一種20CrMnTiH鋼熱變形過程微觀組織演化規(guī)律的預(yù)測方法
【專利說明】一種20CrMnTiΗ鋼熱變形過程微觀組織演化規(guī)律的預(yù)測 方法 技術(shù)領(lǐng)域 本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種20CrMnTiH鋼熱變形過程微觀組 織演化規(guī)律預(yù)測的方法。 【背景技術(shù)】 金屬材料熱變形成形時(shí)具有屈服應(yīng)力小、塑性成形性能好等特點(diǎn)，可降低成形力，減少 成形工步，縮短生產(chǎn)周期，節(jié)約設(shè)備投資，因此金屬材料熱成形技術(shù)在一些復(fù)雜零件中具有 重要的應(yīng)用。熱變形過程中由于高溫和變形的耦合作用，導(dǎo)致材料內(nèi)部微觀組織發(fā)生變化， 而這些微觀組織的變化反過來會影響材料的宏觀變形行為和力學(xué)性能，對產(chǎn)品的成形質(zhì)量 有著決定性的影響。 金屬零件加工過程中，不僅要求保證零件外形尺寸精度高，而且要保證零件具有良好 的微觀組織和力學(xué)性能。金屬材料熱變形過程中工藝條件對材料內(nèi)部組織起著決定影響， 控制變形過程中成形工藝參數(shù)來控制內(nèi)部的微觀組織，可以使零件獲得較好的內(nèi)部組織， 從而提高零件的力學(xué)性能。 隨著計(jì)算機(jī)仿真模擬技術(shù)和塑性成形理論的快速發(fā)展，在計(jì)算機(jī)上再現(xiàn)材料的成形過 程，觀察變形過程中材料內(nèi)部組織在不同階段的變化和分布特點(diǎn)，預(yù)測變形過程中各種場 量的演化和分布規(guī)律，以此來優(yōu)化工藝參數(shù)以獲得良好質(zhì)量的產(chǎn)品，可以降低產(chǎn)品生產(chǎn)周 期、生產(chǎn)成本，適應(yīng)現(xiàn)代企業(yè)的快速反應(yīng)和個(gè)性化制造的現(xiàn)狀。然而大部分的數(shù)值模擬軟件 可以進(jìn)行宏觀變形和溫度場的模擬分析，不能直接進(jìn)行宏觀變形和微觀組織的耦合分析， 不具備微觀組織演化的模擬和預(yù)測功能。但是，許多軟件提供了用戶自定義子程序功能，可 以通過對軟件進(jìn)行二次開發(fā)來定義用戶微觀組織模擬分析模塊，建立適用于某種材料微觀 組織演化模擬計(jì)算模塊并與成形過程中熱力耦合分析相結(jié)合，模擬分析不同變形條件下組 織演化規(guī)律。
【發(fā)明內(nèi)容】
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，提供一種20CrMnTiH鋼熱變形 過程微觀組織演化規(guī)律的預(yù)測方法。 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種20CrMnTiH鋼熱變形過程微觀組織 演化規(guī)律的預(yù)測方法，包括以下步驟： 1) 對20CrMnTiH鋼進(jìn)行加熱保溫和熱壓縮物理試驗(yàn)獲得不同工藝條件下的包括應(yīng) 力-應(yīng)變曲線、奧氏體晶粒長大尺寸以及再結(jié)晶晶粒尺寸在內(nèi)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)； 2) 通過熱壓縮物理實(shí)驗(yàn)獲得的20CrMnTiH鋼不同工藝條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線建立 20CrMnTiH鋼的宏觀流動應(yīng)力本構(gòu)模型；結(jié)合該材料的彈性參數(shù)和熱性能參數(shù)等基本屬 性，建立了該材料的基于DEF0RM-3D的材料庫； 3) 設(shè)計(jì)預(yù)測20CrMnTiH鋼熱變形過程中微觀組織演化規(guī)律的微觀組織演化模擬模塊， 利用金屬材料熱變形微觀組織演化理論設(shè)計(jì)20CrMnTiH鋼微觀組織二次開發(fā)子程序的流 程圖，利用步驟1)中獲得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、晶粒尺寸等數(shù)據(jù)建立動態(tài)、靜態(tài)和亞動態(tài)再結(jié) 晶以及奧氏體晶粒長大微觀組織變化行為的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合二者利用Fortran語言編寫用 戶子程序，嵌入DEF0RM-3D軟件中進(jìn)行二次開發(fā)，使得二次開發(fā)后的DEF0RM-3D軟件實(shí)現(xiàn)該 材料微觀組織演化規(guī)律的模擬預(yù)測； 所述微觀組織演化模擬模塊用于對鍛件熱變形過程中微觀組織變化進(jìn)行模擬計(jì)算，根 據(jù)計(jì)算結(jié)果判斷微觀組織發(fā)生的組織變化行為，具體包括以下步驟： 3. 