CN113362909B - 用于评价合金钢锻件中晶粒组织均匀性的方法 - Google Patents

用于评价合金钢锻件中晶粒组织均匀性的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于评价合金钢锻件中晶粒组织均匀性的方法，具体实施步骤为：首先，在热模拟试验机上对合金钢锻件进行热压缩试验；根据获得的流变应力曲线，建立合金钢锻件的本构模型；根据获得的压缩后试样，进行合金钢锻件的金相试验，并建立合金钢锻件的动态再结晶相关模型；然后，将获得的合金钢锻件成形后动态再结晶体积分数分布分为完全再结晶区和未完全再结晶区，并建立完全再结晶区晶粒组织均匀性评价函数M和未完全再结晶晶粒组织均匀性评价函数K；最后根据M值或者K值的大小分别判断晶粒组织均匀性的好坏，其中函数值越小，代表晶粒组织均匀性越好，反之，则越差。本发明为制定、优化和定量评价合金钢成形工艺提供了参考依据。

Description

用于评价合金钢锻件中晶粒组织均匀性的方法
技术领域
本发明涉及锻件晶粒组织均匀性评价领域，特别涉及一种用于评价合金钢锻件中晶粒组织均匀性的方法。
背景技术
随着社会的蓬勃发展和科技的进步创新，新型合金钢由于其卓越的性能，如高强度、极限拉伸强度、耐高温和良好的可成型性和可焊性，已经成为许多工业应用的最优选择，被世界各国广泛应用于汽车、高层建筑、汽车、工程机械、石油和天然气等制造领域。故市面上许多产品可由合金钢锻件制作而成。
合金钢锻件综合性能与材料内部微观晶粒组织间有着紧密联系，其中晶粒组织均匀程度是重要的评价指标，均匀细小等轴晶粒的材料具有较高的强韧性。合金钢锻件在热加工过程中常常因为锻造成形工艺难度较大等问题，使得其生产制造阶段极可能出现混晶、粗晶等各种不同的组织结构缺陷，进而影响其成形质量。为了获得组织性能优异的锻件，则需要不断地调整和改进热变形工艺参数。因此，较为合理的锻件晶粒组织均匀性评价方法，对制定、优化、定量评价合金钢锻件成形工艺具有非常重要的工程意义。
发明内容
针对合金钢锻件晶粒组织不均匀的问题，本发明提供一种用于评价合金钢锻件中晶粒组织均匀性的方法，实现对合金钢锻件整体及局部晶粒组织均匀性做出较为合理的定量评价，从而为制定、优化、定量评价合金钢锻件成形工艺提供参考依据。
本发明提供了一种用于评价合金钢锻件中晶粒组织均匀性的方法，具体实施步骤为：
S1、在热模拟试验机上对合金钢锻件进行热压缩试验，分别获得合金钢锻件在不同变形条件下的流变应力曲线和压缩后试样；
S2、根据步骤S1获得的流变应力曲线，建立合金钢锻件的本构模型，其具体表达式为：
Figure GDA0003618679410000021
式中，σp为峰值应力，
Figure GDA0003618679410000022
为应变速率，Q为热变形激活能，R为摩尔气体常数，取8.314J·(mol·K)-1，T为热力学温度，α为应力水平参数，A和n1分别表示材料常数；
S3、根据步骤S1获得的压缩后试样，通过线切割加工将压缩后试样沿中心面切开，进行合金钢锻件的金相试验；
S4、利用回归分析分别对步骤S1的热压缩试验和步骤S3的金相试验的试验结果进行分析，并建立合金钢锻件的动态再结晶相关模型；
S41、根据影响微观晶粒组织的变形温度、应变速率和应变量因素，建立合金钢热变形晶粒演化模型；
S42、根据步骤S3获得的金相试样统计出的合金钢的晶粒尺寸数据，建立晶粒尺寸模型；
S5、分别根据步骤S2中合金钢锻件的本构模型和步骤S4中合金钢锻件的动态再结晶相关模型，搭建合金钢锻件的晶粒演化预测平台。
S6、采用模锻或者自由锻锻造方法对合金钢锻件进行挤压成形，得到合金钢锻件成形后动态再结晶体积分数分布；
S7、将步骤S6获得的合金钢锻件成形后动态再结晶体积分数分布分为完全再结晶区和未完全再结晶区；
S8、在步骤S7得到的完全再结晶区中选取适当节点，统计所选取节点的不同动态再结晶晶粒尺寸，并转换成相应的晶粒度等级；
