专利名称：实现非调质钢热锻成形微观组织的控制方法
技术领域：
本发明涉及的是一种锻造成形技术领域的微观组织控制方法，尤其是一种基于多 物理场耦合模拟来实现非调质钢热锻成形微观组织的控制方法。
背景技术：
含V、Ti等微合金元素的中碳锰合金钢，通过锻造工艺，合金元素以C、N化合物弥 散析出，使钢达到调质后的强度水平，从而省去了后续的调质处理，简化了生产工序，可节 约能源，具有较好的经济效益和社会效益。采用非调质钢热锻工艺制造的零件，在机械产品 动力系统的零部件制造中得到广泛应用。由于非调质钢锻件无后续热处理，其综合力学性 能直接取决于锻后的微观组织，如果锻件中铁素体的含量增加，产品的韧性将提高，而强度 降低；如果锻件中珠光体的含量增加，产品的强度将提高，而韧性降低；当铁素体和珠光体 的含量达到最佳比例时，可获得较好的产品综合机械性能。因此，控制非调质钢热锻成形微 观组织中铁素体和珠光体含量的合理比例，具有重要意义。经检索发现，与非调质钢有关的专利多为描述非调质钢的成分组成、材料的制备 方法。国家发明专利CN1554781介绍了非调质钢曲轴锻造后的冷却方法，未涉及到采用什 么样的方法可控制锻造工艺达到所要求的微观组织和性能。目前机械产品动力系统关键零 部件的微观组织控制，采用的是试制的方法，即通过改变实际的工艺设计参数，然后检测制 造出的锻件的微观组织是否达到要求。如果没有达到要求，则进一步调整工艺设计参数，直 至微观组织达到规定的要求。这种方法的缺点是试制时间长，开发成本高，远不适应当前制 造业领域的开发周期和成本的控制要求。
发明内容
本发明针对目前存在的上述问题，提出了一种针对三维复杂形状锻件，利用多物 理场耦合数值模拟，实现非调质钢热锻成形微观组织的控制方法。本发明避免了实际的物 理试制，显著缩短开发时间，降低热锻工艺的开发成本。本发明是通过以下技术方案实现的本发明首先通过变形-热-组织多物理场耦合模拟，采用商业化有限元软件和二 次开发的微观组织演变计算模块，预测多工序热锻全过程中微观组织的演化规律，包括动 态再结晶百分比、晶粒尺寸以及锻件中铁素体和珠光体分布规律。然后以动态再结晶分布 均勻、避免出现局部晶粒粗化和锻件中铁素体和珠光体合理分布为目标，在计算模型中调 整热锻工艺参数，获得合理的微观组织分布，实现非调质钢热锻的“控形”与“控性”，最终获 得具有良好综合力学性能的锻件产品。本发明包括如下步骤包括下列步骤1)利用标准的、公开的热模拟压缩试验方法，确定适合于非调质钢锻件热锻成形 组织模拟的基本数学模型及模型中的所有参数，包括高温条件下的流动应力模型，稳态条件下的微观组织数学模型和非稳态条件下的微观组织数学模型；2)利用公开的连续冷却热模拟试验方法，测定非调质钢的奥氏体向铁素体和珠光 体连续冷却转变曲线，确定连续冷却后铁素体和珠光体体积分数与冷却速度的关系，建立 可描述非调质钢的奥氏体向铁素体和珠光体的相变预测模型；3)根据非调质钢锻件热锻成形组织模拟的带参数基本数学模型和调质钢的奥氏 体向铁素体和珠光体的相变预测模型，通过二次开发集成到现有的商业化有限元软件中， 形成非调质钢热锻件的热锻成形全过程的变形-热-组织演化多物理场耦合计算分析工且.
