一种20CrMnTiH钢热变形过程微观组织演化规律的预测方法
【专利说明】一种20CrMnTiΗ钢热变形过程微观组织演化规律的预测 方法 技术领域 本发明涉及计算机模拟仿真技术领域，尤其涉及一种20CrMnTiH钢热变形过程微观组 织演化规律预测的方法。 【背景技术】 金属材料热变形成形时具有屈服应力小、塑性成形性能好等特点，可降低成形力，减少 成形工步，缩短生产周期，节约设备投资，因此金属材料热成形技术在一些复杂零件中具有 重要的应用。热变形过程中由于高温和变形的耦合作用，导致材料内部微观组织发生变化， 而这些微观组织的变化反过来会影响材料的宏观变形行为和力学性能，对产品的成形质量 有着决定性的影响。 金属零件加工过程中，不仅要求保证零件外形尺寸精度高，而且要保证零件具有良好 的微观组织和力学性能。金属材料热变形过程中工艺条件对材料内部组织起着决定影响， 控制变形过程中成形工艺参数来控制内部的微观组织，可以使零件获得较好的内部组织， 从而提高零件的力学性能。 随着计算机仿真模拟技术和塑性成形理论的快速发展，在计算机上再现材料的成形过 程，观察变形过程中材料内部组织在不同阶段的变化和分布特点，预测变形过程中各种场 量的演化和分布规律，以此来优化工艺参数以获得良好质量的产品，可以降低产品生产周 期、生产成本，适应现代企业的快速反应和个性化制造的现状。然而大部分的数值模拟软件 可以进行宏观变形和温度场的模拟分析，不能直接进行宏观变形和微观组织的耦合分析， 不具备微观组织演化的模拟和预测功能。但是，许多软件提供了用户自定义子程序功能，可 以通过对软件进行二次开发来定义用户微观组织模拟分析模块，建立适用于某种材料微观 组织演化模拟计算模块并与成形过程中热力耦合分析相结合，模拟分析不同变形条件下组 织演化规律。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种20CrMnTiH钢热变形 过程微观组织演化规律的预测方法。 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种20CrMnTiH钢热变形过程微观组织 演化规律的预测方法，包括以下步骤： 1) 对20CrMnTiH钢进行加热保温和热压缩物理试验获得不同工艺条件下的包括应 力-应变曲线、奥氏体晶粒长大尺寸以及再结晶晶粒尺寸在内的实验数据； 2) 通过热压缩物理实验获得的20CrMnTiH钢不同工艺条件下的应力-应变曲线建立 20CrMnTiH钢的宏观流动应力本构模型；结合该材料的弹性参数和热性能参数等基本属 性，建立了该材料的基于DEF0RM-3D的材料库； 3) 设计预测20CrMnTiH钢热变形过程中微观组织演化规律的微观组织演化模拟模块， 利用金属材料热变形微观组织演化理论设计20CrMnTiH钢微观组织二次开发子程序的流 程图，利用步骤1)中获得的应力-应变曲线、晶粒尺寸等数据建立动态、静态和亚动态再结 晶以及奥氏体晶粒长大微观组织变化行为的数学模型，结合二者利用Fortran语言编写用 户子程序，嵌入DEF0RM-3D软件中进行二次开发，使得二次开发后的DEF0RM-3D软件实现该 材料微观组织演化规律的模拟预测； 所述微观组织演化模拟模块用于对锻件热变形过程中微观组织变化进行模拟计算，根 据计算结果判断微观组织发生的组织变化行为，具体包括以下步骤： 3. 1)当微观组织模拟模块计算开始时，判断锻件是否发生应变，若应变量大于零则开 始进入下一步计算； 3. 2)判断每一步的应变速率是否大于零，以获得此时是处于变形过程中还是处于道次 间隙或者是变形后； 3. 3)若应变速率大于零，则判断应变是否超过临界应变，若超过临界应变则判定为动 态再结晶，此时代入动态再结晶数学模型计算，反之材料晶粒尺寸不发生变化； 3. 4)若应变速率等于零，则判断应变是否超过临界应变，若超过则判定为亚动态再结 晶，此时便代入亚动态再结晶数学模型计算，否则判定为静态再结晶，此时代入静态再结晶 数学模型计算； 3. 