S9、在步骤S7得到的未完全再结晶区中选取适当节点，统计选取节点的不同动态再结晶晶粒尺寸和残余原始晶晶粒尺寸，并转换成相应的晶粒度等级；
S10、针对步骤S7中的完全再结晶区，建立晶粒组织均匀性评价函数M，其具体表达式如下：
Figure GDA0003618679410000023
式中，Gavg为平均晶粒度等级；m为用于计算的晶粒度等级个数；Gi为第i个晶粒度等级；Pi为第i个晶粒度等级中包含的晶粒个数；P为所有晶粒度等级中包含的晶粒总数；
S11、针对步骤S7中的未完全再结晶区，建立晶粒组织均匀性评价函数K，其具体表达式如下：
Figure GDA0003618679410000031
式中，
Figure GDA0003618679410000032
为第i个节点残余原始晶平均晶粒度等级；
Figure GDA0003618679410000033
为第i个节点动态再结晶平均晶粒度等级；n为取样节点总数；
S12、将步骤S8得到的晶粒度等级代入步骤S10的晶粒组织均匀性评价函数M中，获得完全再结晶区晶粒组织均匀性函数值M，根据M值的大小判断完全再结晶区的晶粒组织均匀性的好坏；
S13、将步骤S9得到的晶粒度等级代入步骤S11的晶粒组织均匀性评价函数K中，获得未完全再结晶区晶粒组织均匀性函数值K，根据K值的大小判断未完全再结晶区的晶粒组织均匀性的好坏；
S14、根据是否优化合金钢锻件的成形工艺，判断是否重复步骤S7至步骤S13，从而得到最佳的合金钢锻件成形工艺。
可优选的是，所述步骤S1的具体步骤为：
S101、以10℃/s的升温速度将合金钢锻件的温度从室温迅速升温到1250℃；
S102、将合金钢锻件在1250℃的恒温条件下保温120s；
S103、以10℃/s的速度，将合金钢锻件的温度从1250℃降温到变形温度；
S104、在指定的温度下，对合金钢锻件保温30s，并进行均热；
S105、按设定的应变速率使合金钢锻件在指定的变形温度下发生变形，合金钢锻件的压缩量为60％；
S106、合金钢锻件在变形结束后迅速淬火，获得合金钢锻件高温变形后的微观组织。
可优选的是，所述步骤S41的具体步骤为：
S411、在不考虑初始晶粒晶粒尺寸对材料峰值应变的影响下，建立合金钢锻件的峰值应变模型，其具体表达式如下：
Figure GDA0003618679410000041
式中，εp为峰值应变，
Figure GDA0003618679410000042
为应变速率，Q1为动态再结晶激活能，R为摩尔气体常数，一般取8.314J·(mol·K)-1，T为热力学温度，α1m1分别表示材料常数；
S412、根据合金钢动态再结晶临界应变与峰值应变之间存在的相关性，建立合金钢锻件的动态再结晶临界应变模型，其具体表达式如下：
εc＝αεp
式中，εp为峰值应变，α为应力水平参数；
S413、根据步骤S1获得的流变应力曲线，建立合金钢锻件的动态再结晶动力学模型，其具体表达式如下：
Figure GDA0003618679410000043
式中，Xdrex为动态再结晶体积分数，εc为临界应变，ε0.5为表示动态再结晶体积分数刚好达到50％时的应变大小，Q3为材料发生50％动态再结晶时的激活能，R为摩尔气体常数，一般取8.314J·(mol·K)-1，βd、kd、α2和m2分别表示材料常数。
可优选的是，所述步骤S42的具体步骤为：
S421、根据合金钢的变形温度、应变速率和应变量因素，建立合金钢锻件的动态再结晶晶粒尺寸模型，其具体表达式如下：
Figure GDA0003618679410000044
式中，Ddrex为动态再结晶晶粒尺寸，T为热力学温度，α3、n3、m3分别为与材料相关的待回归系数，Q3为材料发生50％动态再结晶时的激活能；
S422、根据动态再结晶晶粒尺寸和动态再结晶体积分数来计算残余原始晶晶粒尺寸的方法，建立合金钢锻件的残余原始晶晶粒尺寸模型，其具体表达式如下：
