郭良剛，潘 霞，楊 合，李永堂，谷瑞杰

(1．西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072;2．太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024;3．中國(guó)重型機(jī)械研究院有限公司，陜西 西安 710032)

0 前言

環(huán)類零件鑄輾復(fù)合成形 (見圖1(a))是一種直接利用環(huán)形鑄坯輾軋獲得環(huán)形零件的短流程制造新技術(shù)，與傳統(tǒng)環(huán)件輾軋利用鍛坯軋制成形的工藝 (見圖1(b))流程相比，具有短流程、節(jié)能、節(jié)材、高效、低成本、環(huán)保等技術(shù)優(yōu)勢(shì)［1-2］。然而環(huán)形鑄坯材料微觀組織的演變規(guī)律及合理控制是該新技術(shù)發(fā)展面臨的主要瓶頸。圖1為兩種工藝的流程圖對(duì)比。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用理論解析、試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法對(duì)環(huán)件輾軋工藝的變形控制及優(yōu)化方面開展了大量研究。郭良剛［3-4］等人在ABAQUS環(huán)境下，建立了大型環(huán)件徑軸向軋制的熱力耦合有限元模型，提出了導(dǎo)向輥的柔性控制方法和穩(wěn)定軋制條件。馬義偉［5］等研究了驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速對(duì)異形環(huán)件軋制過(guò)程及熱力參數(shù)分布的影響規(guī)律，研究表明從環(huán)件金屬軸向收縮、軋制力和溫度分布均勻性考慮，以較低的驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速軋制為宜。在微觀組織演變研究方面，王敏［6-7］將Ti-6Al-4V的微觀組織演變模型通過(guò)ABAQUS二次開發(fā)子程序應(yīng)用于大型環(huán)件熱輾軋過(guò)程的3D-FE模擬中，研究了微觀組織在成形過(guò)程中的演變特征及機(jī)理;許思廣［8］等通過(guò)將微觀組織演變模型嵌入熱力耦合三維剛塑性有限元分析程序，對(duì)鋼環(huán)件熱輾軋過(guò)程進(jìn)行了模擬，得到了環(huán)件變形區(qū)和變形區(qū)外典型截面上的奧氏體晶粒分布及平均晶粒尺寸;歐新哲［9］等預(yù)測(cè)了40Cr鋼再結(jié)晶晶粒尺寸和體積分?jǐn)?shù)，揭示了工藝參數(shù)對(duì)40Cr鋼環(huán)件熱輾軋過(guò)程中奧氏體組織的影響規(guī)律。

然而，環(huán)類零件鑄輾復(fù)合成形微觀組織方面的研究鮮見報(bào)道，僅有張峰等［1］研究了芯輥進(jìn)給速度對(duì)鑄態(tài)42CrMo鋼環(huán)件熱輾軋過(guò)程的微觀組織演化影響規(guī)律。由于驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速是環(huán)件輾軋工藝的關(guān)鍵控制因素之一，它對(duì)成形過(guò)程的應(yīng)變歷史、應(yīng)變速率及溫度場(chǎng)變化都將產(chǎn)生重要影響，進(jìn)而影響到鑄坯材料鑄態(tài)組織的再結(jié)晶行為及軋制環(huán)件的最終組織狀態(tài)。因此，本文擬基于ABAQUS平臺(tái)，建立42CrMo鑄坯環(huán)件熱輾軋的宏微觀有限元模型，模擬揭示環(huán)形鑄坯材料的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為，闡明驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速對(duì)再結(jié)晶晶粒尺寸及其分布的影響規(guī)律與機(jī)制。

1 宏微觀有限元模型的建立

1.1 環(huán)件熱輾軋宏觀變形有限元預(yù)測(cè)模型

圖2給出了環(huán)件熱輾軋過(guò)程3D-FE熱力耦合模型。為保證成形過(guò)程的穩(wěn)定性及成形件的圓度，模型中導(dǎo)向輥的控制和建模參見文獻(xiàn)［10］。成形過(guò)程中環(huán)坯和驅(qū)動(dòng)輥、芯輥之間的摩擦采用Coulomb摩擦模型，摩擦系數(shù)設(shè)為μ=0.3，忽略導(dǎo)向輥和環(huán)坯的摩擦。環(huán)件熱輾軋過(guò)程存在變形、傳熱和微觀組織演變的復(fù)雜交互作用，本文采用“準(zhǔn)耦合”格式分別處理變形、傳熱和微觀組織演變過(guò)程的迭代求解［11］，能夠準(zhǔn)確、高效的預(yù)測(cè)環(huán)件熱輾軋過(guò)程的場(chǎng)量變化規(guī)律。數(shù)值模擬中采用的物理參數(shù)見表1［12］。

圖2 環(huán)件熱輾軋3D-FE熱力耦合模型Fig.2 Coupled thermo-mechanical 3D-FE model for hot ring rolling

通過(guò)以上方法，建立了環(huán)件熱輾軋過(guò)程宏觀變形預(yù)測(cè)的有限元模型，該模型從能量評(píng)估、環(huán)坯幾何形狀的演變、輾擴(kuò)力以及溫度場(chǎng)的演變等方面已得到了試驗(yàn)的驗(yàn)證［13］。

