中碳結構鋼亞熱控制精密成形特性模擬研究.pdf

1、伴隨著經濟發(fā)展和制造全球化的熱潮,為了使得產品具有市場競爭力,采用低成本高質量的先進制造技術已成為制造業(yè)不可遏制的發(fā)展趨勢。亞熱控制精密成形是在溫成形和熱成形溫度范圍之間成形的一種精密成形工藝。該工藝具有如下優(yōu)點:變形抗力低,簡化工序,節(jié)約能耗,成形后的產品不僅能滿足尺寸精度要求,同時成形件晶粒細小,力學性能優(yōu)良。本文以汽車精鍛件常用的合金結構鋼40Cr和DIN優(yōu)質碳素鋼Cf53為研究對象,以汽車花鍵軸為載體,采用物理模擬和數值模擬相結

2、合的方法對亞熱控制精密成形特性進行了系統(tǒng)的理論和實驗研究。
　　通過熱模擬實驗和定量金相技術分析了40Cr和Cf53鋼的亞熱變形行為和變形工藝參數對微觀組織的影響。多因素方差分析結果顯示,對于這兩種鋼在亞熱成形條件下等效應變,等效應變率和溫度三因素都為影響顯著的因素。其影響程度由主到次可排列如下:等效應變速率,變形溫度,等效應變。
　　本文基于對Zener-Hollomon參數的研究,建立了一種由穩(wěn)態(tài)項和修正項構成的新型流變

3、應力模型。穩(wěn)態(tài)項是金屬材料在亞熱變形過程中的穩(wěn)態(tài)流變應力模型,而修正項是指流變應力隨應變的變化而變化的部分。并把它應用到40Cr和Cf53鋼中,計算出這兩種鋼新型流變應力模型的具體參數值。本文計算了40Cr和Cf53鋼的亞熱成形激活能,分別為:318.759kJ/mol和274.803kJ/mol。
　　把Zener-hollomon參數作為亞熱成形過程中宏觀流變應力與微觀晶粒尺寸的橋梁,建立了宏觀流變應力和變形后奧氏體晶粒尺寸的

4、關系式,并首次計算了40Cr和Cf53鋼亞熱成形宏觀流變應力和變形后奧氏體晶粒尺寸間的關系模型,為實際應用奠定了理論基礎。
　　建立了40Cr和Cf53鋼亞熱成形動態(tài)再結晶晶粒尺寸模型,首次建立了40Cr和Cf53鋼在亞熱變形條件下,Avrami指數隨應變速率的變化而變化的再結晶動力學模型。
　　通過研究在溫度為1123-1273K和應變速率為0.1-20s-1條件下的應力-應變曲線,首次構建了40Cr鋼的亞熱變形加工圖,結

5、果顯示高的能量耗散效率對應著峰值應力的出現和由動態(tài)再結晶產生的流動軟化。在應變?yōu)?.4時，在變形條件為1210-1230K,0.1-O.5s-1下，能量耗散效率達37％，材料發(fā)生動態(tài)再結晶，產生細小均勻的奧氏體晶粒，為最優(yōu)加工參數。
　　為了精確的模擬40Cr和Cf53鋼亞熱精鍛工藝條件下的成形行為，采用編寫用戶子程序的方法，把本文建立的新型流變應力模型禍合到DEFORM-3D程序中。建立了40Cr和Cf53鋼亞熱精鍛工藝模擬原型

6、系統(tǒng)。對40Cr和Cf53鋼亞熱擠壓變形過程進行了數值模擬，分析了變形溫度，變形速度，變形量和摩擦因子對亞熱擠壓成形過程中等效應變的影響。
　　基于本文建立的亞熱成形微觀演化模型，利用變形過程中的等效應力場，等效應變場，等效應變速率場數據，首次用Visual C++編程實現了對亞熱擠壓過程微觀演化參量的計算，建立了微觀演化參量預測的原型系統(tǒng)，實現了對再結晶晶粒度和再結晶百分數的預測。對40Cr和Cf53鋼亞熱擠壓變形進行了數值模擬

7、，研究了變形工藝參數對再結晶晶粒尺寸和再結晶百分數的影響。
　　進行40Cr和Cf53鋼亞熱正反擠壓實驗，進行了定量金相分析，將實驗結果和有限元模擬結果進行了對比證實了本文的微觀組織演化預測系統(tǒng)和流變應力模型在40Cr和Cf53鋼亞熱變形過程的應用具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，從而驗證了本文提出的新型流變應力模型的建模方法是合理的。
　　采用本文研究的亞熱控制精鍛微觀模擬系統(tǒng)，以汽車花鍵軸為例，對亞熱成形進行工藝分析，確定了工藝