ds＝d0(1-Xdrex)1/3
式中，ds为残余原始晶晶粒尺寸，d0为初始晶粒晶粒尺寸，Xdrex为动态再结晶体积分数；
S423、在步骤S422的基础上，根据计算热变形过程中平均晶粒尺寸的方法，建立合金钢锻件的平均晶粒尺寸模型，其具体表达式如下：
Figure GDA0003618679410000051
式中，
Figure GDA0003618679410000052
为平均晶粒尺寸，Ddrex为动态再结晶晶粒尺寸，Xdrex为动态再结晶体积分数，ds为残余原始晶晶粒尺寸。
可优选的是，在步骤S5中，所述动态再结晶相关预测模型平台，其包括峰值应变模型、动态再结晶临界应变模型、动态再结晶动力学模型、动态再结晶晶粒尺寸模型和残余原始晶晶粒尺寸模型。
可优选的是，在步骤S7中，所述合金钢锻件分区的判断依据为：动态再结晶体积分数为1的是完全再结晶区，动态再结晶体积分数为0到1之间的是未完全再结晶区。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
本发明提供的一种合金钢锻件晶粒组织均匀性评价方法，可以针对合金钢锻件不同程度的动态再结晶区域进行晶粒组织均匀性定量评价，从而可以对比不同成形工艺下的锻件晶粒组织均匀性，晶粒组织均匀性评价函数越小，则该区域晶粒组织均匀性越好，进而选择最佳成形工艺。
附图说明
图1为本发明用于评价合金钢锻件中晶粒组织均匀性的方法流程图；
图2为本发明用于评价合金钢锻件中晶粒组织均匀性的方法中商用4130合金钢三维实体模型图；
图3为本发明用于评价合金钢锻件中晶粒组织均匀性的方法中商用4130合金钢三维实体模型的剖视图；
图4为本发明用于评价合金钢锻件中晶粒组织均匀性的方法中商用4130合金钢成形后动态再结晶体积分数分布；
图5为本发明用于评价合金钢锻件中晶粒组织均匀性的方法中完全再结晶区取点位置；
图6为本发明用于评价合金钢锻件中晶粒组织均匀性的方法中未完全再结晶区取点位置；
图7为本发明用于评价合金钢锻件中晶粒组织均匀性的方法中完全再结晶区节点与晶粒度的关系曲线；
图8为本发明用于评价合金钢锻件中晶粒组织均匀性的方法中未完全再结晶区节点与晶粒度的关系曲线。
具体实施方式
为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。
本发明是这样实现的，如图1所示：
S1、在热模拟试验机上对合金钢锻件进行热压缩试验，分别获得合金钢锻件在不同变形条件下的流变应力曲线和压缩后试样。
S2、根据步骤S1获得的流变应力曲线，建立合金钢锻件的本构模型。
S3、根据步骤S1获得的压缩后试样，通过线切割加工将压缩后试样沿中心面切开，进行合金钢锻件的金相试验。
S4、利用回归分析分别对步骤S1的热压缩试验和步骤S3的金相试验的试验结果进行分析，并建立合金钢锻件的动态再结晶相关模型。
S5、分别根据步骤S2中合金钢锻件的本构模型和步骤S4中合金钢锻件的动态再结晶相关模型，搭建合金钢锻件的晶粒演化预测平台，合金钢晶粒演化预测平台需要建立合金钢锻件的本构模型和一系列动态再结晶相关预测模型；合金钢锻件的晶粒演化预测平台需要对有限元软件进行二次开发，的有限元软件为DEFORM-3D。
S6、采用模锻或者自由锻等锻造方法对合金钢锻件进行挤压成形，得到合金钢锻件成形后动态再结晶体积分数分布。
S7、将步骤S6获得的合金钢锻件成形后动态再结晶体积分数分布分为完全再结晶区和未完全再结晶区。
S8、在步骤S7得到的完全再结晶区中选取适当节点，统计所选取节点的不同动态再结晶晶粒尺寸，并转换成相应的晶粒度等级。
S9、在步骤S7得到的未完全再结晶区中选取适当节点，统计选取节点的不同动态再结晶晶粒尺寸和残余原始晶晶粒尺寸，并转换成相应的晶粒度等级。
S10、针对步骤S7中的完全再结晶区，建立晶粒组织均匀性评价函数M，其具体表达式如下：