1)當(dāng)微觀組織模擬模塊計(jì)算開始時(shí)，判斷鍛件是否發(fā)生應(yīng)變，若應(yīng)變量大于零則開 始進(jìn)入下一步計(jì)算； 3. 2)判斷每一步的應(yīng)變速率是否大于零，以獲得此時(shí)是處于變形過程中還是處于道次 間隙或者是變形后； 3. 3)若應(yīng)變速率大于零，則判斷應(yīng)變是否超過臨界應(yīng)變，若超過臨界應(yīng)變則判定為動 態(tài)再結(jié)晶，此時(shí)代入動態(tài)再結(jié)晶數(shù)學(xué)模型計(jì)算，反之材料晶粒尺寸不發(fā)生變化； 3. 4)若應(yīng)變速率等于零，則判斷應(yīng)變是否超過臨界應(yīng)變，若超過則判定為亞動態(tài)再結(jié) 晶，此時(shí)便代入亞動態(tài)再結(jié)晶數(shù)學(xué)模型計(jì)算，否則判定為靜態(tài)再結(jié)晶，此時(shí)代入靜態(tài)再結(jié)晶 數(shù)學(xué)模型計(jì)算； 3. 5)根據(jù)判定結(jié)果返回各節(jié)點(diǎn)和單元變量； 4) 根據(jù)熱加工過程中所需要輸出的微觀組織數(shù)據(jù)，建立用戶自定義變量，通過由微觀 組織演化模塊子程序形成的微觀組織分析模擬預(yù)測模塊，可以獲得該材料熱鍛過程中復(fù)雜 微觀組織演化和分布數(shù)據(jù)，包括：變形前后熱過程中奧氏體晶粒長大行為、變形過程中動態(tài) 再結(jié)晶行為、道次間隙以及熱變形后的靜態(tài)再結(jié)晶與亞動態(tài)再結(jié)晶行為； 5) 根據(jù)20CrMnTiH鋼產(chǎn)品的特定形狀尺寸、成形工藝，建立該產(chǎn)品基于Deform-3D的變 形-傳熱-微觀組織三維有限元模型（根據(jù)特定的該材料鋼產(chǎn)品，建立坯料和模具的三維 造型，導(dǎo)入Def〇rm-3D中進(jìn)行裝配，并設(shè)置材料類型、劃分網(wǎng)格、設(shè)定工藝參數(shù)以及邊界條 件等參數(shù)），調(diào)用微觀組織演化模擬模塊和該材料的基于DEF0RM-3D的材料庫對該鍛件熱 變形過程和微觀組織變化過程進(jìn)行模擬計(jì)算，進(jìn)行該材料熱成形過程中微觀組織演化規(guī)律 預(yù)測分析。利用Def〇rm-3D中的后處理分析模塊，得到變形過程中鍛件的包括溫度場、應(yīng)變 場和應(yīng)力場狀態(tài)變量的數(shù)據(jù)，結(jié)合后處理數(shù)據(jù)分析金屬流動規(guī)律，得到該鍛件的宏觀熱成 形機(jī)理； 針對不同的熱變形工藝方案，通過后處理模塊輸出用戶自定義微觀組織變量，研究分 析特定工件在熱加工過程中微觀組織的演化規(guī)律，得到變形過程中的微觀組織的變化行為 以及再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)和晶粒尺寸等數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)據(jù)觀察和分析，得到變形過程中再結(jié)晶發(fā) 生區(qū)域的分布以及均勻化程度、再結(jié)晶晶粒尺寸的分布以及均勻化程度等微觀組織演化行 為，實(shí)現(xiàn)該材料熱成形過程中微觀組織演化規(guī)律預(yù)測分析。 按上述方案，所述步驟1)中的熱壓縮實(shí)驗(yàn)為使用gleeble-3500熱模擬機(jī)對20CrMnTiH鋼進(jìn)行加熱保溫實(shí)驗(yàn)、單道次熱壓縮和雙道次熱壓縮物理試驗(yàn)。 按上述方案，所述工藝條件為對微觀組織行為具有影響的包括溫度、速度、變形程度、 初始晶粒尺寸以及保溫時(shí)間。按上述方案，所述應(yīng)變速率臨界值為0. 001。 按上述方案，所述步驟3)中微觀組織演變數(shù)學(xué)模型包括：奧氏體晶粒長大、動態(tài)再結(jié) 晶、靜態(tài)再結(jié)晶和亞動態(tài)再結(jié)晶模型， (1) 奧氏體晶粒長大模型： dg5-268=d05·268+8. 21X1017t°-997606exp(-303882. 7/RT) 其中dg為奧氏體晶粒長大后的晶粒尺寸（um)，d。為初始晶粒尺寸（um)，t為保溫時(shí)間 (s)，R為氣體常數(shù)（8. 314X/(K*mol))，T為絕對溫度（K) (2) 動態(tài)再結(jié)晶 在變形過程中，若有足夠的激活能，20CrMnTiH鋼可能發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。 建立了 20CrMnTiH鋼動態(tài)再結(jié)晶動力學(xué)模型： εc=0·8εp
