CN108595862B - 一种基于失稳分析的300m钢锻造工艺参数优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于失稳分析的300M钢锻造工艺参数优化方法，用于克服现有的方法建立的热加工图未考虑奥氏体演变致使优化的锻造工艺参数存在局限性的不足。在热加工图构建中引入奥氏体晶粒尺寸，在热加工图中，塑性流动失稳参数ξ>0的非失稳区域对应的参数即为优化的300M钢锻造工艺参数，其中能量耗散率峰值对应的参数为300M钢锻造的最优工艺参数。本发明方法可以更准确地实现300M钢锻造工艺参数的优化。

Description

一种基于失稳分析的300M钢锻造工艺参数优化方法
技术领域
本发明涉及一种超高强度钢高温锻造成型领域，特别是涉及一种300M钢锻造工艺参数优化方法。
背景技术
300M钢是在AISI 4340钢的基础上发展起来的一种低合金超高强度钢，具有强度高、横向塑性高、断裂韧性高、疲劳性能优良、抗应力腐蚀性能好等特点，广泛地应用于各种高强度的使用场合，如飞机起落架、机翼紧固件、骨架零件、心轴、齿轮、传动轴、压力容器、油井钻枪的锻件等。超高强度钢锻件在锻造时选用的工艺参数影响其微观组织，进而决定其综合力学性能和服役行为。因而，在不改变超高强度钢化学成分的前提下，基于锻造工艺参数优化，可以获得具有优异综合力学性能的超高强度钢锻件，从而满足设计需求。
文献1“祁荣胜，景阳端，刘鑫刚，金淼，郭宝峰，300M高强钢热变形行为及其热加工图，塑性工程学报，2016，23(2)：130～135”报道了基于热模拟压缩试验获得的不同变形温度和应变速率下流动应力和应变数据，采用动态材料模型，建立了300M钢的热加工图，获得了300M钢较优的锻造工艺参数范围。文献2“祁荣胜，300M钢热变形工艺研究，河南理工大学硕士学位论文，2016，73～89”报道了基于热模拟压缩试验获得的不同变形温度和应变速率下流动应力和应变数据，并采用Murty准则，建立了300M钢在不同应变下的热加工图，在此基础上优化了300M钢锻造工艺参数。
形变、传热及微观组织演变是金属在热变形过程中的基本伴随现象，这些现象并存并相互影响。上述方法建立的热加工图仅考虑变形温度、应变速率和应变对300M钢热变形的影响，未能真实反映300M在热变形过程中奥氏体演变的作用，使得基于上述方法优化的300M钢锻造工艺参数具有一定的局限性。
发明内容
为了克服现有方法建立的热加工图未考虑奥氏体演变致使优化的锻造工艺参数存在局限性的不足，本发明提供一种基于失稳分析的300M钢锻造工艺参数优化方法。该方法通过在热加工图构建中引入奥氏体晶粒尺寸，可以更准确地实现300M钢锻造工艺参数的优化。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于失稳分析的300M钢锻造工艺参数优化方法，其特点是包括以下步骤：
(1)在变形温度范围为850℃～1200℃，应变速率范围为0.1s-1～25.0s-1和应变范围为0.30～1.20条件下，对300M钢进行热模拟压缩试验，压缩前保温5min，得到300M钢的流动应力和应变数据；
(2)300M钢热模拟压缩试验后，在加热温度为560℃和保温4h条件下对进行回火热处理，测量其奥氏体晶粒尺寸。
(3)根据步骤(1)获得的流动应力和应变数据，采用式(a)计算不同变形温度和应变速率下的应变速率敏感性指数m值；
Figure BDA0001647137800000021
式中，σ为流动应力，单位为MPa；
Figure BDA0001647137800000022
为应变速率，单位为s-1。
(4)根据建步骤(1)获得的流动应力、应变数据和步骤(2)获得的奥氏体晶粒尺寸，采用公式组(b)建立300M钢等温变形时的粘弹塑性本构模型；
Figure BDA0001647137800000023
Figure BDA0001647137800000031
式中，ρ为位错密度，单位为cm-2；d为奥氏体晶粒尺寸，单位为μm；r为各向同性硬化/软化变量，单位为MPa；εT为总应变；εp为塑性应变
Figure BDA0001647137800000032
为塑性应变速率，单位为s-1；ɑ1、ɑ2、β0、β1、β2、γ0、γ1、γ2、γ3、A、u、K、q和B为材料参数；k0为初始弹性极限，单位为MPa；n0为应变速率敏感性指数m的倒数；E为杨氏模量，单位为GPa。
