中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制损伤预测方法及模型与流程

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（severeplasticdeformation，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【cn106868398a】、【cn106868281a】和【cn106868414a】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【cn103572023b】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【cn110408869a】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【cn108580548a】、【cn108480397a】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。技术实现要素：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）118°15°4°45%218°18°5°50%318°21°6°55%421°15°5°55%521°18°6°45%621°21°4°50%724°15°6°50%824°18°4°55%924°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10.63在d范围内20.75＞d30.72＞d40.60在d范围内50.42＜d60.61在d范围内70.35＜d80.47＜d90.43＜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）118°15°4°45%218°18°5°50%318°21°6°55%421°15°5°55%521°18°6°45%621°21°4°50%724°15°6°50%824°18°4°55%924°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10.63在d范围内20.75＞d30.72＞d40.60在d范围内50.42＜d60.61在d范围内70.35＜d80.47＜d90.43＜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：3dimensionalsevereplasticdeformation，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。当前第1页12