其中ε。為臨界應(yīng)變，εp為峰值應(yīng)變，?為應(yīng)變速率（s1)，R為氣體常數(shù)（8. 314J/ (K*mol))，T為絕對溫度（K) 建立了 20CrMnTiH鋼動態(tài)再結(jié)晶運(yùn)動學(xué)模型：
其中為動態(tài)再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)，ε為應(yīng)變，ε。.5為動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生達(dá)到50%時(shí)的應(yīng)變 建立了 20CrMnTiH鋼動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸模型：
其中ddraiS動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸（um)，d。為初始晶粒尺寸（um) (3) 靜態(tài)再結(jié)晶 在道次間隙或者變形之后，若20CrMnTiH鋼還未發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，則有可能發(fā)生靜態(tài) 再結(jié)晶； 20CrMnTiH鋼靜態(tài)再結(jié)晶運(yùn)動學(xué)模型：
其中Xsra為靜態(tài)再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)，t為靜態(tài)再結(jié)晶發(fā)生的時(shí)間（s)，13。.5為靜態(tài)再結(jié)晶達(dá) 到50%的時(shí)間（8)，》為應(yīng)變速率（81)，￡為應(yīng)變，(1。為初始晶粒尺寸（11111)，1?為氣體常數(shù) (8. 314X/(K*mol))，T為絕對溫度（K); 20CrMnTiH鋼靜態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸模型：
其中dsraiS靜態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸（um); (4) 亞動態(tài)再結(jié)晶 在道次間隙或者變形之后，若20CrMnTiH鋼還已經(jīng)發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，則有可能發(fā)生亞 動態(tài)再結(jié)晶； 20CrMnTiH鋼亞動態(tài)再結(jié)晶運(yùn)動學(xué)模型：
其中為亞動態(tài)再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)，t為亞動態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生時(shí)間（S)，t"。.5為亞動態(tài)再 結(jié)晶發(fā)生50%所需的時(shí)間（s) 4為應(yīng)變速率（s^，d。為初始晶粒尺寸（um)，R為氣體常數(shù) (8. 314X/(K*mol))，T為絕對溫度（K) 20CrMnTiH鋼亞動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸模型
其中dmrax為亞動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸（um)。 本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：該方法將基于Def〇rm-3D的二次開發(fā)微觀組織模擬與熱 變形過程模擬相結(jié)合，利用物理實(shí)驗(yàn)獲得20CrMnTiH鋼微觀組織演化機(jī)制數(shù)學(xué)模型，根據(jù) 不同微觀組織演化行為設(shè)計(jì)出20CrMnTiH鋼微觀組織二次開發(fā)子程序的流程圖，結(jié)合二者 編譯出該材料動態(tài)再結(jié)晶、靜態(tài)再結(jié)晶、亞動態(tài)再結(jié)晶以及奧氏體晶粒長大微