(5)根据构建的粘弹塑性本构模型、应变速率敏感性指数m和步骤(2)获得的奥氏体晶粒尺寸，采用式(c)和(d)可以获得不同变形温度、应变速率和应变条件下的能量耗散率η值和塑性流动失稳参数ξ值；
Figure BDA0001647137800000033
Figure BDA0001647137800000034
式中，d为奥氏体晶粒尺寸，单位为μm；r为各向同性硬化/软化变量，单位为MPa；
Figure BDA0001647137800000035
为塑性应变速率，单位为s-1；A、u和k材料参数；k0为初始弹性极限，单位为MPa；n0为应变速率敏感性指数m的倒数；
(6)获得的能量耗散率η值和塑性流动失稳参数ξ值作为变形温度和应变速率的函数分别绘制能量耗散率曲线图和塑性流动失稳参数曲线图；
(7)把绘制能量耗散率曲线图和塑性流动失稳参数曲线图进行叠加，构建出热加工图。在热加工图，ξ>0的非失稳区域对应的参数即为优化的300M钢锻造工艺参数；在非失稳区域，能量耗散率峰值对应的参数为300M钢锻造的最优工艺参数。
(8)根据优化后的工艺参数对300M钢进行锻造，检测锻造后的微观组织是否满足要求。
经检测，锻造的300M钢奥氏体晶粒分布较为均匀，无微观缺陷，满足锻造组织要求。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
该本发明提供的一种基于失稳分析的300M钢锻造工艺参数优化方法，其特点在于：在300M锻造工艺热加工图构建中引入奥氏体晶粒尺寸。在该热加工图中，ξ>0的非失稳区域对应的参数即为优化的300M钢锻造工艺参数，其中能量耗散率峰值对应的参数为300M钢锻造的最优工艺参数。本发明方法可以更准确地实现300M钢锻造工艺参数的优化。
附图说明
图1是本发明方法实例1在应变为0.5时300M钢的热加工图。
图2是在锻造温度为1140℃、应变速率为0.1s-1及应变为0.5下300M钢锻造后的微观组织照片。
图3是本发明方法实例2在应变为0.7时300M钢的热加工图。
图4是在锻造温度为1140℃、应变速率为0.1s-1及应变为0.7下300M钢锻造后的微观组织照片。
具体实施方式
实施例1
参照图1-2。本发明一种基于失稳分析的300M钢锻造工艺参数优化方法,具体步骤如下：
(1)选择变形温度为850℃、900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃、1120℃、1140℃、1160℃、1180℃和1200℃，应变速率为0.1s-1、1.0s-1、10.0s-1和25.0s-1和应变为0.3～1.20，分别对300M钢圆柱体试样进行热模拟压缩试验，得到300M钢的流动应力和应变数据；
(2)在加热温度为560℃和保温4h条件下对300M钢热模拟压缩试样进行回火热处理，测量其奥氏体晶粒尺寸；
(3)选择应变为0.5时的流动应力和应变数据，根据公式(a)计算不同变形温度和应变速率下的应变速率敏感性指数m值；
(4)建立式(b)所示300M钢等温变形时的粘弹塑性本构模型；
(5)根据构建的粘弹塑性本构模型、步骤(3)获得的应变速率敏感性指数m值和步骤(2)获得奥氏体晶粒尺寸，采用公式(c)和(d)分别计算应变为0.5时的能量耗散率η值和塑性流动失稳参数ξ值。
(6)获得的能量耗散率η值和塑性流动失稳参数ξ值作为变形温度和应变速率的函数分别绘制应变为0.5时的能量耗散率曲线图和塑性流动失稳参数曲线图；
(7)把绘制能量耗散率曲线图和塑性流动失稳参数曲线图进行叠加，构建出热加工图，如图1所示。在热加工图，阴影区域为非稳定变形区域，即ξ<0；非阴影区域，即ξ>0的非失稳区域对应的参数为优化的300M钢锻造工艺参数，如表1所示。在非失稳区域，能量耗散率峰值对应的参数为300M钢锻造的最优工艺参数，即锻造温度为1140℃和应变速率为0.1s-1。
表1
变形温度/℃ 应变速率/s<sup>-1</sup>
900～1140 0.1～0.12
920～1140 0.3
940～1140 0.5
1010～1140 1.0～2.5
980～1060 4.0
950～1060 10.0
900～1060 15.1～25.0
(8)在锻造温度为1140℃、应变速率为0.1s-1和应变为0.5下对300M钢进行锻造，然后检测其锻造后的微观组织，如图2所示。图2中的300M钢奥氏体晶粒分布较为均匀，无微观缺陷，满足锻造组织要求。
实施例2
