[优秀论文]结构钢热加工过程的物理与数值模拟.pdf

文档介绍：上海交通大学
博士学位论文
结构钢热加工过程的物理与数值模拟
姓名:张斌
申请学位级别:博士
专业:材料加工工程
指导教师:阮雪榆;张鸿冰
20030701
结构钢热加工过程的物理与数值模拟
摘要
随着现代形变理论的发展对结构钢热塑性成形的研究已不再局限于宏观定性的试验研究
而是着重于内部微观组织的变化和力学性能的预测和控制钢在热变形过程中要经历一系列微观组
织的变化诸如动态/静态回复再结晶和晶粒长大以及随后冷却过程中的奥氏体组织演变等
因此对这些阶段中发生的各种冶金现象进行数学描述可以实现结构钢控制锻造的计算机模拟
以达到预测和控制热成形产品质量的目的
采用单道次双道次压缩和单道次压缩保温试验等物理模拟的方法对35CrMo和20CrMnTi
结构钢在热变形过程中的再结晶规律进行了研究 35CrMo和20CrMnTi钢发生动态再结晶的形变条
件均为 T>1000°C ε& £ 1s ­1 两种钢的变形激活能分别为 KJ/mol 和 KJ/mol 采
用加工硬化率应变 q-e 图可以准确地判断钢中发生动态软化的类型提出采用q-e可以方便的
确定动态再结晶开始应变ec 最大软化率应变e*和达到稳态时的应变es 该方法准确直观较为
全面的得到两种钢的变形特征参数与Z参数的关系本文提出一套计算动态再结晶过程的经验数学
模型计算分数与实测值较为吻合并建立了它们的动态再结晶晶粒尺寸模型应变速率形变温
度和奥氏体初始晶粒尺寸对动态再结晶动力学的影响也进行了研究表明动态再结晶动力学随着初
始奥氏体晶粒尺寸的增大稍有较低形变温度的升高和变形速率的增大再结晶动力学明显加速
通过双道次压缩和单道次压缩保温试验得出钢静态再结晶激活能动力学方程静
35CrMo Qrec
态再结晶晶粒尺寸模型
热变形造成的奥氏体组织结构变化将影响到奥氏体随后冷却过程中的相变通过热模拟实验
研究了变形量变形温度变形速率和变形后停留时间对热变形奥氏体相变过程的影响测定了
35CrMo 20CrMnTi和40Cr钢在多种热变形工艺条件下变形后奥氏体连续冷却转变动力学曲线认
为变形温度变形速率和变形后高温停留时间对热变形奥氏体转变过程没有直接联系但可以通过
对再结晶过程的控制而影响相变过程再结晶消耗了大量的晶体缺陷从而抑制相变过程
本文全面综合考虑热变形过程的储存能变化在此基础上以超组元模型为热力学基础得
到了多组元钢在热变形时的热力学参数并以35CrMo结构钢为例进行了具体计算采用Cahn提出
的延伸面积法推导了先共析铁素体析出和珠光体转变等温动力学的积分模型并依据Scheil 叠
加原理和热膨胀实验结果建立了应用于连续冷却过程结构钢热变形奥氏体向铁素体珠光体转变
时的动力学方法 35CrMo结构钢的相变行为计算结果表明相变开始温度相变分数的计算值与
实测值符合得较好可以认为该模型可以用于分析热变形及随后冷却工艺参数对变形后产品组织
状况的影响
基于热力耦合弹塑性有限元法与金属微观组织演变的数学模型在MARC 有限元软件平台
I
上开发了一个结构钢热变形过程动态再结晶组织演化和随后静态再结晶过程的数值模拟系统对模
拟结果进行了金相法验证模拟结果与实验结果比较吻合表明本文的方法可以较好预报热变形后
的金属微观组织
提出采用有限元法计算奥氏体连续冷却过程中的温度场根据转变动力学和应用两种类型的
TTT 曲线的回归方程计算相变量对 35CrMo 钢在未形变和热变形后奥氏体连续冷却过程中的组织
转变行为进行模拟给出了冷却过程瞬态温度场和组织转变的进行过程计算中全面考虑诸如材料
非线性相变潜热非线性等非线性问题并从组织分布上验证了模拟结果的合理性最后对模拟
得到的各相相变开始温度和相变率与前面基于 Cahn 延伸面积法推导的动力学方程的计算结果
与实测结果进行对比得出采用 TTT 曲线回归方程计算相变量并基于温度场组织场耦合的算法
可以较好的用来模拟未形变或形变奥氏体的连续冷却过程的温度场与组织分布从而能进行工艺设
计为提高工件的性能打下基础
关键词结构钢物理模拟特征参数动态/静态再结晶储存能热变形奥氏体相变热力学
参数数值模拟 TTT曲线温度场组织场耦合















II
Numerical and Physical Simulation Study of Structural Steel
during Hot-working Process
ABSTRACT
With the development of modern