栗文鋒 曹 明(天津重型裝備工程研究有限公司，天津 300457)

本文分別對(duì)支承輥生產(chǎn)過(guò)程中的鐓粗、KD法和WHF法拔長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行模擬。運(yùn)用元胞自動(dòng)機(jī)法，通過(guò)Deform-3D軟件中的Microstructure模塊分析變形過(guò)程中支承輥內(nèi)部組織再結(jié)晶及晶粒長(zhǎng)大微觀組織演變規(guī)律。通過(guò)比較不同鍛造方法壓實(shí)后鍛件內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變、位錯(cuò)密度等因素對(duì)鍛件微觀組織演化的影響，進(jìn)而為工藝方法的選取、制定提供理論及參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料是我公司為支承輥開發(fā)的5%Cr鍛鋼材質(zhì)?；瘜W(xué)成分如表1所示。

表1 5%Cr鍛鋼的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical compositions of 5%Cr forged steel (mass fraction,%)

1.2 工藝參數(shù)的確定

選用我公司76 t錠型的鋼錠，采用雙真空冶煉。鍛造工藝為：鐓粗H=1 300 mm×?2 600 mm，WHF法和KD法拔長(zhǎng)至?2 000 mm。圖1所示為在鐓粗和拔長(zhǎng)過(guò)程中取點(diǎn)的位置。

圖1 取點(diǎn)位置Figure 1 Sampling position

模擬參數(shù)如下：鍛造溫度為1 250℃，環(huán)境溫度為20℃，傳熱系數(shù)為5 kW/(m2·℃)。在熱變形時(shí)，摩擦因子取0.4。壓下速度均為15 mm/s，邊部的初始晶粒度設(shè)為100 μm，心部的初始晶粒度設(shè)為150 μm。鐓粗采用上專用鐓粗板和下專用鐓粗漏盤。KD法、WHF法分別采用我公司專用上下V砧及上下寬平砧。位錯(cuò)密度采用修正的Laasroui-Jonas模型[4]，公式如下：

dρ=(hIRrρi)dε

h=h0(ε·ε·0)mexp(mQRT)

(1)

r=r0(ε·ε·0)-mexp(-mQRT)

以上關(guān)系模型中：dρi為位錯(cuò)密度微分；ε·0是應(yīng)變率修正常數(shù)，取0.9；h0為硬化作用修正常數(shù)，取0.007 5；r0為材料軟化修正常數(shù)，取2 100；m為硬化敏感系數(shù)，取0.17；Q為激活能，取234 000；R為氣體常數(shù)。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 鐓粗結(jié)果分析

圖2為在鐓粗過(guò)程中等效應(yīng)力、等效應(yīng)變的變化曲線。從圖2可以看出，隨著鐓粗的進(jìn)行，等效應(yīng)變逐漸增加，在鐓粗結(jié)束時(shí)達(dá)到最大。等效應(yīng)力先增加，到最大值28.6 MPa后，逐漸下降，隨后又有所升高。說(shuō)明在鐓粗過(guò)程中材料處于加工硬化和軟化機(jī)制的共同作用下。

圖2 鐓粗過(guò)程中P1點(diǎn)的等效應(yīng)力、應(yīng)變曲線Figure 2 The effective stress and strain curves of P1 during upsetting process

圖3為P1點(diǎn)在鐓粗過(guò)程中的晶粒變化情況。由圖3(a)可看出，在初始狀態(tài)下，設(shè)置的初始晶粒度默認(rèn)晶粒尺寸為1。圖3(b)、圖3(c)為高溫變形過(guò)程中晶粒迅速長(zhǎng)大情況。從圖3(b)可以看出，平均晶粒大小已為初始晶粒大小的3.59倍。在圖3(c)中平均晶粒大小為初始晶粒尺寸的8.96倍，晶粒在高溫狀態(tài)下迅速長(zhǎng)大。由圖3(d)可知，在鐓粗結(jié)束時(shí)，晶粒大小為初始晶粒大小的4.02倍。P1點(diǎn)在鐓粗過(guò)程中晶粒先長(zhǎng)大，到鐓粗結(jié)束時(shí)，平均晶粒尺寸下降。這是因?yàn)樵阽叴肿冃纬跗冢ЯＴ诟邷貭顟B(tài)下迅速長(zhǎng)大，隨著變形量的加大，新晶核在晶界處形成，在鍛件內(nèi)部發(fā)生再結(jié)晶。圖2中等效應(yīng)力并未隨著等效應(yīng)變的增加而增加，而是達(dá)到最大值后有所下降，說(shuō)明在變形過(guò)程中發(fā)生了再結(jié)晶，起到了軟化作用[5]。