表1 物理參數(shù)［12］Table 1 Physical parameters［12］

1.2 鑄態(tài)42CrMo鋼本構(gòu)關(guān)系與微觀組織演變模型

本文基于付甲［14-15］等以Zener-Hollomon參數(shù)描述的唯像本構(gòu)關(guān)系和微觀組織演變模型進(jìn)行了修正，修正后的模型如下所述。

1.2.1 本構(gòu)關(guān)系

1.2.2 微觀組織演變模型

式中，εp為峰值應(yīng)變;d0為初始晶粒尺寸(μm);εc為臨界應(yīng)變;ε0.5為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)為50%時(shí)的應(yīng)變;Xdrex為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶百分?jǐn)?shù);ddrex為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸 (μm)。

通過(guò)采用有限元模擬鑄態(tài)42CrMo鋼熱壓縮過(guò)程中動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為，并與實(shí)際熱壓縮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比較，驗(yàn)證了該組織模型能夠準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)鑄坯材料在熱變形過(guò)程中的組織演變行為［12］。

1.2.3 宏微觀模型的耦合

本文基于ABAQUS軟件平臺(tái)，將42CrMo鋼的微觀組織演變模型和率相關(guān)、溫度相關(guān)各向同性硬化彈塑性本構(gòu)模型寫入VUMAT子程序，采用彈性預(yù)估－塑性校正策略和隱式積分算法，計(jì)算子程序中每一步的應(yīng)變和應(yīng)變率，而溫度可從主程序中讀取，將這些熱力參數(shù)輸入到微觀組織演化模型中，即可獲得微觀組織參量。利用有限元模擬和圓柱體等溫鐓粗實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比，驗(yàn)證了該子程序能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)成形過(guò)程中的微觀組織［7］。

2 模擬結(jié)果與討論

2.1 模擬計(jì)算條件

(1)環(huán)形鑄坯、驅(qū)動(dòng)輥和芯輥幾何尺寸見表2，毛坯尺寸設(shè)計(jì)方法見相關(guān)文獻(xiàn)［16］;

(2)要轉(zhuǎn)變環(huán)形鑄坯鑄態(tài)組織為鍛態(tài)組織，必須需采用較大的軋比［17］，綜合計(jì)算后取軋比m=1.7;

(3)鑄態(tài)42CrMo鋼的完全奧氏體區(qū)域?yàn)?800℃ ～1250℃［14］，故本文選取初始軋制溫度:T=1050℃;

(4)芯輥的進(jìn)給速度為v=1.5 mm/s;驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速取n={3，4，5，7，9}rad/s。

表2 環(huán)形鑄坯及軋輥尺寸Table 2 Geometric dimensions of ring blank and rolls

2.2 鑄坯環(huán)件熱輾軋過(guò)程微觀組織演變規(guī)律

2.2.1 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)

圖3為鑄坯環(huán)件輾軋過(guò)程不同時(shí)刻鑄坯材料動(dòng)態(tài)再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)分布云圖，其中自定義變量SDV17代表再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)。由圖可知，初始軋制階段，輥縫局部變形區(qū)首先發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，這是因?yàn)檩氒堖^(guò)程中，環(huán)坯首先在輥縫變形區(qū)發(fā)生變形，導(dǎo)致該區(qū)的位錯(cuò)密度增大，金屬畸變能增大，因而動(dòng)態(tài)再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力增大，當(dāng)變形程度達(dá)到動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界應(yīng)變時(shí)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶就發(fā)生。隨著軋制過(guò)程的進(jìn)行，環(huán)件的變形由局部變形區(qū)演變?yōu)榄h(huán)帶，并不斷向變形量較小的中間層擴(kuò)展，因而動(dòng)態(tài)再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)由變形區(qū)逐漸擴(kuò)展形成環(huán)帶，并不斷向中間層擴(kuò)展，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶呈現(xiàn)出環(huán)件內(nèi)、外層程度高而中間低的分布特征。

2.2.2 平均晶粒尺寸

平均晶粒尺寸的大小和分布是動(dòng)態(tài)再結(jié)晶產(chǎn)生的晶粒尺寸和原始晶粒尺寸的綜合反映，最終決定了軋制成形環(huán)件的綜合力學(xué)性能。定義平均晶粒尺寸的計(jì)算模型為［9］:

圖4為鑄坯環(huán)件輾軋過(guò)程不同時(shí)刻鑄坯材料的平均晶粒尺寸分布云圖，其中自定義變量SDV19代表平均晶粒尺寸。由圖可知，在軋制初期，輥縫變形區(qū)首先發(fā)生晶粒細(xì)化，隨著軋制過(guò)程的進(jìn)行，平均晶粒尺寸的分布由局部變形區(qū)演變?yōu)榄h(huán)帶，并呈現(xiàn)出鑄坯環(huán)件內(nèi)外層晶粒尺寸細(xì)小而中間層晶粒尺寸粗大的分布規(guī)律。這是因?yàn)閯?dòng)態(tài)再結(jié)晶是晶粒細(xì)化的主要機(jī)制之一，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶發(fā)生的部位會(huì)生成細(xì)小的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶核。另一方面，由于鑄坯環(huán)件內(nèi)、外層的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶核在形成和長(zhǎng)大的過(guò)程中受到的變形作用較明顯，使該處的奧氏體晶粒出現(xiàn)反復(fù)形核、有限生長(zhǎng)的特點(diǎn)［18］。

