CN112163352B - 中碳钢超细晶棒材3d-spd轧制损伤预测方法及模型 - Google Patents
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Abstract
本发明中碳钢超细晶棒材3D‑SPD轧制损伤预测方法及模型涉及超细晶制备技术领域，具体涉及中碳钢超细晶棒材3D‑SPD轧制损伤预测方法及模型，基于有限元模拟软件建立中碳钢超细晶棒材3D‑SPD轧制过程中曼内斯效应的损伤模型；本发明通过有限元建立中碳钢超细晶棒材3D‑SPD轧制过程中曼内斯效应的损伤模型，并进一步得出中碳钢超细晶棒材3D‑SPD轧制过程中裂纹萌生的模型，通过将设计的送进角、辗轧角、辊面锥角、径缩率参数输入至中碳钢超细晶棒材3D‑SPD轧制模型，并设定裂纹萌生的模型，从而判断是否会萌生裂纹，更有利于对中碳钢超细晶棒材3D‑SPD的轧制。
Description
技术领域
本发明涉及超细晶制备技术领域，具体涉及中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制损伤预测方法及模型。
背景技术
近年来，超细晶/纳米晶材料由于其优异的性能受到了世界各国材料领域专家的关注。人们通过持续细化晶粒来不断提高多晶材料的强韧化水平，其中，尤其以剧烈塑性变形（Severe Plastic Deformation，简称SPD）技术的研究成果令人瞩目。目前，主流的SPD工艺包括高压扭转（HPT）、等通道转角挤（ECAP）、累积叠轧（ARB）、多向锻造（MF）和扭转挤压（TE）五种方法。不过这些SPD方法也存在明显的局限性，主要表现在：
（1）剧烈变形区的渗透性差，仅发生在工件-模具或工件-工件表层附近，没有渗透到工件芯部，即变形区穿深小或穿深能力差，远远不能满足工业级大尺寸通体超细晶材料制备的要求。
（2）现有SPD技术在变形过程中，足够大的静水压力对于抑制裂纹等变形缺陷，约束材料自由变形以强化变形累积效果都具有重要作用，从而使现有各类SPD方法的成形载荷（平均单位压力达GPa级）远远高于常规塑性变形方法（一般为MPa级），严重制约了SPD技术在大尺寸块体材料制备领域中的工程应用。
国内外对于中碳钢超细晶工艺的报道相对较少。但由于超细晶粒钢具有优良的抗疲劳性能、良好的焊接性、较高的强度以及良好的低温韧性等优点，其在加工领域的广阔应用前景是不容置疑的。
燕山大学王天生等人在专利【CN 106868398 A】、【CN 106868281 A】和【CN106868414 A】中提出了一种超细晶铁素体/低温贝氏体双相钢及其制备方法，将回火屈氏体组织的钢热轧和淬火形成超细铁素体和细晶奥氏体，细晶奥氏体再进行低温贝氏体转变制备出了仅12mm厚的板材，该方法仍处于实验室阶段，无法满足工业化需求；南京钢铁股份有限公司曾周燏、王从道等人专利【CN 103572023 B】中提出了一种低合金钢厚板/ 特厚板表层超细晶的制造方法。该方法采用多次控轧控冷,使表层奥氏体晶粒细化，快速冷却获得具有表层细晶组织的厚钢板，虽然制得了80mm厚的板材，但是其表层组织与心部组织细化效果差距明显，变形没有渗透到心部，仅在表层（1-10mm）范围为细晶。南京理工大学李玉胜等人在专利【CN 110408869 A】中提出了一种超细晶结构铜及铜合金线、棒材的制备方法。该方法首先将材料进行退火处理，获得晶粒尺寸范围为20～250μm的等轴晶组织；接着对其进行扭转挤压变形，制得了直径为10mm，长度为80mm的铜棒，所制得的铜棒不仅尺寸小，且晶粒尺寸明显呈梯度分布，边缘晶粒尺寸约为2μm，心部约为100μm，难以满足市场需求。
西北工业大学及西安建筑科技大学刘东研究团队在专利【CN 108580548 A】、【CN108480397 A】中提及了大尺寸45钢超细晶棒材的等距螺旋以及反锥螺线辊超细晶轧制方法，制备出了1-5μm的45钢大尺寸超细晶棒材。
所谓曼内斯曼效应是指当变形工具轧辊相互倾斜一定角度，咬入坯料后，坯料螺旋前进。在轧件心部，形成了两向拉一向压的应力状态，当等效应力超过断裂极限时，心部就会产生裂纹，针对目前的3D-SPD成形变形参数的确定，尚未考虑对裂纹的控制，在成形过程会出现心部断裂现象。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供有利于实现对中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中心部裂纹萌生预防的中碳钢3D-SPD成形的超细晶棒材的损伤预测方法
本发明中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制损伤预测方法，包括以下步骤：
第一步，基于有限元模拟软件建立中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中曼内斯效应的损伤模型；
损伤模型为： ；
其中，D为塑性成形中达到材料断裂时所需的塑性能;为平均应力；/>为断裂发生处的等效应变；/>为等效应力；/>为等效应变；
第二步，根据第一步得出的损伤模型，得出为温度和应变速率的函数，即，其中，/>时的损伤阈值D=0.6-0.7，由此得中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中裂纹萌生的模型为：
；
第三步，将送进角、辗轧角、辊面锥角、径缩率输入第二步得到的中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中裂纹萌生的模型中，经过有限元计算，得出不同参数组合下的损伤值，然后根据损伤值判定中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中裂纹是否萌生：当损伤值大于损伤阈值时，中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中萌生裂纹，当损伤值小于损伤阈值时，中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中不萌生裂纹，损伤值在损伤阈值范围内时，中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中萌生裂纹；