根据实施例1的工艺方法，选择应变为0.7的流动应力和应变数据，计算应变为0.7时的应变速率敏感性指数m值、能量耗散率η值和流动失稳参数ξ值。根据构建的应变为0.7时的热加工图(图3)，ξ>0的非阴影区域对应的参数即为优化的300M钢锻造工艺参数。在ξ>0的非阴影区域，能量耗散率峰值对应的参数为最优工艺参数，即锻造温度为1140℃和应变速率为0.1s-1。
在锻造温度为1140℃、应变速率为0.1s-1及应变为0.7下对300M钢进行锻造，然后检测其锻造后的微观组织(图4)。图4中的300M钢奥氏体晶粒分布较为均匀，无微观缺陷，满足锻造组织要求。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明精神的基础之下，本领域普通技术人员可以对本发明的技术方案做出的各种修改和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于失稳分析的300M钢锻造工艺参数优化方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)在变形温度为850℃～1200℃，应变速率为0.1s-1～25.0s-1，应变范围0.30～1.2条件下，分别对300M钢进行热模拟压缩试验，获得300M钢高温塑性变形时的流动应力和应变ε数据；
(2)通过对热模拟压缩试验后的300M钢进行回火热处理，回火热处理结束后计算其奥氏体晶粒尺寸；
(3)根据步骤(1)获得的流动应力和应变ε数据，采用公式(a)分别计算上述变形温度和应变速率条件下的应变速率敏感性指数m值；
Figure FDA0003359033320000011
式中，σ为流动应力，单位为MPa；
Figure FDA0003359033320000012
为应变速率，单位为s-1；T为变形温度，单位为℃；
(4)根据建步骤(1)获得的流动应力、应变数据和步骤(2)获得的奥氏体晶粒尺寸，采用公式组(b)建立300M钢等温变形时的粘弹塑性本构模型；
Figure FDA0003359033320000013
式中，ρ为位错密度，单位为cm-2；d为奥氏体晶粒尺寸，单位为μm；r为各向同性硬化/软化变量，单位为MPa；εT为总应变；εp为塑性应变；
Figure FDA0003359033320000014
为塑性应变速率，单位为s-1；ɑ1、ɑ2、β0、β1、β2、γ0、γ1、γ2、γ3、A、u、K、q和B为材料参数；k0为初始弹性极限，单位为MPa；n0为应变速率敏感性指数m的倒数；E为杨氏模量，单位为GPa；
Figure FDA0003359033320000015
为位错密度变化率，单位为cm-2·s-1；
Figure FDA0003359033320000021
为晶粒尺寸变化率，单位为μm·s-1；
(5)根据步骤(4)构建的粘弹塑性本构模型、应变速率敏感性指数和步骤(2)获得的奥氏体晶粒尺寸，采用能量耗散率η公式(c)和塑性流动失稳参数ξ公式(d)，计算不同变形温度、应变速率和应变条件下的η值和ξ值；
Figure FDA0003359033320000022
Figure FDA0003359033320000023
式中，d为奥氏体晶粒尺寸，单位为μm；r为各向同性硬化/软化变量，单位为MPa；
Figure FDA0003359033320000024
为塑性应变速率，单位为s-1；A、u和k材料参数；k0为初始弹性极限，单位为MPa；n0为应变速率敏感性指数m的倒数；
(6)根据步骤(5)获得的能量耗散率η值和塑性流动失稳参数ξ值作为变形温度和应变速率的函数分别绘制能量耗散率曲线图和塑性流动失稳参数曲线图；
(7)将步骤(6)获得的两个曲线图进行叠加，构建出300M钢热加工图，在热加工图，ξ>0的非失稳区域对应的参数即为优化的300M钢锻造工艺参数；
(8)根据优化后的工艺参数对300M钢进行锻造，检测锻造后的微观组织是否满足要求。
2.根据权利要求1所述的基于失稳分析的300M钢锻造工艺参数优化方法，其特征在于：所述步骤(1)对300M钢进行热模拟压缩试验，压缩前保温5min，得到300M钢的流动应力和应变数据。
3.根据权利要求1所述的基于失稳分析的300M钢锻造工艺参数优化方法，其特征在于，所述步骤(2)具体操作为：300M钢热模拟压缩试验后，在加热温度为560℃和保温4h进行回火热处理，处理结束后测量其奥氏体晶粒尺寸。
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