Figure GDA0003618679410000071
式中，Gavg为平均晶粒度等级；m为用于计算的晶粒度等级个数；Gi为第i个晶粒度等级；Pi为第i个晶粒度等级中包含的晶粒个数；P为所有晶粒度等级中包含的晶粒总数。
S11、针对步骤S7中的未完全再结晶区，建立晶粒组织均匀性评价函数K，其具体表达式如下：
Figure GDA0003618679410000072
式中，
Figure GDA0003618679410000073
为第i个节点残余原始晶平均晶粒度等级；
Figure GDA0003618679410000074
为第i个节点动态再结晶平均晶粒度等级；n为取样节点总数。
S12、将步骤S8得到的晶粒度等级代入步骤S10的晶粒组织均匀性评价函数M中，获得完全再结晶区晶粒组织均匀性函数值M，根据M值的大小判断完全再结晶区的晶粒组织均匀性的好坏。
S13、将步骤S9得到的晶粒度等级代入步骤S11的晶粒组织均匀性评价函数K中，获得未完全再结晶区晶粒组织均匀性函数值K，根据K值的大小判断未完全再结晶区的晶粒组织均匀性的好坏。
S14、通过比对不同成形工艺下合金钢锻件晶粒组织均匀性的优劣，根据是否优化合金钢锻件的成形工艺，判断是否重复步骤S7至步骤S13，从而得到最佳的合金钢锻件成形工艺。
步骤S1中所利用的试验设备为Gleeble-3800，对合金钢锻件进行高温单向压缩试验，获得其不同变形条件下的流变应力曲线，具体而言，步骤S1的具体实施步骤为：
S101、以10℃/s的升温速度将合金钢锻件的温度从室温迅速升温到1250℃；
S102、将合金钢锻件在1250℃的恒温条件下保温120s，，以保证不同试样在压缩之前的初始状态相同；
S103、以10℃/s的速度，将合金钢锻件的温度从1250℃降温到变形温度；
S104、在指定的温度下，对合金钢锻件保温30s，并进行均热；
S105、按设定的应变速率使合金钢锻件在指定的变形温度下发生变形，合金钢锻件的压缩量为60％；
S106、合金钢锻件在变形结束后迅速淬火，获得合金钢锻件高温变形后的微观组织。
具体而言，步骤S4的具体实施步骤为：
S41、根据影响微观晶粒组织的变形温度、应变速率和应变量等因素，建立合金钢锻件的热变形晶粒演化模型：
S411、在不考虑初始晶粒晶粒尺寸对材料峰值应变的影响下，建立合金钢锻件的峰值应变模型，其具体表达式如下：
Figure GDA0003618679410000081
式中，εp为峰值应变，
Figure GDA0003618679410000082
为应变速率，Q1为动态再结晶激活能，R为摩尔气体常数，一般取8.314J·(mol·K)-1，T为热力学温度；α1和m1分别表示材料常数；
S412、根据合金钢动态再结晶临界应变与峰值应变之间存在的相关性，建立合金钢锻件的动态再结晶临界应变模型，其具体表达式如下：
εc＝αεp
式中，εp为峰值应变，α为应力水平参数；
S413、根据步骤S1获得的流变应力曲线，建立合金钢锻件的动态再结晶动力学模型，其具体表达式如下：
Figure GDA0003618679410000083
式中，Xdrex为动态再结晶体积分数，εc为临界应变，ε0.5为表示动态再结晶体积分数刚好达到50％时的应变大小，Q3为材料发生50％动态再结晶时的激活能，R为摩尔气体常数，一般取8.314J·(mol·K)-1，βd、kd、α2和m2分别表示材料常数。
S42、根据步骤S3获得的金相试样统计出的合金钢锻件的晶粒尺寸数据，建立晶粒尺寸模型：
S421、根据合金钢的变形温度、应变速率和应变量等因素，建立合金钢锻件的动态再结晶晶粒尺寸模型，其具体表达式如下：
Figure GDA0003618679410000091
式中，Ddrex为动态再结晶晶粒尺寸，T为热力学温度，α3、n3、m3分别为与材料相关的待回归系数，Q3为材料发生50％动态再结晶时的激活能；
