陳曉輝 門正興 馬亞鑫 岳太文 劉瑞琳 唐 越

(1.中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川621000；2.成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，四川610021)

20CrMnTiH熱變形行為及加工圖

陳曉輝1門正興2馬亞鑫2岳太文2劉瑞琳2唐 越2

(1.中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川621000；2.成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，四川610021)

采用熱模擬壓縮實(shí)驗(yàn)獲得20CrMnTiH材料溫度范圍為973～1173K和應(yīng)變速率為0.01 s-1～10 s-1情況下的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并繪制出材料熱加工圖。通過不同應(yīng)變下20CrMnTiH材料加工圖疊加，得到材料最佳變形工藝參數(shù)區(qū)間和材料失穩(wěn)工藝參數(shù)區(qū)間。

20CrMnTiH；動(dòng)態(tài)材料模型；加工圖；材料失穩(wěn)

新材料和新技術(shù)的不斷出現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)零件生產(chǎn)企業(yè)帶來了巨大的挑戰(zhàn)，同時(shí)，巨大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)壓力也迫使生產(chǎn)企業(yè)不斷優(yōu)化和創(chuàng)新現(xiàn)有產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝，盡可能的降低生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量。當(dāng)前，企業(yè)經(jīng)驗(yàn)積累的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上材料以及成形工藝的發(fā)展速度，最終導(dǎo)致工藝人員對(duì)新材料新工藝手足無措，其最根本的原因是對(duì)材料的可加工性能缺乏深刻的了解。材料的可加工性能與成形溫度、變形程度、變形速率等因素有關(guān)，目前得到一定溫度及變形速率下材料應(yīng)力應(yīng)變曲線以及微觀組織分析結(jié)果已較為普遍，而如何將應(yīng)力應(yīng)變曲線以及微觀組織分析結(jié)果轉(zhuǎn)換為實(shí)際加工工藝參數(shù)，幫助工藝人員快速的制定出切實(shí)可行的零件制造工藝，是目前零件生產(chǎn)企業(yè)迫切需要解決的問題。

材料熱加工圖作為描述在特定條件下材料可加工性好壞的工具，可由材料流變應(yīng)力曲線導(dǎo)出，能夠判斷材料在不同變形溫度以及應(yīng)變速率下的流變穩(wěn)態(tài)區(qū)和非穩(wěn)態(tài)區(qū)[1-4]，以及不同變形區(qū)域所蘊(yùn)藏的變形[5-6]，進(jìn)而達(dá)到控制材料組織演變[7]，避免產(chǎn)生缺陷和優(yōu)化材料加工工藝的目的，是熱成形理論與實(shí)踐成形工藝相互聯(lián)系的重要紐帶，能夠幫助工藝人員制定工藝方案[8-9]。

1 基于動(dòng)態(tài)材料模型加工圖理論

動(dòng)態(tài)材料模型方法將金屬塑性成形過程視為一個(gè)能量不斷儲(chǔ)存和耗散的過程[10-12]，使用的主要參數(shù)及分析手段包括：

(1)耗散量G。材料熱成形過程中所吸收的所有能力可以分解為兩大部分，第一部分是用于材料的塑性變形(耗散量G)，而另一部分是在材料塑性變形過程中顯微組織演變所消耗的能量(耗散協(xié)量J)。

(2)應(yīng)變速率敏感系數(shù)m。m值表示材料發(fā)生塑性變形過程中消耗在塑性變形和組織演變能量的比例，即用于塑性變形(耗散量G)與用于材料組織演變能量(耗散協(xié)量J)的比值，在一定程度上可以反映材料在塑性變形過程中組織演變的劇烈程度。

(3)功率耗散系數(shù)η。功率耗散系數(shù)η表示材料塑性變形過程中組織演變所耗散的能量與線性耗散能量Jmax的比值，該值只與m值有關(guān)，也在一定程度上可以反映材料在塑性變形過程中組織演變的劇烈程度，其大小可在一定程度上反映材料發(fā)生組織轉(zhuǎn)變的機(jī)制。

(4)失穩(wěn)判據(jù)ξ。流變失穩(wěn)圖以流變失穩(wěn)準(zhǔn)則為函數(shù)，在變形溫度T和應(yīng)變速率所構(gòu)成的二維平面上繪制的區(qū)域。

圖1 材料熱加工圖基本流程Figure 1 The basic procedure of hot working diagram of material

(5)功率耗散圖。特定應(yīng)變條件下，能量耗散率η值隨變形溫度以及變形速率變化的規(guī)律。

(6)失穩(wěn)圖。特定應(yīng)變條件下，失穩(wěn)判據(jù)ξ值隨變形溫度以及變形速率變化的規(guī)律。

(7)塑性加工圖。流變失穩(wěn)圖和功率耗散圖簡(jiǎn)單疊加而得，反映材料在塑性變形過程中不發(fā)生破壞所能達(dá)到的變形能力。

材料塑性加工圖求解過程如圖1所示。采用材料應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)計(jì)算出實(shí)驗(yàn)條件下材料的m、η及ξ值，然后繪制出不同應(yīng)變量條件下應(yīng)變速率敏感指數(shù)m值對(duì)溫度及應(yīng)變速率的相應(yīng)曲面、材料的功率耗散圖及失穩(wěn)圖，最終通過功率耗散圖和失穩(wěn)圖的疊加得到材料不同應(yīng)變量條件下的加工圖。

