CN105373683A - 一种20CrMnTiH钢热变形过程微观组织演化规律的预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种20CrMnTiH钢热变形过程微观组织演化规律的预测方法，该方法将基于Deform-3D二次开发微观组织模拟模块与热变形过程相结合，利用物理实验得到20CrMnTiH钢微观组织演化机制数学模型，采用Absoft？Pro？Fortran语言编译该材料动态再结晶、静态再结晶、亚动态再结晶以及奥氏体晶粒长大微观组织分析模拟模块。通过调用该微观组织模块计算出热变形工件在不同工艺条件下微观组织的分布，分析热变形过程中宏观场量如温度场、等效应力-应变场和微观组织相互影响规律实现20CrMnTiH钢热变形过程中微观组织分布及演化规律的预测，为实际生产中20CrMnTiH钢产品热成形工艺参数的设置和优化提供技术基础，为实现该材料热精密成形过程通过控制变形条件得到良好力学性能提供理论依据。

Description

一种20CrMnTiH钢热变形过程微观组织演化规律的预测方法

技术领域

本发明涉及计算机模拟仿真技术领域，尤其涉及一种20CrMnTiH钢热变形过程微观组织演化规律预测的方法。

背景技术

金属材料热变形成形时具有屈服应力小、塑性成形性能好等特点，可降低成形力，减少成形工步，缩短生产周期，节约设备投资，因此金属材料热成形技术在一些复杂零件中具有重要的应用。热变形过程中由于高温和变形的耦合作用，导致材料内部微观组织发生变化，而这些微观组织的变化反过来会影响材料的宏观变形行为和力学性能，对产品的成形质量有着决定性的影响。

金属零件加工过程中，不仅要求保证零件外形尺寸精度高，而且要保证零件具有良好的微观组织和力学性能。金属材料热变形过程中工艺条件对材料内部组织起着决定影响，控制变形过程中成形工艺参数来控制内部的微观组织，可以使零件获得较好的内部组织，从而提高零件的力学性能。

随着计算机仿真模拟技术和塑性成形理论的快速发展，在计算机上再现材料的成形过程，观察变形过程中材料内部组织在不同阶段的变化和分布特点，预测变形过程中各种场量的演化和分布规律，以此来优化工艺参数以获得良好质量的产品，可以降低产品生产周期、生产成本，适应现代企业的快速反应和个性化制造的现状。然而大部分的数值模拟软件可以进行宏观变形和温度场的模拟分析，不能直接进行宏观变形和微观组织的耦合分析，不具备微观组织演化的模拟和预测功能。但是，许多软件提供了用户自定义子程序功能，可以通过对软件进行二次开发来定义用户微观组织模拟分析模块，建立适用于某种材料微观组织演化模拟计算模块并与成形过程中热力耦合分析相结合，模拟分析不同变形条件下组织演化规律。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种20CrMnTiH钢热变形过程微观组织演化规律的预测方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种20CrMnTiH钢热变形过程微观组织演化规律的预测方法，包括以下步骤：

1)对20CrMnTiH钢进行加热保温和热压缩物理试验获得不同工艺条件下的包括应力-应变曲线、奥氏体晶粒长大尺寸以及再结晶晶粒尺寸在内的实验数据；

2)通过热压缩物理实验获得的20CrMnTiH钢不同工艺条件下的应力-应变曲线建立20CrMnTiH钢的宏观流动应力本构模型；结合该材料的弹性参数和热性能参数等基本属性，建立了该材料的基于DEFORM-3D的材料库；

3)设计预测20CrMnTiH钢热变形过程中微观组织演化规律的微观组织演化模拟模块，利用金属材料热变形微观组织演化理论设计20CrMnTiH钢微观组织二次开发子程序的流程图，利用步骤1)中获得的应力-应变曲线、晶粒尺寸等数据建立动态、静态和亚动态再结晶以及奥氏体晶粒长大微观组织变化行为的数学模型，结合二者利用Fortran语言编写用户子程序，嵌入DEFORM-3D软件中进行二次开发，使得二次开发后的DEFORM-3D软件实现该材料微观组织演化规律的模拟预测；