所述中碳钢超细晶棒材为大尺寸中碳钢超细晶棒材，该棒材的直径为50-100mm，该棒材长度为500mm-3000mm。
优选地，第三步中，送进角、辗轧角、辊面锥角、径缩率见表一：
表一
| 序号 | 送进角（β） | 辗轧角（γ） | 辊面锥角（α） | 径缩率（ε） |
| 1 | 18° | 15° | 4° | 45% |
| 2 | 18° | 18° | 5° | 50% |
| 3 | 18° | 21° | 6° | 55% |
| 4 | 21° | 15° | 5° | 55% |
| 5 | 21° | 18° | 6° | 45% |
| 6 | 21° | 21° | 4° | 50% |
| 7 | 24° | 15° | 6° | 50% |
| 8 | 24° | 18° | 4° | 55% |
| 9 | 24° | 21° | 5° | 45% |
得出损伤值及损伤值与损伤阈值D的关系见表二：
表二
| 序号 | 损伤值 | 与D的关系 |
| 1 | 0.63 | 在D范围内 |
| 2 | 0.75 | ＞D |
| 3 | 0.72 | ＞D |
| 4 | 0.60 | 在D范围内 |
| 5 | 0.42 | ＜D |
| 6 | 0.61 | 在D范围内 |
| 7 | 0.35 | ＜D |
| 8 | 0.47 | ＜D |
| 9 | 0.43 | ＜D |
中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制损伤预测模型，利用中碳钢3D-SPD成形的超细晶棒材的损伤预测方法得出的模型，所述模型为：
其中，D为塑性成形中达到材料断裂时所需的塑性能;为平均应力；/>为断裂发生处的等效应变；/>为等效应力；/>为等效应变；/>为温度；/>为应变速率。
本发明通过有限元建立中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中曼内斯效应的损伤模型，并进一步得出中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中裂纹萌生的模型，通过将设计的送进角、辗轧角、辊面锥角、径缩率参数输入至中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制模型，并设定裂纹萌生的模型，从而判断是否会萌生裂纹，更有利于对中碳钢超细晶棒材3D-SPD的轧制。
附图说明
图1为表一对应分组的损伤模拟结果图。
图2为实施例一的损伤模拟结果图。
图3为实施例一的试件轧制后示意图。
具体实施方式
本发明中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中损伤预测方法，包括以下步骤：
第一步，基于有限元模拟软件建立中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中曼内斯效应的损伤模型；
损伤模型为：；
其中，D为塑性成形中达到材料断裂时所需的塑性能;为平均应力；/>为断裂发生处的等效应变；/>为等效应力；/>为等效应变；
第二步，根据第一步得出的损伤模型，得出为温度和应变速率的函数，即，其中，/>时的损伤阈值D=0.6-0.7，由此得中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中裂纹萌生的模型为：
；
第三步，将送进角、辗轧角、辊面锥角、径缩率输入第二步得到的中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中裂纹萌生的模型中，经过有限元计算，得出不同参数组合下的损伤值，然后根据损伤值判定中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中裂纹是否萌生：当损伤值大于损伤阈值时，中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中萌生裂纹，当损伤值小于损伤阈值时，中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中不萌生裂纹，损伤值在损伤阈值范围内时，中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中萌生裂纹；
所述中碳钢超细晶棒材为大尺寸中碳钢超细晶棒材，该棒材的直径为50-100mm，该棒材长度为500mm-3000mm。
第三步中，送进角、辗轧角、辊面锥角、径缩率见表一：
表一
| 序号 | 送进角（β） | 辗轧角（γ） | 辊面锥角（α） | 径缩率（ε） |
| 1 | 18° | 15° | 4° | 45% |
| 2 | 18° | 18° | 5° | 50% |
| 3 | 18° | 21° | 6° | 55% |
| 4 | 21° | 15° | 5° | 55% |
| 5 | 21° | 18° | 6° | 45% |
| 6 | 21° | 21° | 4° | 50% |
| 7 | 24° | 15° | 6° | 50% |
| 8 | 24° | 18° | 4° | 55% |
| 9 | 24° | 21° | 5° | 45% |
得出损伤值及损伤值与损伤阈值D的关系见表二：
表二
| 序号 | 损伤值 | 与D的关系 |
