷却过程的相变开始温度和转变分数的计算值与实测值吻合的较好。 为了满足非等温、非固定应变速率实际生产条件下微观组织模拟需要,本文提出了一套计算非稳态条件下热变形奥氏体微观组织演化的计算方法。该方法满足再结晶分数连续增长和奥氏体晶粒尺寸连续变化的冶金学原理,同时便于有限元计算过程的程序实现。结合连续冷却过程相变的计算方法,在MSC.Superform有限元平台上开发了较为完整的适合二维零件热成形及冷却过程的变形-温度-组织演化耦合分析系统,能够实现从变形到冷却整个过程的微观组织演化的连续预测。使用该分析系统模拟F40MnV钢非等温、非固定应变速率热压缩及空冷的全过程,奥氏体晶粒尺寸和相转变产物体积分数的模拟结果和试验结果较为吻合。 在上述工作的基础上,开发了适合复杂零件多工序热成形及冷却过程使用的变形-温度-组织演化耦合分析系统。使用该分析系统对载重汽车用38MnVS6(Ti)钢活塞多工序热成形及冷却过程进行了连续完整的三维数值模拟,首次动态的实现了复杂零件多工序热成形过程和冷却过程多物理场的数值模拟,揭示了复杂零件热成形过程中动态再结晶、静态再结晶演化情况和晶粒尺寸的分布规律以及热成形后冷却过程中铁素体和珠光体转变分布规律,模拟结果和试验结果较为吻合,为实现合理的优化工艺设计提供了科学的依据。


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