所述微观组织演化模拟模块用于对锻件热变形过程中微观组织变化进行模拟计算，根据计算结果判断微观组织发生的组织变化行为，具体包括以下步骤：

3.1)当微观组织模拟模块计算开始时，判断锻件是否发生应变，若应变量大于零则开始进入下一步计算；

3.2)判断每一步的应变速率是否大于零，以获得此时是处于变形过程中还是处于道次间隙或者是变形后；

3.3)若应变速率大于零，则判断应变是否超过临界应变，若超过临界应变则判定为动态再结晶，此时代入动态再结晶数学模型计算，反之材料晶粒尺寸不发生变化；

3.4)若应变速率等于零，则判断应变是否超过临界应变，若超过则判定为亚动态再结晶，此时便代入亚动态再结晶数学模型计算，否则判定为静态再结晶，此时代入静态再结晶数学模型计算；

3.5)根据判定结果返回各节点和单元变量；

4)根据热加工过程中所需要输出的微观组织数据，建立用户自定义变量，通过由微观组织演化模块子程序形成的微观组织分析模拟预测模块，可以获得该材料热锻过程中复杂微观组织演化和分布数据，包括：变形前后热过程中奥氏体晶粒长大行为、变形过程中动态再结晶行为、道次间隙以及热变形后的静态再结晶与亚动态再结晶行为；

5)根据20CrMnTiH钢产品的特定形状尺寸、成形工艺，建立该产品基于Deform-3D的变形-传热-微观组织三维有限元模型(根据特定的该材料钢产品，建立坯料和模具的三维造型，导入Deform-3D中进行装配，并设置材料类型、划分网格、设定工艺参数以及边界条件等参数)，调用微观组织演化模拟模块和该材料的基于DEFORM-3D的材料库对该锻件热变形过程和微观组织变化过程进行模拟计算，进行该材料热成形过程中微观组织演化规律预测分析。利用Deform-3D中的后处理分析模块，得到变形过程中锻件的包括温度场、应变场和应力场状态变量的数据，结合后处理数据分析金属流动规律，得到该锻件的宏观热成形机理；

针对不同的热变形工艺方案，通过后处理模块输出用户自定义微观组织变量，研究分析特定工件在热加工过程中微观组织的演化规律，得到变形过程中的微观组织的变化行为以及再结晶体积分数和晶粒尺寸等数据，结合数据观察和分析，得到变形过程中再结晶发生区域的分布以及均匀化程度、再结晶晶粒尺寸的分布以及均匀化程度等微观组织演化行为，实现该材料热成形过程中微观组织演化规律预测分析。

按上述方案，所述步骤1)中的热压缩实验为使用gleeble-3500热模拟机对20CrMnTiH钢进行加热保温实验、单道次热压缩和双道次热压缩物理试验。

按上述方案，所述工艺条件为对微观组织行为具有影响的包括温度、速度、变形程度、初始晶粒尺寸以及保温时间。按上述方案，所述应变速率临界值为0.001。

按上述方案，所述步骤3)中微观组织演变数学模型包括：奥氏体晶粒长大、动态再结晶、静态再结晶和亚动态再结晶模型，

(1)奥氏体晶粒长大模型：

d_g ^5.268＝d₀ ^5.268+8.21×10¹⁷t^0.997606exp(-303882.7/RT)

其中d_g为奥氏体晶粒长大后的晶粒尺寸(um)，d₀为初始晶粒尺寸(um)，t为保温时间(s)，R为气体常数(8.314J/(K*mol))，T为绝对温度(K)

(2)动态再结晶

在变形过程中，若有足够的激活能，20CrMnTiH钢可能发生动态再结晶。

建立了20CrMnTiH钢动态再结晶动力学模型：

ε_c＝0.8ε_p

${\mathrm{\ϵ}}_p=0.00223{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}^{0.192075}\exp (55345.99/RT)$