S422、根据动态再结晶晶粒尺寸和动态再结晶体积分数来计算残余原始晶晶粒尺寸的方法，建立合金钢锻件的残余原始晶晶粒尺寸模型，其具体表达式如下：
ds＝d0(1-Xdrex)1/3
式中，ds为残余原始晶晶粒尺寸，d0为初始晶粒晶粒尺寸，Xdrex为动态再结晶体积分数；
S423、在步骤S422的基础上，根据计算热变形过程中平均晶粒尺寸的方法，建立合金钢锻件的平均晶粒尺寸模型，其具体表达式如下：
Figure GDA0003618679410000092
式中，
Figure GDA0003618679410000093
为平均晶粒尺寸，Ddrex为动态再结晶晶粒尺寸，Xdrex为动态再结晶体积分数，ds为残余原始晶晶粒尺寸。
在本发明的一个优选实施例中，步骤S5中，动态再结晶相关预测模型平台，其包括峰值应变模型、动态再结晶临界应变模型、动态再结晶动力学模型、动态再结晶晶粒尺寸模型和残余原始晶晶粒尺寸模型。
进一步，为了使合金钢锻件更好地分区，其判断依据为：动态再结晶体积分数为1的是完全再结晶区，动态再结晶体积分数为0到1之间的是未完全再结晶区。
具体而言，对于不同成形工艺下不同动态再结晶程度区域进行晶粒组织均匀性定量评价，需要综合考虑两个晶粒组织均匀性函数的值，其中两个函数值均最小的为合金钢最佳成形工艺，成形工艺为不同条件下的锻造成形。
以下结合实施例对本发明一种用于评价合金钢锻件中晶粒组织均匀性的方法做进一步描述：
本实施中使用的为商用4130合金钢，该材料化学成分主要如下表1所示。
表1试验用商用4130合金钢的化学成分 (wt％)
Figure GDA0003618679410000101
具体实施步骤如下：
S1、在Gleeble-3800热模拟试验机上对商用4130合金钢进行热压缩试验，分别获得商用4130合金钢在变形温度850～1250℃、应变速率0.01～5s-1和应变量为0.6等变形条件下的流变应力曲线和压缩后试样：
S101、以10℃/s的升温速度将商用4130合金钢的温度从室温迅速升温到1250℃；
S102、将商用4130合金钢在1250℃的恒温条件下保温120s，以保证不同商用4130合金钢试样在压缩之前的初始状态相同；
S103、以10℃/s的速度，将商用4130合金钢的温度从1250℃降温到变形温度；
S104、在指定的温度下，对商用4130合金钢保温30s，并进行均热；
S105、按设定的应变速率使商用4130合金钢在指定的变形温度下发生变形，商用4130的压缩量为60％；
S106、商用4130合金钢在变形结束后迅速淬火，获得商用4130合金钢高温变形后的微观组织。
S2、根据步骤S1获得的流变应力曲线，建立商用4130合金钢的本构模型，其具体表达式如下：
Figure GDA0003618679410000102
式中，σp为峰值应力，
Figure GDA0003618679410000103
为应变速率，R为摩尔气体常数，取8.314J·(mol·K)-1，T为热力学温度。
S3、根据步骤S1获得的压缩后试样，通过线切割加工将压缩后试样沿中心面切开，进行商用4130合金钢的金相试验。
S4、利用回归分析分别对步骤S1的热压缩试验和步骤S3的金相试验的试验结果进行分析，并建立商用4130合金钢的动态再结晶相关模型：
S41、根据影响微观晶粒组织的变形温度、应变速率和应变量等因素，建立商用4130合金钢热变形晶粒演化模型：
S411、在不考虑初始晶粒晶粒尺寸对材料峰值应变的影响下，建立商用4130合金钢的峰值应变模型，其具体表达式如下：
Figure GDA0003618679410000111
式中，
Figure GDA0003618679410000112
为应变速率，R为摩尔气体常数，一般取8.314J·(mol·K)-1，T为热力学温度；
