李偉，陳文琳，陳國強(qiáng)，何慶偉

材料微觀組織結(jié)構(gòu)直接影響著產(chǎn)品外在特性，根據(jù)霍爾-佩奇理論，材料平均晶粒尺寸越小，其強(qiáng)度硬度越高。熱鍛成形過程不僅使材料發(fā)生了塑性變形，同時，也通過奧氏體動態(tài)再結(jié)晶與晶粒長大使鍛件奧氏體晶粒度發(fā)生變化。汽車直拉桿臂是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)重要零件，作為汽車保安件，對其微觀組織和力學(xué)性能等有著較高的要求。

奧氏體晶粒度作為衡量鍛件質(zhì)量的重要指標(biāo)，越來越受到研究人員的重視。對連桿輥鍛制坯過程中不同道次輥鍛微觀組織的演變規(guī)律進(jìn)行研究，采用有限元軟件成功預(yù)測了各工步變形過程中晶粒大小及變化趨勢。楔橫軋不同變形階段的微觀組織演變研究，揭示了鍛件在楔橫軋成形過程中各個變形階段（楔入段、展寬段和精整段）的微觀組織演變規(guī)律，分析出了軋件平均晶粒尺寸在不同變形階段變化的具體原因。

本文對42Cr Mo鋼汽車直拉桿臂成形工藝與成形過程中奧氏體晶粒尺寸演變進(jìn)行了模擬與試驗研究，數(shù)值模擬結(jié)果與物理試驗結(jié)果吻合良好，最終得到了符合要求的鍛件，對于鍛件晶粒度的預(yù)報具有一定的指導(dǎo)作用。

1. 汽車直拉桿臂成形工藝

汽車直拉桿臂如圖1所示，該鍛件為帶彎曲的長軸類件，為典型的兩頭一桿形件，沿鍛件軸向各部分截面尺寸變化較大，材料沿軸向分布不均，如何使金屬材料合理分布是該鍛件成形的難點(diǎn)。根據(jù)該鍛件結(jié)構(gòu)分布特征，應(yīng)采用輥鍛制坯—彎曲—終鍛的成形工藝。

經(jīng)理論計算，該鍛件應(yīng)采用φ60mm棒料經(jīng)過四道次輥鍛制坯才能得到所需毛坯。其成形工藝流程如圖2所示。

圖1 直拉桿臂鍛件

2. 直拉桿臂熱鍛成形有限元模型

結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)過程設(shè)置相關(guān)邊界條件，模具材料為5Cr Ni Mo，模具溫度200℃，坯料始鍛溫度1150℃，坯料與模具熱交換系數(shù)為11N/(s·mm·℃)。采用微觀組織演化模型，其中，本課題組對42Cr Mo鋼加熱過程中奧氏體晶粒長大進(jìn)行了研究，并擬合得到各項參數(shù)，建立了奧氏體晶粒長大模型。材料初始奧氏體晶粒尺寸為1 37μm，建立如圖3所示有限元模型。

3. 數(shù)值模擬結(jié)果分析

（ 1 ） 輥 鍛 制 坯 數(shù) 值 模擬 直拉桿臂桿部金屬坯料分布較少，在輥鍛制坯中，主要是完成對桿部金屬的重新分配，將桿部金屬拔長。整個輥鍛制坯過程塑性變形主要集中在桿部，輥鍛制坯后，桿部坯料明顯減少，毛坯在軸向方向被拔長，達(dá)到了坯料分配的目的。

圖4為經(jīng)過四道次輥鍛后奧氏體晶粒尺寸分布圖與等效應(yīng)變分布圖。從圖4中可以看出，金屬坯料已經(jīng)完成再分配，得到了模鍛所需毛坯。坯料兩頭部P2、P3處晶粒尺寸為137μm，仍保留了原始奧氏體晶粒尺寸，沒有發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶與奧氏體晶粒長大現(xiàn)象。這是由于P2、P3處在輥鍛時沒有在型腔的作用下發(fā)生塑性變形，動態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生需要足夠的應(yīng)變提供激活能。

從圖4 b可見，P2、P 3處應(yīng)變?yōu)?，因此P2、P3區(qū)域不能為動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生提供足夠的能量。奧氏體晶粒的長大需要足夠的加熱溫度與保溫時間，四道次輥鍛變形所需時間為8s，時間較短，奧氏體晶粒沒有足夠激活能長大，因此未發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，P2、P3處奧氏體晶粒尺寸在四道次輥鍛中未發(fā)生變化。

坯料桿部P 1處奧氏體晶粒尺寸為85μm，較初始奧氏體晶粒尺寸明顯減小，細(xì)化率達(dá)到38%。這是由于在輥鍛變形過程中，桿部一直處于大的塑性變形區(qū)域，從圖4 b中也可以看出，塑性應(yīng)變?yōu)?.4，此處的劇烈變形導(dǎo)致該區(qū)域產(chǎn)生大量位錯攀移和滑移，隨著塑性變形的加劇，位錯密度繼續(xù)增加并產(chǎn)生位錯纏結(jié)，位錯纏結(jié)導(dǎo)致晶粒內(nèi)部產(chǎn)生亞晶粒，在較高的位錯能作用下，亞晶粒逐漸長大，形成新的晶粒，完成動態(tài)再結(jié)晶，從而細(xì)化晶粒。