其中ε_c为临界应变，ε_p为峰值应变，为应变速率(s^-1)，R为气体常数(8.314J/(K*mol))，T为绝对温度(K)

建立了20CrMnTiH钢动态再结晶运动学模型：

$X_{drex}=1-\exp \[-3.842259{\left(\frac{\mathrm{\ϵ}-{\mathrm{\ϵ}}_c}{{\mathrm{\ϵ}}_{0.5}}\right)}^{1.676366}\]$

其中X_drex为动态再结晶百分数，ε为应变，ε_0.5为动态再结晶发生达到50％时的应变

建立了20CrMnTiH钢动态再结晶晶粒尺寸模型：

$d_{drex}=3.718443{d_0}^{2.07413}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}^{-0.17247}{\mathrm{\ϵ}}^{0.18937}\exp (-72358.3/RT)$

其中d_drex为动态再结晶晶粒尺寸(um)，d₀为初始晶粒尺寸(um)

(3)静态再结晶

在道次间隙或者变形之后，若20CrMnTiH钢还未发生动态再结晶，则有可能发生静态再结晶；

20CrMnTiH钢静态再结晶运动学模型：

$X_{srex}=1-\exp \[-0.693{\left(\frac{t}{t_{s0.5}}\right)}^{0.607254167}\]$

$t_{s0.5}=1.57576\×{10}^{-13}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}^{-0.30985}{\mathrm{\ϵ}}^{-1.25233}{d_0}^{2.45366}\exp \left(\frac{202358.7137}{RT}\right)$

其中X_srex为静态再结晶百分数，t为静态再结晶发生的时间(s)，t_s0.5为静态再结晶达到50％的时间(s)，为应变速率(s^-1)，ε为应变，d₀为初始晶粒尺寸(um)，R为气体常数(8.314J/(K*mol))，T为绝对温度(K)；

20CrMnTiH钢静态再结晶晶粒尺寸模型：

$d_{srex}=150.3278d_0^{0.33836}{\mathrm{\ϵ}}^{0.68523}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}^{-0.12592}\exp (-14853.5/RT)$

其中d_srex为静态再结晶晶粒尺寸(um)；

(4)亚动态再结晶

在道次间隙或者变形之后，若20CrMnTiH钢还已经发生动态再结晶，则有可能发生亚动态再结晶；

20CrMnTiH钢亚动态再结晶运动学模型：

$X_{mrex}=1-\exp \[-0.693{\left(\frac{t}{t_{m0.5}}\right)}^{0.347933333}\]$

$t_{m0.5}=0.00175777{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}^{-0.63627}{d_0}^{-6.28389}\exp \left(\frac{323994.84}{RT}\right)$

其中X_mrex为亚动态再结晶百分数，t为亚动态再结晶的发生时间(s)，t_m0.5为亚动态再结晶发生50％所需的时间(s)，为应变速率(s^-1)，d₀为初始晶粒尺寸(um)，R为气体常数(8.314J/(K*mol))，T为绝对温度(K)

20CrMnTiH钢亚动态再结晶晶粒尺寸模型

$d_{mrex}=9.092362d_0^{1.18143}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}^{-0.18521}\exp (-39124.5/RT)$

其中d_mrex为亚动态再结晶晶粒尺寸(um)。

本发明产生的有益效果是：该方法将基于Deform-3D的二次开发微观组织模拟与热变形过程模拟相结合，利用物理实验获得20CrMnTiH钢微观组织演化机制数学模型，根据不同微观组织演化行为设计出20CrMnTiH钢微观组织二次开发子程序的流程图，结合二者编译出该材料动态再结晶、静态再结晶、亚动态再结晶以及奥氏体晶粒长大微观组织分析模拟预测模块，通过调用该微观组织模块得到不同工艺条件下微观组织演化规律和分布特点，从而为该材料热精锻产品的成形质量的控制和工艺参数的优化提供指导作用。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为根据金属材料热变形过程中微观组织变化机制设计的动态再结晶、静态再结晶、亚动态再结晶以及奥氏体的晶粒长大的微观组织模拟二次开发子程序流程图；

