喷射成形CPM9V高速钢热加工行为及有限元预测

发布时间：2017-09-15 22:22

  本文关键词：喷射成形CPM9V高速钢热加工行为及有限元预测

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【摘要】：喷射成形技术(Spray forming)制备的高速钢,不仅消除了宏观偏析和粗大晶粒,使材料具备优越的力学性能,而且相比于传统粉末冶金的方法,生产工序减少,生产成本降低。采用喷射成形法制备的CPM9 V高速钢坯体,不可避免地产生了一些孔隙,为了提高致密度,进一步改善碳化物尺寸和分布,需要后续进行热加工如锻造或轧制等工艺来优化材料组织及性能。有限元(FEM)数值模拟方法能大大减少实验量和提高工作效率,从而降低研究成本。根据Gleeble轴对称等温压缩实验得到应力应变曲线数据,建立准确的流变应力本构模型对提高有限元数值模拟精确度尤为重要。本文借助Gleeble热物理模拟以及Deform有限元模拟,结合组织分析,系统的研究了喷射成形CPM9V高速钢的热加工性能并制定了最优的锻造工艺参数。主要研究内容如下：(1)通过Gleeble由对称等温热压缩实验,获得了不同应变速率和温度下喷射成形CPM9V高速钢的流变应力曲线。基于Arrhenius双曲正弦模型,建立了喷射成形CPM9V高速钢的本构模型,提出了一种修正本构模型中材料常数的方法。考虑到应变量对流变过程影响,运用6次多项式将应变量耦合入本构模型,材料常数α、n、Q和1nA的拟合相关系数分别为0.980、0.997、0.995、0.986。流变应力预测值与实验值的相关系数为R=0.9976,平均绝对相对误差AARE仅为3.157%,表明建立的本构模型能准确预测喷射成形CPM9V高速钢在热压缩过程中的高温流变行为。(2)将建立的本构模型嵌入Deform-3D有限元模拟软件,对轴对称等温热压缩过程进行了模拟。将模拟得出的热压缩后试样的变形量和尺寸以及载荷位移曲线与实际热压缩实验的实测值进行对比,结果显示模拟值与实测值吻合较好,验证了基于Deform-3D有限元模拟的准确性和可行性。对试样截面上不同区域进行点追踪,对比了热压缩试样截面上不同典型区域的等效应力和等效应变随变形过程的变化。处于死区、大变形区和自由变形区的P1、P2和P3点,等效应力值P2P3P1,等效应变P2P3P1。由于上下端面约束和摩擦力的存在,造成了热压缩过程中变形不均匀,从而表现出三种典型的区域。结合金相组织分析,表明大变形区是最易优先发生动态再结晶的区域,而死区基本维持原喷射成形态组织形貌,自由变形区动态再结晶驱动力低于大变形区。(3)通过Deform-3D模拟给出了不同热加工条件下试样的等效应力和等效应变分布云图和等值线图,其等效应力和等效应变分布都呈典型的“X”形,即接近上下表面处和两侧等效应力值较低,越接近中间部位等效应力值和等效应变越大。温度越高、应变速率越低,变形越均匀,中间大变形区的范围有所扩大。所以,研究不同热压缩实验参数对材料组织性能的影响应主要以大变形区的组织为参考,这样有利于排除因不均匀变形对材料组织变化的判断造成的干扰。(4)根据动态材料模型DMM理论,建立了喷射成形CPM9V高速钢从真应变0.2到0.9下所对应的热加工图。喷射成形CPM9V高速钢在不同应变量的情况下功率耗散效率峰值区为高温低应变速率区(1120-1180℃、0.01-0.1s-1),而失稳区为高温和低温下的高应变速率区(1120-1150℃、1-10 s-1和970-1030℃、1-10 s-1)。(5)结合热加工图不同区域组织观察结果,耗散效率峰区A内为细小均匀的完全再结晶等轴晶组织。失稳区B区和失稳区C中对应的热加工实验参数下的材料除局部区域发生不完全再结晶的纤维状晶粒组织外,出现了明显的失稳特征,如：集中变形区、绝热剪切以及应力集中造成的基体材料剥落等现象。其他安全区内靠近峰区A的热压缩实验参数下也出现了完全再结晶组织,但耗散效率值较低的其他实验参数下都不同程度出现了失稳特征组织。所以本文拟定的最优的锻造工艺参数为：1150-1180℃、0.01-0.1s-1。
【关键词】：喷射成形 高速钢 热物理模拟 Deform有限元模拟 热加工图
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TF124.39;TG316
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-13
• 第1章 绪论13-27
• 1.1 高速钢简介13-17
• 1.1.1 高速钢分类13-14
• 1.1.2 粉末冶金高速钢14-16
• 1.1.3 粉末高速钢CPM9V简介16-17
• 1.2 喷射成形技术简介17-22
• 1.2.1 喷射成形原理18-20
• 1.2.2 喷射成形技术的特点20
• 1.2.3 喷射成形高速钢的应用及进展20-22
• 1.3 热加工理论简介22-25
• 1.3.1 物理模拟技术22-23
• 1.3.2 金属材料热变形23-24
• 1.3.3 Deform有限元模拟24-25
• 1.4 本文研究背景意义及内容25-27
• 1.4.1 本文研究背景及意义25
• 1.4.2 研究内容25-27
• 第2章 材料制备及实验方法27-33
• 2.1 喷射成形CPM9V高速钢坯体制备27-29
• 2.2 实验方法29-33
• 2.2.1 轴对称等温热压缩实验29-30
• 2.2.2 本构方程建立30
• 2.2.3 Deform有限元模拟30-31
• 2.2.4 热加工图绘制31
• 2.2.5 组织观察和分析31
• 2.2.6 晶粒度测量31-32
• 2.2.7 硬度测试32-33
• 第3章 喷射成形CPM9V高速钢本构方程的建立33-46
• 3.1 引言33
• 3.2 喷射成形CPM9V高速钢热压缩流变曲线33-35
• 3.3 本构方程的建立及修正35-39
• 3.3.1 本构方程的建立35-38
• 3.3.2 材料常数的修正38-39
• 3.4 应变量耦合39-43
• 3.5 本构模型的验证43-45
• 3.6 本章小节45-46
• 第4章 热压缩过程有限元模拟46-58
• 4.1 引言46
• 4.2 Deform对热压缩过程的模拟46-48
• 4.3 模拟结果分析48-56
• 4.3.2 载荷位移曲线49-50
• 4.3.3 热压缩试样截面不同区域分析50-54
• 4.3.4 等效应力和等效应变分布54-56
• 4.4 本章小结56-58
• 第5章 喷射成形CPM9V高速钢热加工图58-80
• 5.1 引言58
• 5.2 热加工图建立58-69
• 5.2.1 功率耗散系数和耗散图的建立58-64
• 5.2.2 失稳判据和失稳图的建立64-67
• 5.2.3 热加工图建立67-69
• 5.3 轴对称等温热压缩后合金的组织特征69-79
• 5.3.1 热加工图不同区域组织验证69-77
• 5.3.2 硬度测试及分析77-79
• 5.4 本章小结79-80
• 结论80-82
• 致谢82-83
• 参考文献83-90
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果90

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