圖2 直拉桿臂成形工藝流程

圖3 直拉桿臂成形有限元模型

（2）彎曲及終鍛過程數(shù)值模擬 由于鍛件形狀特征，需要對輥鍛件進(jìn)行彎曲，使坯料符合終鍛型腔在分模面上的形狀要求。經(jīng)彎曲后，坯料等效應(yīng)變?nèi)鐖D5所示。從圖中可以明顯看出，彎曲變形時，僅有局部區(qū)域發(fā)生塑性變形，其余區(qū)域發(fā)生轉(zhuǎn)動、滑動，不產(chǎn)生塑性變形。分別在塑性變形區(qū)外表面及內(nèi)部選取四個跟蹤點(diǎn)，分析彎曲變形過程中微觀組織的變化情況。

彎曲過程中各跟蹤點(diǎn)處平均晶粒尺寸的變化曲線如圖6所示，彎曲過程中各點(diǎn)處的平均晶粒尺寸均減小。點(diǎn)1~9的平均晶粒尺寸細(xì)化程度分別為：6.1%、2.5%、5.5%、2.4%、1.1%、1.3%、1.4%、1.4%、0.9%，表明彎曲對晶粒細(xì)化作用影響較小。由于變形主要集中在P1、P3，更容易發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，所以晶粒細(xì)化程度較高，其他區(qū)域變形較小，難以發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，晶粒細(xì)化程度較低。

直拉桿臂終鍛成形后奧氏體晶粒分布如圖7所示，從圖中可以看出，鍛件飛邊分布均勻，無折疊、充不滿等缺陷，驗證了成形工藝方案的正確性。鍛件桿部奧氏體晶粒細(xì)化明顯，根據(jù)霍爾—佩奇理論，桿部細(xì)晶區(qū)的力學(xué)性能較好，因此鍛件桿部可以設(shè)計較小截面，這與該鍛件桿部截面小于兩頭部也是相對應(yīng)的。從圖中還可以看出，飛邊區(qū)域奧氏體晶粒尺寸明顯大于鍛件本體，在終鍛成形時，金屬坯料在終鍛模具作用下發(fā)生塑性變形，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到臨界值時，材料就開始發(fā)生奧氏體動態(tài)再結(jié)晶，晶粒得到細(xì)化，但由于飛邊區(qū)域塑性變形過于劇烈，變形時產(chǎn)生大量的熱量來不及散失，導(dǎo)致此處溫度較高，造成已經(jīng)動態(tài)再結(jié)晶細(xì)化了的奧氏體晶粒發(fā)生二次長大，使得晶粒粗化。

圖4 輥鍛成形奧氏體晶粒尺寸與等效應(yīng)變分布

圖 5

圖6 彎曲過程中各跟蹤點(diǎn)平均晶粒尺寸變化

圖7 終鍛件奧氏體晶粒分布

4. 直拉桿臂成形試驗結(jié)果與分析

為進(jìn)一步驗證上述工藝設(shè)計，需對成形工藝方案及微觀組織演變進(jìn)行物理試驗，為盡量保證物理試驗與數(shù)值模擬的一致性，將所建立輥鍛模具幾何模型導(dǎo)入加工中心中，按照確定設(shè)計方案加工模具，采用42Cr Mo鋼棒料對直拉桿臂成形過程進(jìn)行調(diào)試。

各工步成形結(jié)果如圖8 所示。從圖中可以看出，物理試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，進(jìn)一步驗證了成形工藝方案的正確性，同時也驗證了模擬結(jié)果的可靠性。

在有限元數(shù)值模擬中，微觀組織的模擬與其宏觀的成形工藝模擬不盡相同，因此也需要對微觀組織的預(yù)報進(jìn)行物理驗證。鍛件經(jīng)過切邊、校正后立刻將工件放入水中冷卻以保留其奧氏體晶界，在與圖4相對應(yīng)P1、P2、P3處截取金相試樣，磨拋后采用飽和苦味酸、十二烷基苯磺酸鈉溶液腐蝕，各區(qū)域金相組織如圖9所示，按照ASTM晶粒度測量標(biāo)準(zhǔn)，通過金相定量法對各試樣金相組織進(jìn)行晶粒度測量，P1、P2、P3三處奧氏體晶粒尺寸分別為97μm、137μm、137μm，P 1處奧氏體晶粒得到了明顯細(xì)化，P2、P3處奧氏體晶粒尺寸未發(fā)生變化，與有限元預(yù)報結(jié)果非常相近，最大誤差5.3%，驗證了有限元數(shù)值模擬結(jié)果的正確性，可見，采用有限元數(shù)值模擬技術(shù)能夠比較準(zhǔn)確地對連續(xù)局部塑性變形奧氏體晶粒尺寸演化進(jìn)行預(yù)報。

5. 結(jié)語

采用有限元數(shù)值模擬與物理試驗相結(jié)合的方法，驗證了直拉 桿臂成形工藝與有限元模型的正確性，通過四道次輥鍛制坯—彎曲—終鍛得到了符合要求的直拉桿臂鍛件，并成功對直拉桿臂成形過程中奧氏體晶粒尺寸的變化進(jìn)行預(yù)報。

圖8 直拉桿臂成形物理試驗結(jié)果

圖9 輥鍛件橫截面金相組織

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