S412、根据商用4130合金钢动态再结晶临界应变与峰值应变之间存在的相关性，建立商用4130合金钢动态再结晶临界应变模型，其具体表达式如下：
εc＝0.59εp
式中，εp为峰值应变；
S413、根据步骤S1获得的流变应力曲线，建立商用4130合金钢的动态再结晶动力学模型，其具体表达式如下：
Figure GDA0003618679410000113
式中，Xdrex为动态再结晶体积分数，εc为临界应变，ε0.5为表示动态再结晶体积分数刚好达到50％时的应变大小，R为摩尔气体常数，一般取8.314J·(mol·K)-1，βd、kd、α2和m2分别表示材料常数。
S42、根据步骤S3获得的金相试样统计出的商用4130合金钢的晶粒尺寸数据，建立晶粒尺寸模型：
S421、根据商用4130合金钢的变形温度、应变速率和应变量等因素，建立商用4130合金钢的动态再结晶晶粒尺寸模型，其具体表达式如下：
Figure GDA0003618679410000114
式中，Ddrex为动态再结晶晶粒尺寸，R为摩尔气体常数，一般取8.314J·(mol·K)-1，T为热力学温度，α3、n3、m3分别为与材料相关的待回归系数，Q3为材料发生50％动态再结晶时的激活能；
S422、根据动态再结晶晶粒尺寸和动态再结晶体积分数来计算残余原始晶晶粒尺寸的方法，建立商用4130合金钢的残余原始晶晶粒尺寸模型，其具体表达式如下：
ds＝d0(1-Xdrex)1/3
式中，ds为残余原始晶晶粒尺寸，d0为初始晶粒晶粒尺寸，Xdrex为动态再结晶体积分数；
S423、在步骤S422的基础上，根据计算热变形过程中平均晶粒尺寸的方法，建立商用4130合金钢的平均晶粒尺寸模型，其具体表达式如下：
Figure GDA0003618679410000121
式中，
Figure GDA0003618679410000122
为平均晶粒尺寸，Ddrex为动态再结晶晶粒尺寸，Xdrex为动态再结晶体积分数，ds为残余原始晶晶粒尺寸。
S5、将步骤S2中商用4130合金钢本构模型输入DEFORM-3D软件；并对DEFORM-3D软件进行二次开发，将步骤S4中商用4130合金钢动态再结晶相关模型嵌入用户子模型中，搭建商用4130合金钢晶粒演化预测平台。
S6、采用模锻对商用4130合金钢进行挤压成形，得到商用4130合金钢成形后动态再结晶体积分数分布，商用4130合金钢如图2所示。
S7、将步骤S6获得的商用4130合金钢成形后动态再结晶体积分数分布，如图3所示，分为完全再结晶区和未完全再结晶区，其中深灰色区域为完全再结晶区，其余均为未完全再结晶区。
S8、在步骤S7得到的完全再结晶区中选取适当节点，具体取点位置如图4所示，统计所选取节点的不同动态再结晶晶粒尺寸，并转换成相应的晶粒度等级，得到完全再结晶区节点与晶粒度的关系曲线如图7所示。
S9、在步骤S7得到的未完全再结晶区中选取适当节点，具体取点位置如图5所示，统计选取节点的不同动态再结晶晶粒尺寸和残余原始晶晶粒尺寸，并转换成相应的晶粒度等级，得到未完全再结晶区节点与晶粒度的关系曲线，如图8所示。
S10、针对步骤S7中的完全再结晶区，建立晶粒组织均匀性评价函数M，其具体表达式如下：
Figure GDA0003618679410000131
式中，Gavg为平均晶粒度等级；m为用于计算的晶粒度等级个数；Gi为第i个晶粒度等级；Pi为第i个晶粒度等级中包含的晶粒个数；P为所有晶粒度等级中包含的晶粒总数。
S11、针对步骤S7中的未完全再结晶区，建立晶粒组织均匀性评价函数K，其具体表达式如下：
Figure GDA0003618679410000132
式中，
Figure GDA0003618679410000133
为第i个节点残余原始晶平均晶粒度等级；
Figure GDA0003618679410000134
为第i个节点动态再结晶平均晶粒度等级；n为取样节点总数。