2.2 拔長(zhǎng)結(jié)果分析

圖4為KD法和WHF法拔長(zhǎng)過(guò)程中心部P1點(diǎn)的等效應(yīng)力、應(yīng)變曲線。從圖4(a)可以看出，兩種方法拔長(zhǎng)過(guò)程中，等效應(yīng)變隨著拔長(zhǎng)的進(jìn)行逐漸增加，拔長(zhǎng)結(jié)束時(shí)等效應(yīng)變值分別為 2.79和2.54，KD法要大于WHF法。圖4(b)為等效應(yīng)力的曲線，可以看出，等效應(yīng)力在前幾個(gè)道次急劇增加，在最后一個(gè)道次逐漸達(dá)到一定值后趨于平穩(wěn)，KD法的等效應(yīng)力高于WHF法。

圖3 鐓粗過(guò)程中P1點(diǎn)的晶粒變化Figure 3 Grain variation of P1during upsetting process

圖4 KD法和WHF法拔長(zhǎng)過(guò)程中P1點(diǎn)的等效應(yīng)力、等效應(yīng)變Figure 4 The effective stress and strain of P1 during KD and WHF stretching processes

圖5 KD法和WHF法在拔長(zhǎng)過(guò)程中晶粒大小的比較Figure 5 The comparison of grain sizes during KD and WHF stretching processes

圖6 KD法和WHF法拔長(zhǎng)過(guò)程中的位錯(cuò)密度與再結(jié)晶Figure 6 Dislocation densities and recrystallization during KD and WHF stretching processes

圖5為KD法和WHF法在拔長(zhǎng)過(guò)程中晶粒長(zhǎng)大情況比較。圖5(a)是邊部P2點(diǎn)晶粒的長(zhǎng)大情況，可以看出，晶粒尺寸有增大也有減小。這是因?yàn)樵诎伍L(zhǎng)過(guò)程中，隨著應(yīng)變量的增大位錯(cuò)密度也逐漸上升，當(dāng)位錯(cuò)密度增加到一定程度達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，將促使再結(jié)晶新晶核的形成，從而使平均晶粒度下降。新晶核在高溫下會(huì)迅速長(zhǎng)大，這又使得平均晶粒度上升。最終KD法的平均晶粒度為初始晶粒的2.12倍，而WHF法鍛造結(jié)束時(shí)，平均晶粒度為初始晶粒度的2.64倍?？梢奒D法拔長(zhǎng)后的晶粒要比WHF法細(xì)小，并且拔長(zhǎng)效率也比WHF法要高。圖5(b)為心部P2點(diǎn)晶粒度比較。最終，KD法心部的晶粒度為初始的4.51倍，而WHF法為初始的5.15倍，KD法也優(yōu)于WHF法。

圖6為KD法和WHF法拔長(zhǎng)過(guò)程中P1點(diǎn)及P2點(diǎn)的位錯(cuò)密度與再結(jié)晶。圖6(a)和圖6(b)所示為KD法拔長(zhǎng)后邊部及心部的位錯(cuò)密度和再結(jié)晶。圖6(c)和圖6(d)所示為WHF法拔長(zhǎng)后邊部及心部的位錯(cuò)密度和再結(jié)晶?？梢钥闯?，KD法拔長(zhǎng)后邊部和心部的位錯(cuò)密度都比WHF法要大。這是因?yàn)樵诎伍L(zhǎng)過(guò)程中，相比較于WHF法，KD法拔長(zhǎng)產(chǎn)生了更大的應(yīng)力和應(yīng)變。在這種大應(yīng)力和應(yīng)變的作用下，工件的位錯(cuò)密度也會(huì)逐漸增大，從而促進(jìn)新晶粒的形核。位錯(cuò)密度不斷地經(jīng)歷增加、釋放的循環(huán)周期，同時(shí)晶粒不斷經(jīng)歷形核、晶粒長(zhǎng)大的過(guò)程。在整個(gè)過(guò)程中，應(yīng)力和應(yīng)變對(duì)于消除原始的鑄態(tài)組織、焊合空洞以及晶粒度的改善都起到了重要作用[6]。

3 結(jié)論

(1)在鐓粗過(guò)程中晶粒先長(zhǎng)大，隨著鐓粗的進(jìn)行，在鍛件內(nèi)部發(fā)生再結(jié)晶，平均晶粒尺寸有所下降。在鐓粗過(guò)程結(jié)束時(shí)，晶粒大小為初始晶粒大小的4.02倍。

(2)通過(guò)KD法和WHF法拔長(zhǎng)過(guò)程模擬，發(fā)現(xiàn)KD法拔長(zhǎng)時(shí)，工件內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變均大于WHF法拔長(zhǎng)，且KD法拔長(zhǎng)工件內(nèi)部的晶粒尺寸明顯優(yōu)于WHF法。比較兩種拔長(zhǎng)方法，鍛造工藝選用KD法更為合適。

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