300M钢的大型构件在热锻过程中奥氏体晶粒长大行为3D数值模拟和实验分析外文翻译资料

 2023-03-05 18:28:58

300M钢的大型构件在热锻过程中奥氏体晶粒长大行为3D数值模拟和实验分析

摘要：将300M钢的显微模型整合成有限元代码，对300M钢的大型构件的整个热锻过程进行一个能够预测有效应变、温度场以及奥氏体晶粒尺寸的分布的三维有限元分析，模拟结果表明最细的晶粒分布在最大的有效应变区域，因为大的应变容易诱发动态再结晶，粗晶区分布在最小的应变区域。300M钢的热锻测试验证了有限元分析的结果，并且实现了显微组织的观察和定量分析。奥氏体晶粒尺寸的平均相对误差是7.56%,这表明我们建立的微观结构模型是合理的，可以用来分析300M钢的热锻过程。

Abstract：The micro structure models were integrated into finite element ( FE ) code , and a three-dimensional ( 3D )FE analysis on the entire hot forging processes of 300M steel large components was performed to predict the distributions of effective strain , temperature field and austenite grain size．The simulated results show that the finest grains distribute in the maximum effective strain region because large strain induces the occurrence of dynamic recrystallization . However ,coarse macro-grains appear in the minimum effective strain region.Then,300M steel forging test was performed to validate the results of FE simulation ,and micro structure observations and quantitative analysis were implemented .The average relative difference between the calculated and experimental austenite grain size is 7.56%, implying that the present microstructure models are reasonable and can be used to analyze the hot forging processes of 300M steel.

Keywords:300M steel ; Forging ;finite elements simulation; austenite grain size ;dynamic recrystallization

关键词：300M钢；锻造；有限元模拟；奥氏体晶粒尺寸；动态再结晶；

300M钢具有强度高、断裂韧性高、疲劳性能优良、抗腐蚀性能好的特点。但是，300M钢在热锻过程中奥氏体晶粒易粗化，粗化后的晶粒在环境温度下对组件的力学性能会产生不利的影响。因此，研究并预测 300M钢的热锻过程中奥氏体晶粒尺寸的分布是很必要的，这能够避免奥氏体晶粒的粗化。在以往的研究中，有人利用奥氏体晶粒再结晶模型和机理进行了300M钢的热锻。例如， Qi等人对300M钢的热变形行为进行了研究，分析了变形条件对微观结构的影响，建立了本构方程。Roumina等人使用复合材料对梯度材料变形行为进行建模。Liu等人通过两级等温压缩300M钢建立了亚动态再结晶动力学方程和静态再结晶方程，这些研究为了解奥氏体晶粒的长大行为和同时提高强度和韧性奠定了基础。

现在，有限元(FE)模拟已经成为大型复杂零部件热锻工艺的设计与优化的重要工具。比如，Fan等人开发了一种宏微观有限元模型对大型复杂钛合金构件局部加载微观组织参数进行预测。Kim等人通过使用三维晶体塑性有限元法模拟孔隙模具压缩过程中的微观结构和组织的演化。Jin等人评估了低碳钢的动态再结晶和变形行为通过使用与有限元模型耦合的微观结构演化模型进行热加工。然而，对300M钢大型构件热锻过程中奥氏体晶粒生长行为的三维有限元模拟仍然有限。

在本研究中，使用静态生长动态再结晶，亚动态再结晶和静态再结晶等微观结构模型来描述300M钢热锻过程中奥氏体晶粒尺寸的变化。微观结构模型的详细描述超出了本研究的范围，但可以在上述文献中找到。此篇论文主要对300M钢的大型构件的整个热锻造过程进行了有限元分析，以预测有效应变，温度场和奥氏体晶粒尺寸的分布。进行300M钢锻造试验以验证FE模拟的结果，通过Leica DMI 3000M光学显微镜观察特征点的微观结构，并且使用定量金相图像分析软件（Image-ProPlus6.0）测量奥氏体晶粒尺寸。最后，进行计算和实验奥氏体晶粒尺寸之间的比较，以确认模拟结果的有效性。

1原材料和试验方法

1.1材料

300M钢的化学成分（质量%）如下：: C 0.39,Si 1.61,Ni 1.82,Mn 0.69,Cr 0.91,Mo 0.42,V 0.07,Cu 0.06,S 0.0012,P 0.0089 和Fe余量。300M钢的Ac1和Ac2温度分别为748℃和802℃， 其奥氏体晶粒的光学显微镜照片如图1所示，

从中可得钢的奥氏体晶粒是等轴的，平均尺寸为约26.30mu;m。

图1 300M钢的显微组织图

1.2 等温压缩试验

图2 300M钢在热压缩过程中典型的应力应变曲线

将300M钢棒加工直径为8.0mm和高度为12.0mm的圆柱形压缩试样。等温压缩在Gleeble-3500热模拟机上进行，变形温度为850℃，900℃，950℃，1000℃， 1050℃，1100℃，1120℃，1140℃，1160℃，1180℃，1200℃和1250℃，应变率分别为0.1,1.0,10.0和25.0 s-1，高度降低分别为30％，40％，50％，60％和70％。将石墨粉置于试样和砧之间以降低等温压缩期间的摩擦。将试样在变形温度下加热并保持5分钟，确保其受热均匀，压缩后，样品在水中快速淬火。300M钢等温压缩中的典型流变应力 - 应变曲线如图2所示，可以看出，300M钢的流变应力是应变，应变速率和变形温度的函数，流变应力-应变值集成到有限元软件刺激300M钢大型部件热锻的宏观行为。