S12、将步骤S8得到的晶粒度等级代入步骤S10的晶粒组织均匀性评价函数M中，获得完全再结晶区晶粒组织均匀性函数值M＝0.15。
S13、将步骤S9得到的晶粒度等级代入步骤S11的晶粒组织均匀性评价函数K中，获得未完全再结晶区晶粒组织均匀性函数值K＝5.08。
S14、当需要优化商用4130合金钢成形工艺时，按不同工艺成形，重复步骤S7到S13，从而可以比对不同成形工艺下锻件晶粒组织均匀性优劣，进而可以得到最佳的商用4130合金钢的成形工艺。
综上，本发明提供的一种合金钢锻件晶粒组织均匀性评价方法可以为制定、优化、定量评价合金钢成形工艺提供参考依据。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种用于评价合金钢锻件中晶粒组织均匀性的方法，其特征在于，其具体实施步骤为：
S1、在热模拟试验机上对合金钢锻件进行热压缩试验，分别获得合金钢锻件在不同变形条件下的流变应力曲线和压缩后试样；
S2、根据步骤S1获得的流变应力曲线，建立合金钢锻件的本构模型，其具体表达式为：
Figure FDA0003618679400000011
式中，σp为峰值应力，
Figure FDA0003618679400000012
为应变速率，Q为热变形激活能，R为摩尔气体常数，取8.314J·(mol·K)-1，T为热力学温度，α为应力水平参数，A和n1分别表示材料常数；
S3、根据步骤S1获得的压缩后试样，通过线切割加工将压缩后试样沿中心面切开，进行合金钢锻件的金相试验；
S4、利用回归分析分别对步骤S1的热压缩试验和步骤S3的金相试验的试验结果进行分析，并建立合金钢锻件的动态再结晶相关模型；
S41、根据影响微观晶粒组织的变形温度、应变速率和应变量因素，建立合金钢热变形晶粒演化模型；
S42、根据步骤S3获得的金相试样统计出的合金钢的晶粒尺寸数据，建立晶粒尺寸模型；
S5、分别根据步骤S2中合金钢锻件的本构模型和步骤S4中合金钢锻件的动态再结晶相关模型，搭建合金钢锻件的晶粒演化预测平台；
S6、采用模锻或者自由锻锻造方法对合金钢锻件进行挤压成形，得到合金钢锻件成形后动态再结晶体积分数分布；
S7、将步骤S6获得的合金钢锻件成形后动态再结晶体积分数分布分为完全再结晶区和未完全再结晶区；
S8、在步骤S7得到的完全再结晶区中选取适当节点，统计所选取节点的不同动态再结晶晶粒尺寸，并转换成相应的晶粒度等级；
S9、在步骤S7得到的未完全再结晶区中选取适当节点，统计选取节点的不同动态再结晶晶粒尺寸和残余原始晶晶粒尺寸，并转换成相应的晶粒度等级；
S10、针对步骤S7中的完全再结晶区，建立晶粒组织均匀性评价函数M，其具体表达式如下：
Figure FDA0003618679400000021
式中，Gavg为平均晶粒度等级；m为用于计算的晶粒度等级个数；Gi为第i个晶粒度等级；Pi为第i个晶粒度等级中包含的晶粒个数；P为所有晶粒度等级中包含的晶粒总数；
S11、针对步骤S7中的未完全再结晶区，建立晶粒组织均匀性评价函数K，其具体表达式如下：
Figure FDA0003618679400000022
式中，
Figure FDA0003618679400000023
为第i个节点残余原始晶平均晶粒度等级；
Figure FDA0003618679400000024
为第i个节点动态再结晶平均晶粒度等级；n为取样节点总数；
S12、将步骤S8得到的晶粒度等级代入步骤S10的晶粒组织均匀性评价函数M中，获得完全再结晶区晶粒组织均匀性函数值M，根据M值的大小判断完全再结晶区的晶粒组织均匀性的好坏；
S13、将步骤S9得到的晶粒度等级代入步骤S11的晶粒组织均匀性评价函数K中，获得未完全再结晶区晶粒组织均匀性函数值K，根据K值的大小判断未完全再结晶区的晶粒组织均匀性的好坏；
S14、根据是否优化合金钢锻件的成形工艺，判断是否重复步骤S7至步骤S13，从而得到合金钢锻件成形工艺。