| 1 | 0.63 | 在D范围内 |
| 2 | 0.75 | ＞D |
| 3 | 0.72 | ＞D |
| 4 | 0.60 | 在D范围内 |
| 5 | 0.42 | ＜D |
| 6 | 0.61 | 在D范围内 |
| 7 | 0.35 | ＜D |
| 8 | 0.47 | ＜D |
| 9 | 0.43 | ＜D |
中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制损伤预测模型为：
其中，D为塑性成形中达到材料断裂时所需的塑性能;为平均应力；/>为断裂发生处的等效应变；/>为等效应力；/>为等效应变；/>为温度；/>为应变速率。
在成形过程中，变形体在三维空间发生了剧烈的扭转和压缩复合塑性变形，命名该方法为三维剧烈塑性变形法，命名为三维超大塑性变形法，简称3D-SPD成形法，英文：3Dimensional Severe Plastic Deformation，简称3D-SPD。
实施例一
下面通过具体示例详细说明本发明的示例性实施例。下面的示例以预测大尺寸45钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中的损伤为例予以说明：
第一步，通过有限元模拟软件simufact建立中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中曼内斯效应的损伤模型；
损伤模型为：。
第二步，查阅文献得出45钢的损伤阈值D为0.65，得到45钢中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中裂纹萌生的模型：
并设定D＜0.65为收敛条件， 第三步，通过调整变形参数，采用表一种组合7中的参数值，即送进角24°，辗轧角 15°，辊面锥角6°，径缩率50％，对45钢中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中裂纹萌 生模型进行分析，分析结果见图2，试件轧制后示意图见图3。由以上结果可知，当 时，材料所累积的损伤未达到形成裂纹所需的塑性能，因而材料成品质量 良好。
本发明通过有限元建立中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中曼内斯效应的损伤模型，并进一步得出中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中裂纹萌生的模型，通过将设计的送进角、辗轧角、辊面锥角、径缩率参数输入至中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制模型，并设定裂纹萌生的模型，从而判断是否会萌生裂纹，更有利于对中碳钢超细晶棒材3D-SPD的轧制。
Claims (3)
1.中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制损伤预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，基于有限元模拟软件建立中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中曼内斯效应的损伤模型；
损伤模型为：；
其中，D为塑性成形中达到材料断裂时所需的塑性能;为平均应力；/>为断裂发生处的等效应变；/>为等效应力；/>为等效应变；
第二步，根据第一步得出的损伤模型，得出D为温度和应变速率的函数，即,其中，/>时的损伤阈值D=0.6-0.7，由此得中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中裂纹萌生的模型为：
；
第三步，将送进角、辗轧角、辊面锥角、径缩率输入第二步得到的中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中裂纹萌生的模型中，经过有限元计算，得出不同参数组合下的损伤值，然后根据损伤值判定中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中裂纹是否萌生：当损伤值大于损伤阈值时，中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中萌生裂纹，当损伤值小于损伤阈值时，中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中不萌生裂纹，损伤值在损伤阈值范围内时，中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中萌生裂纹；
所述中碳钢超细晶棒材为大尺寸中碳钢超细晶棒材，该棒材的直径为50-100mm，该棒材长度为500mm-3000mm。
2.如权利要求1所述中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制损伤预测方法，其特征在于，第三步中，送进角、辗轧角、辊面锥角、径缩率见表一：
表一
得出损伤值及损伤值与损伤阈值D的关系见表二：
表二
。
3.中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制损伤预测模型，其特征在于，利用如权利要求1所述中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制损伤预测方法得到的模型，所述模型为：
其中，D为塑性成形中达到材料断裂时所需的塑性能;为平均应力；/>为断裂发生处的等效应变；/>为等效应力；/>为等效应变；/>为温度；/>为应变速率。
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