2.3 驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速對(duì)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)的影響

圖5為不同驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速下成形環(huán)件的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)分布云圖。從圖中可知，隨著驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速的增加，成形環(huán)件的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)不斷增大。圖6為不同驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速下，成形環(huán)件沿徑向方向的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)分布曲線。從圖中可知，驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速增大，環(huán)件沿徑向方向上動(dòng)態(tài)再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)整體增加。這是因?yàn)殡S著驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速增大，一方面環(huán)坯每轉(zhuǎn)進(jìn)給量減小，變形主要集中在環(huán)坯的表層導(dǎo)致該處的變形熱效應(yīng)增強(qiáng);另一方面，軋制道次增加有利于降低環(huán)形鑄坯和環(huán)境之間的熱交換，二者的綜合效果使得鑄坯環(huán)件整體溫度升高，如圖7所示。而溫度的升高會(huì)使鑄態(tài)材料的變形抗力降低，從而增加材料的塑性流動(dòng)，因此隨著驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速增大，成形環(huán)件沿徑向的等效塑性應(yīng)變值增大，如圖8所示。因此驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速增大，導(dǎo)致溫度升高和變形程度增大，這對(duì)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生有重要的促進(jìn)作用，最終使動(dòng)態(tài)再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)增大。

2.4 驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速對(duì)平均晶粒尺寸及分布的影響

本文采用公式 (7)來(lái)描述平均晶粒尺寸模型，采用晶粒尺寸標(biāo)準(zhǔn)差SDF(公式 (8))來(lái)描述動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸分布的非均勻程度。SDF值越大，表示軋制成形環(huán)件晶粒尺寸分布越不均勻。

式中，Xa為環(huán)件上所有單元的平均晶粒尺寸的平均值，即:

其中，N環(huán)件上的所有單元數(shù)，Xi為第i各單元的平均晶粒尺寸。

圖9為不同驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速下成形環(huán)件的平均晶粒尺寸分布云圖。從圖中可知，隨著驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速的增大，軋制成形環(huán)件的平均晶粒尺寸的最大值和最小值都減小。圖10給出了不同驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速下環(huán)件沿徑向的平均晶粒尺寸分布。從圖中可知，驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速增大，成形環(huán)件晶粒整體細(xì)化。圖11為不同驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速下環(huán)件軋制過(guò)程中輥縫局部變形區(qū)的最大應(yīng)變速率的變化曲線，可以看出，驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速增大，環(huán)件輥縫局部變形區(qū)的應(yīng)變速率明顯增加。而動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸是由晶粒長(zhǎng)大速率和形核率來(lái)共同作用的［18］，在高應(yīng)變速率作用下，鑄坯材料的奧氏體中形成了大量的位錯(cuò)和結(jié)構(gòu)缺陷，形變儲(chǔ)存能增大，為奧氏體再結(jié)晶提供了有利的形核條件，提高了形核率，從而達(dá)到了細(xì)化晶粒的效果，這正是驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速增大，成形環(huán)件晶粒整體細(xì)化的原因和機(jī)理。

圖12給出了驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速對(duì)平均晶粒尺寸及其分布均勻性 (SDF)的影響曲線?？梢钥闯?，驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速增大，平均晶粒尺寸逐漸減小，但對(duì)晶粒分布的均勻性影響不顯著。

圖12 驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速對(duì)平均晶粒尺寸及其分布的影響曲線Fig.12 Effect of rotational speed of main roll on average grain size and its distribution uniformity

3 結(jié)論

(1)修正了鑄態(tài)42CrMo鋼動(dòng)態(tài)再結(jié)晶模型，并通過(guò)ABAQUS平臺(tái)VUMAT子程序開發(fā)，建立了可靠的42CrMo鑄坯環(huán)件熱輾軋宏微觀有限元模型。

(2)揭示了鑄態(tài)42CrMo鋼環(huán)件熱輾軋過(guò)程動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為，發(fā)現(xiàn)鑄坯材料動(dòng)態(tài)再結(jié)晶呈環(huán)件內(nèi)、外層程度高而中間層低的分布特征，而晶粒尺寸呈內(nèi)、外層細(xì)化而中間層粗大的分布特征。

(3)隨著驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速增大，鑄坯材料動(dòng)態(tài)再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)增加，軋制環(huán)件晶粒尺寸減小，而對(duì)平均晶粒尺寸分布的均勻性影響不顯著。

［1］ 張峰，李永堂，齊會(huì)萍，等．環(huán)形鑄坯熱輾擴(kuò)成形微觀組織演變規(guī)律研究［J］．鍛壓裝備與制造技術(shù)，2011，(2):96－99．

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