5)根据判定结果返回各节点和单元变量； 4) 根据热加工过程中所需要输出的微观组织数据，建立用户自定义变量，通过由微观 组织演化模块子程序形成的微观组织分析模拟预测模块，可以获得该材料热锻过程中复杂 微观组织演化和分布数据，包括：变形前后热过程中奥氏体晶粒长大行为、变形过程中动态 再结晶行为、道次间隙以及热变形后的静态再结晶与亚动态再结晶行为； 5) 根据20CrMnTiH钢产品的特定形状尺寸、成形工艺，建立该产品基于Deform-3D的变 形-传热-微观组织三维有限元模型（根据特定的该材料钢产品，建立坯料和模具的三维 造型，导入Def〇rm-3D中进行装配，并设置材料类型、划分网格、设定工艺参数以及边界条 件等参数），调用微观组织演化模拟模块和该材料的基于DEF0RM-3D的材料库对该锻件热 变形过程和微观组织变化过程进行模拟计算，进行该材料热成形过程中微观组织演化规律 预测分析。利用Def〇rm-3D中的后处理分析模块，得到变形过程中锻件的包括温度场、应变 场和应力场状态变量的数据，结合后处理数据分析金属流动规律，得到该锻件的宏观热成 形机理； 针对不同的热变形工艺方案，通过后处理模块输出用户自定义微观组织变量，研究分 析特定工件在热加工过程中微观组织的演化规律，得到变形过程中的微观组织的变化行为 以及再结晶体积分数和晶粒尺寸等数据，结合数据观察和分析，得到变形过程中再结晶发 生区域的分布以及均匀化程度、再结晶晶粒尺寸的分布以及均匀化程度等微观组织演化行 为，实现该材料热成形过程中微观组织演化规律预测分析。 按上述方案，所述步骤1)中的热压缩实验为使用gleeble-3500热模拟机对20CrMnTiH钢进行加热保温实验、单道次热压缩和双道次热压缩物理试验。 按上述方案，所述工艺条件为对微观组织行为具有影响的包括温度、速度、变形程度、 初始晶粒尺寸以及保温时间。按上述方案，所述应变速率临界值为0. 001。 按上述方案，所述步骤3)中微观组织演变数学模型包括：奥氏体晶粒长大、动态再结 晶、静态再结晶和亚动态再结晶模型， (1) 奥氏体晶粒长大模型： dg5-268=d05·268+8. 21X1017t°-997606exp(-303882. 7/RT) 其中dg为奥氏体晶粒长大后的晶粒尺寸（um)，d。为初始晶粒尺寸（um)，t为保温时间 (s)，R为气体常数（8. 314X/(K*mol))，T为绝对温度（K) (2) 动态再结晶 在变形过程中，若有足够的激活能，20CrMnTiH钢可能发生动态再结晶。 建立了 20CrMnTiH钢动态再结晶动力学模型： εc=0·8εp
其中ε。为临界应变，εp为峰值应变，?为应变速率（s1)，R为气体常数（8. 314J/ (K*mol))，T为绝对温度（K) 建立了 20CrMnTiH钢动态再结晶运动学模型：
其中为动态再结晶百分数，ε为应变，ε。.5为动态再结晶发生达到50%时的应变 建立了 20CrMnTiH钢动态再结晶晶粒尺寸模型：
其中ddraiS动态再结晶晶粒尺寸（um)，d。为初始晶粒尺寸（um) (3) 静态再结晶 在道次间隙或者变形之后，若20CrMnTiH钢还未发生动态再结晶，则有可能发生静态 再结晶； 20CrMnTiH钢静态再结晶运动学模型：
其中Xsra为静态再结晶百分数，t为静态再结晶发生的时间（s)，13。.5为静态再结晶达 到50%的时间（8)，》为应变速率（81)，￡为应变，(1。为初始晶粒尺寸（11111)，1?为气体常数 (8. 314X/(K*mol))，T为绝对温度（K); 20CrMnTiH钢静态再结晶晶粒尺寸模型：
其中dsraiS静态再结晶晶粒尺寸（um); (4) 亚动态再结晶 在道次间隙或者变形之后，若20CrMnTiH钢还已经发生动态再结晶，则有可能发生亚 动态再结晶； 20CrMnTiH钢亚动态再结晶运动学模型：
其中为亚动态再结晶百分数，t为亚动态再结晶的发生时间（S)，t"。.5为亚动态再 结晶发生50%所需的时间（s) 4为应变速率（s^，d。为初始晶粒尺寸（um)，R为气体常数 (8. 314X/(K*mol))，T为绝对温度（K) 20CrMnTiH钢亚动态再结晶晶粒尺寸模型
其中dmrax为亚动态再结晶晶粒尺寸（um)。 本发明产生的有益效果是：该方法将基于Def〇rm-3D的二次开发微观组织模拟与热 变形过程模拟相结合，利用物理实验获得20CrMnTiH钢微观组织演化机制数学模型，根据 不同微观组织演化行为设计出20CrMnTiH钢微观组织二次开发子程序的流程图，结合二者 编译出该材料动态再结晶、静态再结晶、亚动态再结晶以及奥氏体晶粒长大微