图2为根据20CrMnTiH钢圆柱镦粗物理实验建立的相对应的变形-传热-微观组织有限元模型；

图3为根据Deform-3D的二次开发微观组织模块定义的用户变量，对变形-传热-微观组织有限元模型在前处理模块中设置微观组织数值模拟的初始参数；

图4为对Deform-3D二次开发微观组织模块定义的用户变量进行后处理观察，获得特定锻件的微观组织分布情况数据；

图5为应变速率为0.01s^-1，变形温度分别为850℃、950℃、1050℃和1150℃下动态再结晶百分数模拟分布结果

图6为应变速率为0.01s^-1，变形温度分别为850℃、950℃、1050℃和1150℃下动态再结晶晶粒尺寸模拟分布结果；

图7为变形温度为1050℃，应变速率分别为0.01s^-1、0.1s^-1和1s^-1下动态再结晶百分数模拟分布结果；

图8为变形温度为1050℃，应变速率分别为0.01s^-1、0.1s^-1和1s^-1下动态再结晶晶粒尺寸模拟分布结果；

图9为初始晶粒尺寸分别为48.99um、55.67um和59.61um下动态再结晶百分数模拟分布结果；

图10为初始晶粒尺寸分别为48.99um、55.67um和59.61um下动态再结晶晶粒尺寸模拟分布结果；

图11为压下量分别为40％、50％和60％下动态再结晶百分数模拟分布结果；

图12为压下量分别为40％、50％和60％下动态再结晶晶粒尺寸模拟分布结果。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种20CrMnTiH钢热变形过程微观组织演化规律的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对20CrMnTiH钢进行加热保温和热压缩物理试验获得不同工艺条件下的包括应力-应变曲线、奥氏体晶粒长大尺寸以及再结晶晶粒尺寸在内的实验数据；

2)通过热压缩物理实验获得的20CrMnTiH钢不同工艺条件下的应力-应变曲线建立20CrMnTiH钢的宏观流动应力本构模型；结合该材料的弹性参数和热性能参数，建立了该材料的基于DEFORM-3D的材料库；

3)设计20CrMnTiH钢热变形过程中微观组织演化规律的微观组织演化模拟模块，并利用金属材料热变形微观组织演化理论，结合步骤1)中获得的应力-应变曲线、晶粒尺寸等数据建立动态、静态和亚动态再结晶以及奥氏体晶粒长大微观组织变化行为的数学模型；

所述步骤3)中微观组织演变数学模型包括：奥氏体晶粒长大、动态再结晶、静态再结晶和亚动态再结晶模型，

(1)奥氏体晶粒长大模型：

d_g ^5.268＝d₀ ^5.268+8.21×10¹⁷t^0.997606exp(-303882.7/RT)

其中d_g为奥氏体晶粒长大后的晶粒尺寸(um)，d₀为初始晶粒尺寸(um)，t为保温时间(s)，R为气体常数(8.314J/(K*mol))，T为绝对温度(K)

(2)动态再结晶

在变形过程中，若有足够的激活能，20CrMnTiH钢可能发生动态再结晶。

建立了20CrMnTiH钢动态再结晶动力学模型：

ε_c＝0.8ε_p

${\mathrm{\ϵ}}_p=0.00223{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}^{0.192075}\exp (55345.99/RT)$

其中ε_c为临界应变，ε_p为峰值应变，为应变速率(s^-1)，R为气体常数(8.314J/(K*mol))，T为绝对温度(K)

建立了20CrMnTiH钢动态再结晶运动学模型：

$X_{drex}=1-\exp \[-3.842259{\left(\frac{\mathrm{\ϵ}-{\mathrm{\ϵ}}_c}{{\mathrm{\ϵ}}_{0.5}}\right)}^{1.676366}\]$

${\mathrm{\ϵ}}_{0.5}=0.002225{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}^{0.189125}\exp (58698.86/RT)$