Z、 94)根据具体的非调质钢热锻件，制定其热锻工艺方案，设计各个成形工序，确定包 括始锻温度、工序间隔时间、润滑条件和锻后冷却速度在内的初始工艺条件；5)根据制定的热锻工艺方案及确定的初始工艺条件，利用已开发完成的非调质钢 热锻件的热锻成形全过程的变形-热-组织演化耦合计算分析工具，对非调质钢热锻件进 行热锻成形的全过程仿真计算，得到非调质钢热锻件的最终组织；6)根据多物理场仿真计算求得的非调质钢热锻件的最终组织，与非调质钢锻件的 目标组织作对比，从晶粒尺寸、动态再结晶分布均勻性和锻件中铁素体和珠光体的体积分 数等指标评价初始工艺条件下仿真计算的最终组织与目标组织的差异；7)根据热锻件组织的评价结果，通过迭代的方法，调整工艺条件，以获得动态再 结晶分布均勻、避免出现局部晶粒粗化和锻件中铁素体和珠光体合理分布的非调质钢热锻 件，从而使得锻件具有良好综合力学性能。本发明所述多物理场耦合模拟是变形-热-微观组织多物理场耦合模拟计算。针对形状复杂的非调质钢锻件的多工序热锻成形工艺。利用商业化软件和二次开发的计算模块，计算在整个非等温热锻过程中微观组织 的演化情况，主要是微观组织的晶粒大小和体积分数。根据多物理场耦合计算结果，通过迭代不断调整热锻工艺条件，直至获得满足要 求的微观组织晶粒大小和体积分数，而不需要进行实际的试模验证。与现有技术相比，本发明的优点是①适用对象为三维复杂非调质钢锻件的多工 序热锻成形，同样适用于简单形状的非调质钢热锻件的微观组织控制；②可计算各热锻工 序、工序间停顿间隔和锻后冷却的热锻全过程应力应变场、温度场和微观组织结构场的演 变规律；③利用所建立的模拟系统，在数值模拟时根据初始的模拟结果可以在下一次模拟 时调整工艺设计参数，整个工艺改进可以在计算机上虚拟实现，显著缩短了工艺试制时间， 避免了物理试制导致的成本。
图1为非调质钢38MnVS6 (Ti)未变形奥氏体连续冷却转变曲线；图2为非调质钢38MnVS6(Ti)连续冷却转变过程中铁素体体积分数与冷速的关 系；图3为非调质钢38MnVS6(Ti)连续冷却转变过程中珠光体体积分数与冷速的关 系；图4为非调质钢38MnVS6 (Ti)锻件连续冷却相变计算模型计算流程4
图5为非调质钢38MnVS6(Ti)活塞预锻结束时的奥氏体晶粒尺寸分布(单位 μ m)；图6为该活塞预锻结束后工序间隔某时刻的奥氏体晶粒尺寸分布(单位μ m)；图7为该活塞终锻结束时的奥氏体晶粒尺寸分布(单位μ m)；图8为该活塞终锻切边后冷却某时刻的奥氏体晶粒尺寸分布(单位μ m)；图9为该活塞终锻切边后冷却某时刻的铁素体分布百分比；图10为该活塞终锻切边后冷却某时刻的珠光体分布百分比；图11为利用所提出的方法获得的热锻工艺参数制造出热锻成形的活塞锻件；图12为该活塞锻件厚裙上端(A处)和下部(B处)晶粒尺寸计算结果(Cal.)与 实测结果(EXP.)对比。图13为该活塞锻件厚裙上端(A处)和下部(B处)铁素体体积分数计算结果 (Cal.)与实测结果(EXP.)对比。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前 提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下 述的实施例。实施例以非调质钢汽车活塞为例，材料为38MnVS6 (Ti)。(1)通过热模拟压缩试验，建立了高温条件下38MnVS6 (Ti)的流动应力数学模型， 稳态条件下的微观组织数学模型和非稳态条件下的微观组织数学模型，如表1、表2和表3 所示。
表1高温条件下38MnVS6(Ti)的流动应力数学模型 临界应变:￡c=0.S3-￡p
当￡<￡c，aWH=[as2 + (a^-as2)e-nr5
当叫,σ = σ^-(σ5-σ,5)| -εχρ -、(〒)""|
式中
Z = ￡-exp(305900/RT) ερ =0.0112 Z0125 σ0= 2.04-Z0114 Ω = 11.02-Z"00087 σ5 = 83.33. sinh-1
= 83.33. SinlT1
=2.1 nd =1.81
权利要求
