下壓速率對42CrMo 鋼動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的影響規(guī)律

邱媛媛

（洛陽雙瑞特種裝備有限公司，河南 洛陽 471000）

42CrMo 鋼屬于中碳低合金結(jié)構(gòu)鋼，具有高強(qiáng)度和韌性，良好的機(jī)械性能和加工性使得其應(yīng)用相當(dāng)廣泛，廣泛應(yīng)用于軸、齒輪、連桿、發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸等要求較高的部位[1，2]。運(yùn)用有限元法模擬其熱加工過程中回復(fù)及再結(jié)晶過程，對于研究材料的晶粒細(xì)化及加工成品的微觀性能具有重要意義[3，4]。現(xiàn)階段，亟須運(yùn)用數(shù)值模擬研究42CrMo 鋼熱加工過程中各項(xiàng)參數(shù)對動(dòng)態(tài)再結(jié)晶演變的影響規(guī)律[5]。

本文基于作者之前的研究基礎(chǔ)，運(yùn)用有限元法，建立熱力微觀耦合模型，對形變溫度1050℃，應(yīng)變0.92，壓下量60%，不同下壓速率的方案進(jìn)行模擬，總結(jié)下壓速率對42CrMo 鋼動(dòng)態(tài)再結(jié)晶演變的影響規(guī)律。

1 熱-力微觀組織耦合有限元建模

1.1 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶模型

描述42CrMo 鋼動(dòng)態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變和峰值應(yīng)變關(guān)系的數(shù)值表達(dá)如式（1）[2]。

式中，εp為峰值應(yīng)變；εc為臨界應(yīng)變，ε˙為應(yīng)變速率；d0為初始晶粒度；R 是氣體常數(shù)，為8.314J/（K·mol）；T是熱力學(xué)溫度。

采用Avrami 方程描述動(dòng)態(tài)再結(jié)晶中的動(dòng)力學(xué)問題[2]，如公式（2）所示。

式中，Xdrex為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)；ε0.5為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)為50%時(shí)的應(yīng)變；βd和kd為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶影響系數(shù)。

動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸表示如公式（3）所示[6]。

式中，ddrx為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的晶粒尺寸。

1.2 熱壓縮有限元模型

本文采用Deform 有限元模擬軟件進(jìn)行演變規(guī)律的研究，建立二維的壓縮坯料，保持熱壓縮過程中溫度為1050℃、壓下量60%不變，試樣與模具的傳熱系數(shù)為5N·s-1·mm-1·℃-1；試樣與模具的摩擦因數(shù)為0.3[6]，分別設(shè)置上模下壓速率為 0.5mm/s、1mm/s、5mm/s、50mm/s、100mm/s、200mm/s、300mm/s 進(jìn)行模擬，所建的有限元模型如圖1 所示。

圖1 熱壓縮有限元模型

2 有限元模擬結(jié)果及分析

2.1 下壓速率對動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)的影響

如圖2 所示為下壓速率為0.5mm/s、1mm/s、5mm/s、50mm/s、100mm/s、200mm/s、300mm/s時(shí)42CrMo鋼試樣的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)。下壓速率從0.5～5mm/s，試樣平均動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)逐漸增加，平均動(dòng)態(tài)再結(jié)晶0.67 上漲到0.83，完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的所占百分比從15%上漲到51%。下壓速率從5～300mm/s，平均動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)逐漸減小，平均動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)從0.66 下降到0.35。綜合平均動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律，可以得到下壓速率在1mm/s，5mm/s 時(shí)，試樣的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶發(fā)生的越完全。再次觀察圖2 中各個(gè)柱狀圖分布的彌散程度，下壓速率從0.5～5mm/s，發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶程度約集中，說明試樣的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶發(fā)生部位的均勻性逐漸增大。下壓速率從5～300mm/s，發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶程度越彌散，說明試樣的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶發(fā)生部位的均勻性逐漸減小。綜合均勻性來說，下壓速率在1mm/s,5mm/s 時(shí)，試樣的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶發(fā)生的越均勻。但在所有的模擬圖中，試樣的上下兩端動(dòng)態(tài)再結(jié)晶幾乎不發(fā)生，這兩處是難變形區(qū)，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶發(fā)生很少。

圖2 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)隨下壓速率變化

2.2 下壓速率對動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸的影響

圖3 顯示在下壓速率為0.5mm/s、1mm/s、5mm/s、50mm/s、100mm/s、200mm/s、300mm/s 時(shí)42CrMo 鋼試樣的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸。下壓速率從0.5～5mm/s，試樣平均動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸逐漸增加。下壓速率從5～300mm/s，試樣平均動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸逐漸減小。觀察動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸的分布規(guī)律：下壓速率從0.5～50mm/s，試樣的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸分布越均勻，晶粒尺寸分布均勻性隨下壓速率變化較大。下壓速率從50～300mm/s，試樣兩端的不均勻性增加，但是晶粒尺寸分布均勻性隨下壓速率變化不明顯。觀察整體的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸分布：試樣心部的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸小于試樣的鼓形側(cè)邊的晶粒尺寸，而大于上下兩端的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸。試樣心部等大變形區(qū)域由于位錯(cuò)增多，有利于形核，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶程度高，晶粒細(xì)化。綜合動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸大小及均勻性的因素考量，下壓速率在50mm/s,100mm/s 時(shí)，試樣的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸較小，分布均勻性最好。

圖3 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸隨下壓速率變化

3 變下壓速率與恒下壓速率對比

綜合上述下壓速率對動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)、晶粒尺寸的影響，考慮采用變下壓速率的方法與恒下壓速率方法對比，取綜合性能好的方案，即下壓速率在1mm/s、50mm/s 兩種綜合，在下壓30%時(shí)，采用下壓速率為50mm/s，在下壓60%時(shí)，采用下壓速率為1mm/s。圖4 展示為變下壓速率下試樣的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)和晶粒尺寸分布。對比恒下壓速率1mm/s、50mm/s，變下壓速率的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶平均晶粒尺寸比之前兩個(gè)方案都要小，但是動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)的彌散度較高，體積分?jǐn)?shù)的不均勻性更大。

圖4 變下壓速率下動(dòng)態(tài)再結(jié)晶示意圖

4 結(jié)論

（1）下壓速率對動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)影響規(guī)律：上模下壓速率從0.5～300mm/s，平均動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)先增加后減小；動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)分布均勻性先增加后減小。

（2）下壓速率對動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸影響規(guī)律：上模下壓速率從0.5～300mm/s，平均動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸先增加后減小；動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸分布均勻性先增加后減小。

（3）對比變下壓速率與恒下壓速率，變下壓速率的模擬結(jié)果在動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸方面有優(yōu)化，而動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)方面有劣勢。還需進(jìn)一步研究。