其中X_drex为动态再结晶百分数，ε为应变，ε_0.5为动态再结晶发生达到50％时的应变

建立了20CrMnTiH钢动态再结晶晶粒尺寸模型：

$d_{drex}=3.718443{d_0}^{2.07413}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}^{-0.17247}{\mathrm{\ϵ}}^{0.18937}\exp (-72358.3/RT)$

其中d_drex为动态再结晶晶粒尺寸(um)，d₀为初始晶粒尺寸(um)

(3)静态再结晶

在道次间隙或者变形之后，若20CrMnTiH钢还未发生动态再结晶，则有可能发生静态再结晶；

20CrMnTiH钢静态再结晶运动学模型：

$X_{srex}=1-\exp \[-0.693{\left(\frac{t}{t_{s0.5}}\right)}^{0.607254167}\]$

$t_{s0.5}=1.57576\×{10}^{-13}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}^{-0.30985}{\mathrm{\ϵ}}^{-1.25233}{d_0}^{2.45366}\exp \left(\frac{202358.7137}{RT}\right)$

其中X_srex为静态再结晶百分数，t为静态再结晶发生的时间(s)，t_s0.5为静态再结晶达到50％的时间(s)，为应变速率(s^-1)，ε为应变，d₀为初始晶粒尺寸(um)，R为气体常数(8.314J/(K*mol))，T为绝对温度(K)

20CrMnTiH钢静态再结晶晶粒尺寸模型：

$d_{srex}=150.3278d_0^{0.33836}{\mathrm{\ϵ}}^{0.68523}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}^{-0.12592}\exp (-14853.5/RT)$

其中d_srex为静态再结晶晶粒尺寸(um)

(4)亚动态再结晶

在道次间隙或者变形之后，若20CrMnTiH钢还已经发生动态再结晶，则有可能发生亚动态再结晶；

20CrMnTiH钢亚动态再结晶运动学模型：

$X_{mrex}=1-\exp \[-0.693{\left(\frac{t}{t_{m0.5}}\right)}^{0.347933333}\]$

$t_{m0.5}=0.00175777{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}^{-0.63627}{d_0}^{-6.28389}\exp \left(\frac{323994.84}{RT}\right)$

其中X_mrex为亚动态再结晶百分数，t为亚动态再结晶的发生时间(s)，t_m0.5为亚动态再结晶发生50％所需的时间(s)，为应变速率(s^-1)，d₀为初始晶粒尺寸(um)，R为气体常数(8.314J/(K*mol))，T为绝对温度(K)

20CrMnTiH钢亚动态再结晶晶粒尺寸模型

$d_{mrex}=9.092362d_0^{1.18143}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}^{-0.18521}\exp (-39124.5/RT)$

其中d_mrex为亚动态再结晶晶粒尺寸(um)。

所述微观组织演化模拟模块用于对锻件热变形过程中微观组织变化进行模拟计算，根据计算结果判断微观组织发生的组织变化行为，具体包括以下步骤：

3.1)当微观组织模拟模块计算开始时，判断锻件是否发生应变，若应变量大于零则开始进入下一步计算；

3.2)判断每一步的应变速率是否大于零，以获得此时是处于变形过程中还是处于道次间隙或者是变形后；

3.3)若应变速率大于零，则判断应变是否超过临界应变，若超过临界应变则判定为动态再结晶，反之材料晶粒尺寸不发生变化；

3.4)若应变速率等于零，则判断应变是否超过临界应变，若超过则判定为亚动态再结晶，否则判定为静态再结晶；

3.5)根据判定结果返回各节点和单元变量；

4)根据热加工过程中所需要输出的微观组织数据，建立用户自定义变量，通过由微观组织演化数学模型以及微观组织演化模拟模块综合形成的微观组织分析模拟预测模块，可以获得该材料热锻过程中复杂微观组织演化和分布数据，包括：变形前后热过程中奥氏体晶粒长大行为、变形过程中动态再结晶行为、道次间隙以及热变形后的静态再结晶与亚动态再结晶行为；

