基于热加工图的20CrMnTiH钢热成形性能及斜齿轮热成形模拟

发布时间：2019-08-02 20:20

【摘要】：针对齿轮材料20Cr Mn Ti H钢的热加工工艺优化的需求,建立了其基于动态材料模型(DMM)的不同应变下的热加工图,揭示了应变对其加工性能的影响规律,得到了成形过程中的安全区和失稳区,并获得了该材料最佳热加工工艺窗口。结合有限元组织模拟和微观组织观察分析,验证了热加工图的可靠性和其热变形组织模拟的准确性。基于DEFORM-3D建立了斜齿轮变形-传热-微观组织演化耦合的有限元模型,结合热加工图所获得的优化变形温度和变形速率区间,模拟分析了斜齿轮热精密成形微观变形规律。
【图文】：

图220CrMnTiH钢在不同应变条件下的热加工图(a)0.2(b)0.4(c)0.6(d)0.8(e)0.916Fig.2Hotprocessingmapsof20CrMnTiHsteelwithdifferentstrains由图2可知，不同应变下的热加工图表现了不同的特点。一方面，高η值从处于低应变0.2，，0.4和0.6的热加工图中右下角区域转变为高应变0.8和0.916中的左下角和右上角区域，即由整个中高温区域变为高应变下的低温、低速率和中温、高速率区域。另一方面，ζ＜0的失稳区域面积随着应变的增加逐渐减小到热加工图的左上角区域，即转变为低温、高速率的条件区域，表明该材料在大应变热塑性变形过程中具有较宽的加工条件区间。因此，随着应变的增加，热加工图形成了图2d和图2e中的A，B，C和D这4个特征区域。由图2e可知，阴影区域A为变形失稳区，处于低温、低应变速率区间:850～956℃，0.23～1s－1，该区域会出现绝热剪切带、局部流动、机械孪晶和裂纹等流动失稳问题，因此热加工条件应避免处于这个区域。区域B和C为具有高η值的变形条件区间，区域B的最大η值为0.43，处于中温、高应变速率工艺条件下:1040～1066℃，0.67～1s－1;区域C的最大η值为0.36，处于低温、低应变速率工艺条件下:850～906℃，0.01～0.02s－1。然而，区域D具有较低的η值，低于0.11，处于中高温、低应变速率区域。根据文献［8］，高的η值表明微观组织演化所消耗的能量比例增加，主要发生动态回复、动态再结晶等行为，且一般对应动态回复和动态再结晶的η值分别为0.2～0.3和0.35～0.45。因此，材料在高η值的变形温度和应变速率条件下具有好的热加工性能，即得到其最优工艺窗口为850～906℃，0.01～0.02s－1和1040～1066℃，0.67～1s－1。图3为20CrMnTiH钢在ε=0.916下对应热加工图中特征区域A，B，

基于热加工图的20CrMnTiH钢热成形性能及斜齿轮热成形模拟

结晶软化行为形成的均匀细化的再结晶组织，能提高材料热变形后的力学性能。图3d为急剧长大的再结晶晶粒，由于其处于高温、低应变速率的变形条件，具有足够的能量和时间来发生晶界的迁移，导致晶粒粗大，容易形成晶间开裂等缺陷，其对应热加工图中低η值的区域。图3ε=0.916下对应特征区域A，B，C和D的微观组织图(a)A:T=850℃，ε·=1s－1(b)B:T=1050℃，ε·=1s－1(c)C:T=950℃，ε·=0.01s－1(d)D:T=1050℃，ε·=0.01s－1Fig.3MicrostructuralmetallographscorrespondingtotheregionofA，B，CandDwiththestrainof0.916根据热加工图所获得的20CrMnTiH钢的热变形优化工艺窗口850～906℃，0.01～0.02s－1和1040～1066℃，0.67～1s－1，选取高η值的工艺条件作为研究对象，建立了对应工艺条件下的热压缩变形－传热－微观组织演化有限元模型，进行微观组织的模拟分析，以验证该优化工艺的可靠性。图4和图5分别为所选取的优化参数条件下的动态再结晶体积分数和动态再结晶晶粒尺寸的模拟结果分布图。由图4可知，除了图4a中镦粗试样上下端面区域未发生完全动态再结晶外，其他条件下的试样均发生了完全动态再结晶行为，完全再结晶节点百分数均达到90%以上。同时，由图5b～图5f可得到发生完全动态再结晶行为的条件下的平均动态再结晶晶粒尺寸模拟值分别为21.8，26.2，24.4，21.9和26.0μm，这是因为高η值下的动态再结晶行为改善了材料的内部组织，得到了均匀细化的再结晶晶粒。根据热压缩实验组织分析可知，对应图4c和图4e条件下的平均动态再结晶晶粒尺寸实验值分别为24.34和22μm，对比可知其误差值分别为7.64%和0.45%，可知二者具有较高的一致性。因此，结合热压缩试样组织和有限元组织模拟结
【作者单位】：武汉理工大学材料科学与工程学院;现代汽车零部件技术湖北省重点实验室;
【基金】：国家自然科学基金资助项目(51475344) 湖北省自然科学基金资助项目(2014CFB855)
【分类号】：TG142.1

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