2.根据权利要求1所述的用于评价合金钢锻件中晶粒组织均匀性的方法，其特征在于，所述步骤S1的具体步骤为：
S101、以10℃/s的升温速度将合金钢锻件的温度从室温迅速升温到1250℃；
S102、将合金钢锻件在1250℃的恒温条件下保温120s；
S103、以10℃/s的速度，将合金钢锻件的温度从1250℃降温到变形温度；
S104、在指定的温度下，对合金钢锻件保温30s，并进行均热；
S105、按设定的应变速率使合金钢锻件在指定的变形温度下发生变形，合金钢锻件的压缩量为60％；
S106、合金钢锻件在变形结束后迅速淬火，获得合金钢锻件高温变形后的微观组织。
3.根据权利要求1所述的用于评价合金钢锻件中晶粒组织均匀性的方法，其特征在于，所述步骤S41的具体步骤为：
S411、在不考虑初始晶粒晶粒尺寸对材料峰值应变的影响下，建立合金钢锻件的峰值应变模型，其具体表达式如下：
Figure FDA0003618679400000031
式中，εp为峰值应变，
Figure FDA0003618679400000032
为应变速率，Q1为动态再结晶激活能，R为摩尔气体常数，一般取8.314J·(mol·K)-1，T为热力学温度，α1和m1分别表示材料常数；
S412、根据合金钢动态再结晶临界应变与峰值应变之间存在的相关性，建立合金钢锻件的动态再结晶临界应变模型，其具体表达式如下：
εc＝αεp
式中，εp为峰值应变，α为应力水平参数；
S413、根据步骤S1获得的流变应力曲线，建立合金钢锻件的动态再结晶动力学模型，其具体表达式如下：
Figure FDA0003618679400000033
式中，Xdrex为动态再结晶体积分数，εc为临界应变，ε0.5为表示动态再结晶体积分数刚好达到50％时的应变大小，Q3为材料发生50％动态再结晶时的激活能，R为摩尔气体常数，一般取8.314J·(mol·K)-1，βd、kd、α2和m2分别表示材料常数。
4.根据权利要求1所述的用于评价合金钢锻件中晶粒组织均匀性的方法，其特征在于，所述步骤S42的具体步骤为：
S421、根据合金钢的变形温度、应变速率和应变量因素，建立合金钢锻件的动态再结晶晶粒尺寸模型，其具体表达式如下：
Figure FDA0003618679400000041
式中，Ddrex为动态再结晶晶粒尺寸，T为热力学温度，α3、n3、m3分别为与材料相关的待回归系数，Q3为材料发生50％动态再结晶时的激活能；
S422、根据动态再结晶晶粒尺寸和动态再结晶体积分数来计算残余原始晶晶粒尺寸的方法，建立合金钢锻件的残余原始晶晶粒尺寸模型，其具体表达式如下：
ds＝d0(1-Xdrex)1/3
式中，ds为残余原始晶晶粒尺寸，d0为初始晶粒晶粒尺寸，Xdrex为动态再结晶体积分数；
S423、在步骤S422的基础上，根据计算热变形过程中平均晶粒尺寸的方法，建立合金钢锻件的平均晶粒尺寸模型，其具体表达式如下：
Figure FDA0003618679400000042
式中，
Figure FDA0003618679400000043
为平均晶粒尺寸，Ddrex为动态再结晶晶粒尺寸，Xdrex为动态再结晶体积分数，ds为残余原始晶晶粒尺寸。
5.根据权利要求1、3或者4所述的用于评价合金钢锻件中晶粒组织均匀性的方法，其特征在于，在步骤S5中，所述动态再结晶相关预测模型平台，其包括峰值应变模型、动态再结晶临界应变模型、动态再结晶动力学模型、动态再结晶晶粒尺寸模型和残余原始晶晶粒尺寸模型。
6.根据权利要求1所述的用于评价合金钢锻件中晶粒组织均匀性的方法，其特征在于，在步骤S7中，所述合金钢锻件分区的判断依据为：动态再结晶体积分数为1的是完全再结晶区，动态再结晶体积分数为0到1之间的是未完全再结晶区。
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