5)根据20CrMnTiH钢产品的形状尺寸、成形工艺，建立该产品基于Deform-3D的变形-传热-微观组织三维有限元模型，调用微观组织演化模拟模块和该材料的基于DEFORM-3D的材料库对该锻件热变形过程和微观组织变化过程进行模拟计算，进行该材料热成形过程中微观组织演化规律预测分析。

本实施例中选取20CrMnTiH钢圆柱镦粗过程中动态再结晶行为作为研究对象对本发明作进一步说明。

首先，选择利用USRUPD子程序对20CrMnTiH钢进行动态再结晶二次开发。然后，建立相应的热压缩Deform-3D变形-传热-微观组织有限元模型，设置与热压缩实验相同的变形工艺条件，通过调用二次开发获得的微观组织模拟分析模块，模拟分析该材料热压缩变形过程中动态再结晶行为的变化，最后与实验结果进行比较分析。

步骤1：通过在Gleeble-3500热模拟机上进行不同工艺参数下的热压缩实验，分析实验数据，建立20CrMnTiH的动态再结晶动力学、运动学以及晶粒尺寸数学模型。如表1所示。

表1动态再结晶模型

步骤2：根据塑性成形理论和金属材料热变形微观组织演化理论，结合该材料的动态、静态和亚动态再结晶以及奥氏体晶粒长大微观组织行为的变化机理，设计出20CrMnTiH钢热变形过程中预测微观组织演化规律的微观组织演化模拟模块(基于Deform-3D的二次开发模块)的流程图，如图1所示。选择利用USRUPD子程序对20CrMnTiH钢进行微观组织行为模拟的二次开发。建立用户自定义变量，如表2所示。

表2用户自定义变量含义

步骤3：建立20CrMnTiH钢圆柱镦粗的变形-传热-微观组织有限元模型，设置不同的模拟工艺参数。所述有限元模型如图2所示。

步骤4：调用本发明所编译的微观组织模拟模块，在Deform-3D前处理模块材料模型Advanced设置User选项，根据表2将用户自定义变量的名称和初始值输入表格中，如图3所示。

步骤5：为验证动态再结晶模块二次开发的准确性，将建立相应的DEFORM-3D有限元模型，设置与实验中相同的变形条件进行等温热压缩模拟。通过对比实验结果和模拟结果，分析动态再结晶预测模块二次开发的准确性。

步骤6：如图4所示，打开Deform-3D后处理模块，观察分析软件自带模块的温度场、等效应力-应变场等宏观场量演化和分布特点，同时查看本发明二次开发模块所定义的用户变量，观察动态再结晶百分数、动态再结晶晶粒尺寸以及平均晶粒尺寸等用户变量的分布情况，并将不同成形工艺条件下预测得到的圆柱热压缩模拟微观组织数据与物理热压缩实验进行对比分析。如表3、4、5、6所示。

表3不同变形温度下的动态再结晶百分数与再结晶晶粒尺寸实验值与模拟预测值的对比分析

表4不同应变速率下的动态再结晶百分数与再结晶晶粒尺寸实验值与模拟预测值的对比分析

表5不同初始晶粒尺寸下的动态再结晶百分数与再结晶晶粒尺寸实验值与模拟预测值的对比分析

表6不同压下量下的动态再结晶百分数与再结晶晶粒尺寸实验值与模拟预测值的对比分析

图5～12为通过定义的用户变量获得的微观组织分布情况。通过分析数据可知，动态再结晶百分数基本达到90％以上，平均误差为3.4％，和实验基本相符合，在温度较低(850℃)和应变较小(0.591)的时候误差较大，分别为12.4％、11.9％；动态再结晶晶粒尺寸模拟结果与实验结果对比，最大误差为15.1％，平均误差为5.93％，与实验结果较为相符。由上述可看出20CrMnTiH钢动态再结晶的预测模型在DEFROM-3D的二次开发结果准确性较好，可以用来预测该材料的热变形过程中微观组织的演化规律。