圖2 20CrMnTiH在不同溫度及應(yīng)變速率下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線Figure 2 The true stress-strain curves of 20CrMnTiH at different rates and temperatures

圖3 不同應(yīng)變量情況下速率敏感系數(shù)m對(duì)溫度及應(yīng)變速率的響應(yīng)曲面Figure 3 The response surface of rate sensitivity coefficient m on temperature and strain rate with different strain capacities

2 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)用材料為鑄態(tài)20CrMnTiH，在Gleeble-3500熱模擬機(jī)上進(jìn)行熱壓縮實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)熱壓縮變形溫度為973、1023、1073、1123、1173K，應(yīng)變速率為0.01、0.1、1、10 s-1，實(shí)驗(yàn)最大壓縮變形量為60%。實(shí)驗(yàn)得到的材料不同溫度及應(yīng)變速率下的流變應(yīng)力曲線如圖2所示。

3 結(jié)果及分析

3.1 應(yīng)變速率敏感系數(shù)

3.2 功率耗散系數(shù)及功率耗散圖

通過速率敏感系數(shù)m計(jì)算可得到功率耗散系數(shù)η，并由此繪制出不同變形條件下的功率耗散圖，如圖4所示。功率耗散系數(shù)η值的高低代表了材料塑性變形機(jī)制的轉(zhuǎn)變，從功率耗散圖中可以發(fā)現(xiàn)，20CrMnTiH材料在高溫低應(yīng)變情況下的η值較大。

圖4 不同應(yīng)變條件下的功率耗散圖Figure 4 The power dissipation map under different strain conditions

圖5 20CrMnTiH在不同應(yīng)變條件下的熱加工圖Figure 5 The hot working diagrams of 20CrMnTiH under different strain conditions

3.3 熱加工圖

將特定應(yīng)變情況下功率耗散圖與失穩(wěn)圖進(jìn)行疊加，從而得到20CrMnTiH在應(yīng)變分別為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6情況下的熱加工圖，如圖5所示。圖中等值線為功率耗散等值線，最大值為0.3。圖中灰色區(qū)域?yàn)槭Х€(wěn)區(qū)域，表示材料在該區(qū)域進(jìn)行熱成形可能發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，具體失穩(wěn)表現(xiàn)與變形參數(shù)及方式有關(guān)。由圖5可知，20CrMnTiH材料變形安全區(qū)隨著變形量的增大先增大后減小。

3.4 最佳成形區(qū)域

將不同應(yīng)變下的加工圖進(jìn)行疊加(圖6)，可以得到20CrMnTiH材料在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的變形區(qū)域。20CrMnTiH熱加工圖可以劃分為3個(gè)區(qū)域。A區(qū)為材料最佳變形區(qū)，溫度范圍在863～1173K，應(yīng)變速率范圍為0.36 s-1～0.01 s-1，在該區(qū)域內(nèi)材料在不同應(yīng)變條件下都有較高m值以及η值，表明材料在該區(qū)域發(fā)生塑性變形過程中組織變化劇烈，材料變形機(jī)制以動(dòng)態(tài)再結(jié)晶為主。B區(qū)為材料失穩(wěn)區(qū)，溫度范圍1003～1173K，應(yīng)變速率范圍為1.65 s-1～10 s-1，在該區(qū)域內(nèi)材料在不同應(yīng)變條件下都有失穩(wěn)區(qū)域，在材料塑性變形過程中應(yīng)盡量避免。C區(qū)為材料安全變形區(qū)，其m值以及η值較小，但沒有發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。

4 結(jié)論

(1)基于熱模擬壓縮實(shí)驗(yàn)得到20CrMnTiH材

圖6 不同應(yīng)變條件下的熱加工圖疊加Figure 6 Overlaying the hot working diagrams under different strain conditions

料溫度范圍為973～1173K和應(yīng)變速率0.01 s-1～10 s-1情況下的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

(2)通過應(yīng)變速率敏感系數(shù)m、功率耗散系數(shù)η以及失穩(wěn)判據(jù)值ξ的計(jì)算繪制出20CrMnTiH功率耗散圖以及失穩(wěn)圖，最終得到反映材料在實(shí)驗(yàn)條件下不同應(yīng)變情況下加工圖。

(3)將20CrMnTiH不同應(yīng)變下加工圖疊加，將實(shí)驗(yàn)條件下材料變形區(qū)域分為材料最佳變形區(qū)、材料失穩(wěn)區(qū)和材料安全變形區(qū)。

(4)根據(jù)合并的加工圖得到實(shí)驗(yàn)條件下20CrMnTiH材料最佳變形工藝參數(shù)為：863～1173K和0.36 s-1～0.01 s-1。材料失穩(wěn)工藝參數(shù)為：1003～1173K和1.65 s-1～10 s-1。

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編輯 杜青泉

Hot Deformation Behavior and Working Diagram of 20CrMnTiH

Chen Xiaohui, Men Zhengxing, Ma Yaxin, Yue Taiwen, Liu Ruilin, Tang Yue

By adopting the thermal simulation compression test, the true stress-strain curve of 20CrMnTiH material in the temperature range of 973～1173K and at the strain rate of 0.01 s-1～10 s-1has been obtained. And the hot working diagram of material has been drawn as well. By combing the working diagrams of 20CrMnTiH material at different strain rates, the optimal range of deformation process parameters and the range of instability process parameters of material have been obtained.

20CrMnTiH; dynamic materials model; working diagram; instability of material

2016—11—09

四川省教育廳項(xiàng)目(17ZB0035)

TG146.23

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