一种实现非调质钢热锻成形微观组织的控制方法，其特征在于，首先通过变形 热 组织多物理场耦合模拟，采用商业化有限元软件和二次开发的微观组织演变计算分析工具，预测多工序热锻全过程中微观组织的演化规律，包括动态再结晶百分比、晶粒尺寸以及锻件中铁素体和珠光体分布规律；然后以动态再结晶分布均匀、避免出现局部晶粒粗化和锻件中铁素体和珠光体合理分布为目标，在计算模型中调整热锻工艺参数，获得合理的微观组织分布，实现非调质钢热锻的“控形”与“控性”，最终获得具有良好综合力学性能的锻件产品。
2.根据权利要求1所述的实现非调质钢热锻成形微观组织的控制方法，其特征是，包 括下列步骤1)利用标准的、公开的热模拟压缩试验方法，确定适合于非调质钢锻件热锻成形组织 模拟的基本数学模型及模型中的所有参数，稳态条件下的微观组织数学模型和非稳态条件 下的微观组织数学模型；2)利用公开的连续冷却热模拟试验方法，测定非调质钢的奥氏体向铁素体和珠光体连 续冷却转变曲线，确定连续冷却后铁素体和珠光体体积分数与冷却速度的关系，建立可描 述非调质钢的奥氏体向铁素体和珠光体的相变预测模型；3)根据非调质钢锻件热锻成形组织模拟的带参数基本数学模型和调质钢的奥氏体向 铁素体和珠光体的相变预测模型，通过二次开发集成到现有的商业化有限元软件中，形成 非调质钢热锻件的热锻成形全过程的变形-热-组织演化多物理场耦合计算分析工具；4)根据具体的非调质钢热锻件，制定其热锻工艺方案，设计各个成形工序，确定包括始 锻温度、工序间隔时间、润滑条件和锻后冷却速度在内的初始工艺条件；5)根据制定的热锻工艺方案及确定的初始工艺条件，利用已开发完成的非调质钢热锻 件的热锻成形全过程的变形-热-组织演化耦合计算分析工具，对非调质钢热锻件进行热 锻成形的全过程仿真计算，得到非调质钢热锻件的最终组织；6)根据多物理场仿真计算求得的非调质钢热锻件的最终组织，与非调质钢锻件的目标 组织作对比，从晶粒尺寸、动态再结晶分布均勻性和锻件中铁素体和珠光体的体积分数等 指标评价初始工艺条件下仿真计算的最终组织与目标组织的差异；7)根据热锻件组织的评价结果，通过迭代的方法，调整工艺条件，以获得动态再结晶分 布均勻、避免出现局部晶粒粗化和锻件中铁素体和珠光体合理分布的非调质钢热锻件，从 而使得锻件具有良好综合力学性能。
3.根据权利要求1所述的实现非调质钢热锻成形微观组织的控制方法，其特征是，所 述多物理场耦合模拟是变形-热-微观组织多物理场耦合模拟计算。
4.根据权利要求1所述的所述的实现非调质钢热锻成形微观组织的控制方法，其特征 是，针对形状复杂的非调质钢锻件的多工序热锻成形工艺。
5.根据权利要求1所述的实现非调质钢热锻成形微观组织的控制方法，其特征是，利 用商业化软件和二次开发的计算分析工具，计算在整个非等温热锻过程中微观组织的演化 情况，包括微观组织的晶粒大小和体积分数的变化。
6.根据权利要求1所述的实现非调质钢热锻成形微观组织的控制方法，其特征是，根 据多物理场耦合计算结果，通过迭代调整热锻工艺条件，直至获得满足要求的微观组织晶 粒大小和体积分数。
全文摘要
一种锻造成形技术领域的实现非调质钢热锻成形微观组织的控制方法。首先通过变形-热-组织多物理场耦合模拟，采用商业化有限元软件和二次开发的微观组织演变计算分析工具，预测多工序热锻全过程中微观组织的演化规律，包括动态再结晶百分比、晶粒尺寸以及锻件中铁素体和珠光体分布规律；然后以动态再结晶分布均匀、避免出现局部晶粒粗化和锻件中铁素体和珠光体合理分布为目标，在计算模型中调整热锻工艺参数，获得合理的微观组织分布，实现非调质钢热锻的“控形”与“控性”，最终获得具有良好综合力学性能的锻件产品。采用该方法可以避免实际的物理试制，显著缩短开发时间，降低热锻工艺的开发成本。
文档编号C21D8/00GK101974672SQ201010548439
公开日2011年2月16日 申请日期2010年11月18日 优先权日2010年11月18日
发明者刘川林, 唐全波, 曹洋, 朱世风, 李祖荣, 王进, 赵军, 赵祖德, 赵震, 陈军, 黄少东 申请人:上海交通大学;中国兵器工业第五九研究所