基于上述二次开发的微观组织模拟模块获得的20CrMnTiH钢产品在热变形过程中微观组织的分布情况数据，结合Deform-3D模拟软件输出的该热变形模拟过程中宏观变形应力-应变场和温度场的分布情况数据，讨论分析该产品在热变形过程中微观组织的演化规律。锻件热变形过程中的应力场-应变场和温度场的分布对微观组织的分布和演化具有决定性的作用，根据模拟分析得到的不同时间步下应力场-应变场和温度场以及微观组织分布的数据，分析20CrMnTiH钢材料锻件微观组织的分布和演化规律，通过控制变形条件(变形温度、应变速率、材料初始晶粒尺寸和变形程度等)，改善微观组织的分布与演化情况，为该材料产品热精密成形工艺参数的优化和实现该材料的“成形”与“成性”特性，以获得高精度和高性能锻件产品提供方法。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种20CrMnTiH钢热变形过程微观组织演化规律的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对20CrMnTiH钢进行加热保温和热压缩物理试验获得不同工艺条件下的包括应力-应变曲线、奥氏体晶粒长大尺寸以及再结晶晶粒尺寸在内的实验数据；

2)通过热压缩物理实验获得的20CrMnTiH钢不同工艺条件下的应力-应变曲线建立20CrMnTiH钢的宏观流动应力本构模型；结合该材料的弹性参数和热性能参数，建立了该材料的基于DEFORM-3D的材料库；

3)设计20CrMnTiH钢热变形过程中微观组织演化规律的微观组织演化模拟模块，并利用金属材料热变形微观组织演化理论，结合步骤1)中获得的应力-应变曲线、晶粒尺寸等数据建立动态、静态和亚动态再结晶以及奥氏体晶粒长大微观组织变化行为的数学模型；

所述微观组织演化模拟模块用于对锻件热变形过程中微观组织变化进行模拟计算，根据计算结果判断微观组织发生的组织变化行为，具体包括以下步骤：

3.1)当微观组织模拟模块计算开始时，判断锻件是否发生应变，若应变量大于零则开始进入下一步计算；

3.2)判断每一步的应变速率是否大于零，以获得此时是处于变形过程中还是处于道次间隙或者是变形后；

3.3)若应变速率大于零，则判断应变是否超过临界应变，若超过临界应变则判定为动态再结晶，反之材料晶粒尺寸不发生变化；

3.4)若应变速率等于零，则判断应变是否超过临界应变，若超过则判定为亚动态再结晶，否则判定为静态再结晶；

3.5)根据判定结果返回各节点和单元变量；

4)根据热加工过程中所需要输出的微观组织数据，建立用户自定义变量，通过由微观组织演化数学模型以及微观组织演化模拟模块综合形成的微观组织分析模拟预测模块，可以获得该材料热锻过程中复杂微观组织演化和分布数据，包括：变形前后热过程中奥氏体晶粒长大行为、变形过程中动态再结晶行为、道次间隙以及热变形后的静态再结晶与亚动态再结晶行为；

5)根据20CrMnTiH钢产品的形状尺寸、成形工艺，建立该产品基于Deform-3D的变形-传热-微观组织三维有限元模型，调用微观组织演化模拟模块和该材料的基于DEFORM-3D的材料库对该锻件热变形过程和微观组织变化过程进行模拟计算，进行该材料热成形过程中微观组织演化规律预测分析。

2.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，所述步骤1)中的热压缩实验为使用gleeble-3500热模拟机对20CrMnTiH钢进行加热保温实验、单道次热压缩和双道次热压缩物理试验。

3.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，所述工艺条件为对微观组织行为具有影响的包括温度、速度、变形程度、初始晶粒尺寸以及保温时间。按上述方案，所述应变速率临界值为0.001。

4.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，，所述步骤3)中微观组织演变数学模型包括：奥氏体晶粒长大、动态再结晶、静态再结晶和亚动态再结晶模型，

