低碳鋼鍛造與軋制過程成形和組織演化的模擬計算.pdf

1、鋼鐵材料是最主要的工程結(jié)構(gòu)材料之一，在國民經(jīng)濟中占據(jù)著非常重要的地位，其應(yīng)用范圍極其廣泛，覆蓋能源、交通、建筑、航空和國防等諸多領(lǐng)域。隨著鋼鐵材料的深入應(yīng)用，對其力學(xué)性能的要求也越來越高，特別是在厚大斷面的特殊鋼鐵材料制備中，對其組織均勻性提出了更高的要求。而從宏觀、介觀以及跨尺度耦合模擬著手，結(jié)合實驗表征，綜合考慮熱塑性加工方式對材料力學(xué)性能影響方面的研究卻鮮有涉及。特別地，對于擁有厚大斷面或者基于大壓制比成形的結(jié)構(gòu)零件，熱加工過程中

2、的工藝參數(shù)會直接影響材料顯微組織的演化行為，從而最終影響鋼鐵產(chǎn)品的綜合力學(xué)性能。因此，研究不同的熱塑性加工方式對材料顯微組織演化的影響就極其重要。
　　本文以普通低碳鋼為對象，研究了鍛造和軋制過程中的鋼鐵構(gòu)件成形中的微觀組織建模及控制問題。利用125MN自由鍛壓機，鍛造26t實物大鍛件，并立足于宏觀有限元模擬、介觀尺度元胞自動機數(shù)值模擬以及宏觀介觀多尺度耦合計算方法，結(jié)合大件實物解剖和實驗表征，研究了材料熱加工過程中顯微組織的演變

3、，主要的研究內(nèi)容包括:
　　(1)基于宏觀有限元模擬方法，建立了大型鍛件鍛造過程宏觀有限元模型。結(jié)合實際的鍛造加工工藝，模擬再現(xiàn)了26t大鍛件多道次鍛造熱塑性加工過程，得出了鍛造加工過程中的溫度場、應(yīng)變場和應(yīng)變速率場等隨加工過程的變化情況，為進一步研究鍛件內(nèi)部的顯微組織演變提供了參考數(shù)據(jù)。接著，基于宏觀有限元計算結(jié)果，利用經(jīng)驗物理冶金模型，計算得出了鍛件內(nèi)部不同位置的顯微組織情況。同時，對鍛后尺寸為6500mm×1200mm的大鍛

4、件進行了解剖，并且開發(fā)出了大斷面多級拋光技術(shù)和大斷面冷酸腐蝕方法，獲得大鍛件中心斷面的整體低倍組織;對大鍛件典型位置進行更細致解剖，獲得了典型位置的顯微金相組織形貌。一方面，對比實驗結(jié)果（鍛件表面晶粒尺寸為18μm，心部晶粒尺寸為26μm）和模擬結(jié)果（鍛件表面晶粒尺寸為19μm，心部晶粒尺寸為25μm），利用所建立的物理冶金模型，很好地預(yù)測了大鍛件多道次鍛造過程顯微組織演變結(jié)果，;另一方面，對于大鍛件鍛造成形過程，材料整體塑性應(yīng)變速率小

5、，單道次絕對壓下量大，有利于顯微缺陷的閉合，同時，鍛造過程累積變形量大，塑性形變時溫度高（約為1150℃），有利于微觀組織晶粒再結(jié)晶，從而細化晶粒。
　　(2)為了研究低碳鋼熱加工過程中的微觀組織行為，針對熱變形中發(fā)生的奧氏體動態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象和相變過程，分別自主建立了介觀尺度元胞自動機模型，所建模型綜合考慮了熱變形、位錯密度演變、晶粒變形、形核與生長、晶粒粗化等一系列物理冶金轉(zhuǎn)變過程，從轉(zhuǎn)變過程出發(fā)描述低碳鋼在熱變形中的顯微組織演變

6、過程，彌補了宏觀經(jīng)驗物理模型的不足。應(yīng)用所建元胞自動機模型，模擬了不同應(yīng)變速率（(ε)=0.01s-1，(ε)=0.1s-1，(ε)=1s-1）和不同初始晶粒尺寸(20μm，40μm，80μm)下的動態(tài)再結(jié)晶行為，及不同預(yù)變形(ε0=0，ε0=0.3，ε0=0.5，ε0=0.7，ε0=1.0)的相變行為。模擬結(jié)果如下:(ε)=0.01s-1時，穩(wěn)態(tài)晶粒尺寸為4μm;(ε)=0.1s-1時，穩(wěn)態(tài)晶粒尺寸為6μm，(ε)=1s-1時，穩(wěn)態(tài)晶

7、粒尺寸為9μm。雖然初始晶粒尺寸不同，穩(wěn)態(tài)晶粒尺寸均為6μm。
　　(3)提出了一種耦合宏觀熱變形的跨尺度的微觀組織模擬與預(yù)報的方法，采用有限元模擬，獲得多道次熱軋變形過程中單元節(jié)點的溫度、應(yīng)變速率和應(yīng)變等宏觀物理場量的變化情況，基于自主建立的元胞自動機模型，進一步擴展了包含動態(tài)再結(jié)晶、亞動態(tài)再結(jié)晶和靜態(tài)再結(jié)晶的熱變形過程的微觀組織演變的模型，該模型以位錯密度為基本變量，通過追蹤非連續(xù)熱變形過程中元胞內(nèi)位錯密度的變化，模擬復(fù)雜再結(jié)

8、晶過程中微觀組織的演變，以1780mm熱連軋機組的精軋過程為研究對象，利用該模型對多道次帶鋼熱軋過程的微觀組織演變進行了模擬。與宏觀經(jīng)驗物理冶金模型相比，跨尺度熱變形過程微觀組織模擬方法能更清楚地反映熱加工過程中各物理冶金轉(zhuǎn)變現(xiàn)象的作用過程與顯微組織特征。結(jié)果顯示，多道次熱軋過程中奧氏體再結(jié)晶受軋制參數(shù)的影響，即應(yīng)變速率、應(yīng)變量及溫度等，因這些宏觀場量在軋件中的分布不同，導(dǎo)致軋件不同位置處微觀組織的不同，包括再結(jié)晶分數(shù)及平均晶粒尺寸等。