27MnCr5钢成形过程组织调控行为研究

发布时间：2020-11-12 02:48

　　 相比于调质钢,非调质钢省去了淬火和高温回火工序,具有节约能源、生产成本低、生产周期短等优点,因而,在汽车零部件制造业以及机械生产制造业被广泛的应用。27MnCr5钢具有非调质加工工艺特性,同时钢中含有MnS夹杂物,不仅有改善切削性的作用,也能促进促进晶内铁素体形核。该类钢可在成形过程中通过控锻、控冷实现制件的微观结构及性能控制。论文以27MnCr5钢为对象,系统探究了其在锻造、锻后冷却过程中的微观结构演变规律,为零件热成形工艺中的微观结构调控提供理论依据。首先,深入研究了MnS夹杂物对该钢组织结构的影响,明确了带状组织形成的根本原因和解决途径;其次,系统研究了该钢的动态再结晶行为,模拟分析了该钢在热模锻过程中的再结晶特征;最后,重点考察了该钢变形后的连续冷却相变行为,获得了该钢的动态CCT曲线,明确了锻后冷却工艺条件。通过以上研究,主要得到以下结论:该非调质钢中存在明显的Cr、Mn合金元素偏析现象,这是造成成形件带状组织结构的主要原因。聚集的大尺寸条状MnS夹杂物会抑制合金元素的扩散,使带状组织更难消除;经高温均匀化退火处理后,有效地消除了钢中合金元素偏析,同时MnS夹杂物尺寸变小,且分布均匀,从而消除了大尺寸夹杂物对合金元素扩散的抑制作用;而且形成的小尺寸MnS夹杂物能促进钢中铁素体形核。最终,获得具有均匀分布的铁素体与珠光体组织结构。27MnCr5非调质钢的流变应力和动态再结晶行为强烈地受到变形温度的影响,当变形温度越高时,变形的流动应力越低,动态再结晶体积分数越高;当变形温度升高至1100℃时,晶粒粗化现象很明显,导致平均晶粒尺寸较大。基于热压缩实验结果,构建了该种合金的本构关系和动态再结晶模型;并借助Deform软件对构建的动态再结晶模型进行数值模拟,获取了传动轴热模锻过程的最佳工艺参数。初步认识了27MnCr5钢热变形后试样连续冷却条件对微观结构的影响规律,铁素体与珠光体形成温度为600-700 ~oC。当试样冷却速度冷却小于1℃/s时,试样微观组织以先共析铁素体与珠光体组织为主;当冷却速度在1-3℃/s之间时,试样微观组织以贝氏体组织为主;当冷却速度大于10℃/s时,试样微观组织基本为马氏体组织。相应地,试样硬度随着冷却速度的增加而不断增大,当试样内部组织以马氏体为主时,其硬度值保持稳定。在实验研究基础上,对该钢进行了控锻、控冷现场生产试验,热模锻温度选定950℃,锻后采用缓冷方式控制制件冷却速度。经检验,零件微观组织有明显改善,铁素体-珠光体组织更加均匀、细小,铁素体的百分含量明显增加。最终,基本完成了该钢锻造过程的组织调控目标。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG142.1
【部分图文】：

1 绪 论3图1.1 汽车上主要应用非调质钢的构件[11]Fig.1.1 The main components of non-quenched and tempered steel in automobile industry氧化物冶金技术是近年来冶金领域采用的一项特殊的先进技术，这一技术与非调质钢紧密结合，可以得到韧性更好的非调质材料[14, 15]。该项技术的原理是利用适当的工艺来控制钢中的夹杂物，如硫化物、氮化物以及氧化物的形成条件，使这些粒子均匀地分布在钢的内部。并且利用它们作为凝固时或相变时的结晶核心，以改变钢的组织和晶粒度，使钢材具有良好的韧性、强度和优良的可焊性。此外，向钢中添加适量的易切削元素硫，有利于改善齿轮钢的切削加工性能；含有 S 元素的非调质钢已经被广泛应用。27MnCr5[16]是在此基础上开发出的是一种具有非调质特性的钢。一方面通过合金元素 Mn、Cr 等实现钢的强韧化，省略了工艺复杂、污染环境、成本高、能源消耗大的调质处理过程，避免了传统的调质处理普遍存在淬火开裂、回火脆性、硬度不均等热处理缺陷；另一方面

极大地降低钢的塑性和韧性，严重的甚至可引起开裂，严重缩短材料的使用寿命。图1.2 铁素体-珠光体带状组织结构Fig.1.2 Banded microstructure of ferrite-pearlite普遍认为，合金元素，如 Mn、Cr 等的带状微观偏析是形成铁素体-珠光体带状组织根本原因[20, 21]。该微观偏析最先起源于钢液的凝固过程，钢中的合金元素呈枝晶状生长，最终导致了枝晶间和枝晶内的元素分布差异：枝晶间元素浓度较高，晶内的元素浓度低。合金元素的带状分布进而影响碳元素的扩散程度，如锰、铬等元素能降低碳元素的活度[22, 23]，在这些合金元素的作用下，钢中的碳元素会呈现出不均匀分布且不易扩散；在冷却转变时，碳元素的富集区会转变成为珠光体带。材料在轧制时，枝晶沿变形方向被拉长并逐渐与变形方向一致，最终形成了这种铁素体和珠光体交替分布的带状组织结构。早期的学者认为钢中的硫(S)元素是引起带状的根本原因[24]。S 元素与 Mn 和Fe 等元素形成(Mn, Fe)S 夹杂物颗粒

重庆大学硕士学位论文6图1.3 动态回复型与动态再结晶型曲线Fig.1.3 The curve of dynamic recrystallization and dynamic recovery流变应力作为金属热变形的基本性能之一，它受多种因素的影响[32]，如：材料的变形温度、应变速率以及原始奥氏体晶粒尺寸等。在描述金属材料热变形过程中的流变应力时，一般采用本构方程。本构关系方程是指材料塑性变形时应力和应变的关系，可以通过拉伸、压缩、剪切等实验获得这种关系[33]。从 20 世纪中期开始，国内外学者相继建立各种本构关系方程。Hollomon 等[34]就利用幂函数的形式建立了流变应力模型；但是，上述模型预测范比较围小，仅适用于加工硬化时的动态回复阶段的流变应力情况，不能有效地描述动态再结晶曲时的流变应力情况。随着研究的深入
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本文编号：2880131