(1)奥氏体晶粒长大模型：

${d_g}^{5.268}={d_0}^{5.268}+8.21\×{10}^{17}{t}^{0.997606}\exp (-303882.7/RT)$

其中d_g为奥氏体晶粒长大后的晶粒尺寸，d₀为初始晶粒尺寸，t为保温时间(s)，R为气体常数(8.314J/(K*mol))，T为绝对温度；

(2)动态再结晶

在变形过程中，若有足够的激活能，20CrMnTiH钢可能发生动态再结晶。

建立了20CrMnTiH钢动态再结晶动力学模型：

ε_c＝0.8ε_p

${\mathrm{\ϵ}}_p=0.00223{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}^{0.192075}\exp \left(55345.99/RT\right)$

其中ε_c为临界应变，ε_p为峰值应变，为应变速率，R为气体常数(8.314J/(K*mol))，T为绝对温度；

建立了20CrMnTiH钢动态再结晶运动学模型：

$X_{drex}=1-\exp \[-3.842259{\left(\frac{\mathrm{\ϵ}-{\mathrm{\ϵ}}_c}{{\mathrm{\ϵ}}_{0.5}}\right)}^{1.676366}\]$

${\mathrm{\ϵ}}_{0.5}=0.002225{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}^{0.189125}\exp (58698.86/RT)$

其中X_drex为动态再结晶百分数，ε为应变，ε_0.5为动态再结晶发生达到50％时的应变

建立了20CrMnTiH钢动态再结晶晶粒尺寸模型：

$d_{drex}=3.718443{d_0}^{2.07413}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}^{-0.17247}{\mathrm{\ϵ}}^{0.18937}\exp \left(-72358.3/RT\right)$

其中d_drex为动态再结晶晶粒尺寸，d₀为初始晶粒尺寸；

(3)静态再结晶

在道次间隙或者变形之后，若20CrMnTiH钢还未发生动态再结晶，则有可能发生静态再结晶；

20CrMnTiH钢静态再结晶运动学模型：

$X_{srex}=1-\exp \[-0.693{\left(\frac{t}{t_{s0.5}}\right)}^{0.607254167}\]$

$t_{s0.5}=1.57576\×{10}^{-13}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}^{-0.30985}{\mathrm{\ϵ}}^{-1.25233}{d_0}^{2.45366}\exp \left(\frac{202358.7137}{RT}\right)$

其中X_srex为静态再结晶百分数，t为静态再结晶发生的时间，t_s0.5为静态再结晶达到50％的时间，为应变速率，ε为应变，d₀为初始晶粒尺寸，R为气体常数(8.314J/(K*mol))，T为绝对温度；

20CrMnTiH钢静态再结晶晶粒尺寸模型：

$d_{srex}=150.3278d_0^{0.33836}{\mathrm{\ϵ}}^{0.68523}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}^{-0.12592}\exp \left(-14853.5/RT\right)$

其中d_srex为静态再结晶晶粒尺寸；

(4)亚动态再结晶

在道次间隙或者变形之后，若20CrMnTiH钢还已经发生动态再结晶，则有可能发生亚动态再结晶；

20CrMnTiH钢亚动态再结晶运动学模型：

$X_{mrex}=1-\exp \[-0.693{\left(\frac{t}{t_{m0.5}}\right)}^{0.347933333}\]$

$t_{m0.5}=0.00175777{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}^{-0.63627}{d_0}^{-6.28389}\exp \left(\frac{323994.84}{RT}\right)$

其中X_mrex为亚动态再结晶百分数，t为亚动态再结晶的发生时间，t_m0.5为亚动态再结晶发生50％所需的时间，为应变速率，d₀为初始晶粒尺寸，R为气体常数(8.314J/(K*mol))，T为绝对温度；

20CrMnTiH钢亚动态再结晶晶粒尺寸模型

$d_{mrex}=9.092362d_0^{1.18143}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}^{-0.18521}\exp \left(-39124.5/RT\right)$

其中d_mrex为亚动态再结晶晶粒尺寸。