1.3仿真程序

在DEFORM-3D中使用使用刚性 - 粘塑性代码.对300M钢大型部件进行了具有热传递和微结构的变形的耦合模拟，如图3所示，可以看出，300M钢大型零部件在热锻中存在两个过程，包括预锻和最终锻造。在预成型之前，将坯料加热到锻造温度，保持一定时间，以获得均匀的变形温度。然后，进行锻造操作以形成所需的形状选择耦合的热机械四面体单元，使组件均匀离散化。上，下模具在320℃下模拟为刚体，模具材料为5CrNiMo钢。给出300M钢的热性能和材料性能在1300℃的变形温度下进行300M钢的热锻，上模以10.0mm / s的速度移动。摩擦系数mu;定义为0.3。为了符合实际通过有限元仿真分析了300M钢大型部件的锻造过程对加热，锻造和冷却阶段对奥氏体晶粒尺寸的影响，分析了静态生长，动态再结晶，静态再结晶和亚动态再结晶等微观结构模型通过用户子程序函数中的可视Fortran语言转换成有限元代码。

微结构模型用下面的等式表示

(1)

其中，d是奥氏体晶粒的平均尺寸（）；t是保温时间（s）；T是绝对加热温度（K）；R是气体常数（8.31J·mol-1·K-1）。

动态再结晶由[19]给出

上模

(2)

工件

(3)

下模

(4)

上模

(6)

区段2

工件

区段1

(7)

下模

(8)

300M钢的热力学材料参数

图3 预锻（a）和终锻(b)的3D模型

密度 7830

热导率 32

比热容 620

热锻过程中300M钢与模具之间的热对流系数 5000

热锻过程中300M钢与环境之间的热对流系数 20

是指峰值应变；Z是Zener-Hollomon参数；ddyn是动态再结晶后的晶粒尺寸（）；d0是奥氏体晶粒的初始尺寸（）；是临界应变；Xdyn是动态再结晶的体积分数（%）；是真实应变；是应变速率（s-1）；k,m是材料参数。

静态再结晶公式在[9]中给出

(9)

（10）

(11)

Xs(%)和t 2（s）是静态再结晶的体积分数和通过时间； t0.5s是静态再结晶等于50％的时间（s）；d sa是静态再结晶的晶粒尺寸（mu;m）。

亚动态再结晶公式在[8]中给出

(12)

(13)

(14)

Xm（%）和t3（s）是亚动态再结晶的体积分数和通过时间；t0.5m是亚动态再结晶反应50%的反应时间（s）；dma是亚动态再结晶的晶粒尺寸（mu;m）。

2仿真结果与验证

2.1模拟结果


使用300M钢大型部件的两个典型部分来分析模拟结果并确认FE模拟的有效性，其模拟结果示于图4和图5中。

有效应变

如图4（a）所示，可以看出，在上模区域中观察到具有大约0.8的值的最大有效应变，而使用下模区域指示最小有效应变，钢的热锻过程中的不均匀变形引起的。图4（b）示出了温度场在区段1上的分布。区段1的芯的变形温度最高且等于1120℃，但是由于300M钢部件和模具/环境之间的热对流，表面温度降低到约980℃。奥氏体晶粒尺寸的分布如图4（c）所示。观察到最细的晶粒分布在最大有效应变区域中。根据美国标准ASTM E112-96，尺寸大于63.5mu;m的晶粒被认为是大粗晶粒。所以，在该区域中不会发生奥氏体晶粒粗化。然而，最小有效应变区域中的晶粒尺寸高于150mu;m，意味着大粗晶粒的出现。上述参考文献提到奥氏体晶粒将随着升温温度而连续生长[13]；因此，降低变形温度将对预防300M钢的热锻造过程中粗大晶粒的发生具有积极的作用。

图4 300M钢在热锻过程中区段1的计算结果

晶粒尺寸

变形温度

有效应变

晶粒尺寸

变形温度

图5 300M钢在热锻过程中区段2的计算结果

有效应变

图5显示了300M钢热锻造工艺中区段2的有效应变分布。使用图5（a）中的框架区域I，II，Ⅲ指示三个大应变区域，但在框架区域IV中观察到具有大约0.11的值的最小有效应变。 这表明区段2上的有效应变的均匀性比区段1的更为明显。区段2上的温度场的分布如图图5（b）所示。 心部的变形温度等于1120℃，但是表面温度降低到约980℃，这类似于段1的表面温度。 图5（c）显示最细的颗粒分布在应变集中的三个区域。 最主要的原因是大应变引起300M钢的动态再结晶的发生。 此外，还在区段2上观察到存在宽的粗晶粒区域。

2.2验证

进行300M钢的锻造试验，锻造工艺和条件与模拟试样相同。特征点在两个典型部分的分布如图6所示。在300M钢的热锻工艺中，特征点的微观结构如图 7 -9。可以看出，微观组织由粗奥氏体晶粒组成，晶界变平坦。晶粒尺寸分布在113 - 222 mu;m范围内。此外，一些细小的奥氏体晶粒分布在粗糙的宏观晶界和三角形晶界。这种现象归因于易感区域中选择性动态再结晶的发生。细晶粒的等离子体是等轴的，平均尺寸约为3 5mu;m，这意味着与接收的3 00 M钢的奥氏体晶粒相比，具有轻的粗化趋势。微观结构特征表明动态再结晶已经完成，奥氏体晶粒生长正在进行中

图6 在区段1（a）和区段2(b)特征点的分布

图7 300M钢在热锻过程中特征点（1-12）的微观组织

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