【摘要】：針對齒輪材料20Cr Mn Ti H鋼的熱加工工藝優(yōu)化的需求,建立了其基于動態(tài)材料模型(DMM)的不同應(yīng)變下的熱加工圖,揭示了應(yīng)變對其加工性能的影響規(guī)律,得到了成形過程中的安全區(qū)和失穩(wěn)區(qū),并獲得了該材料最佳熱加工工藝窗口。結(jié)合有限元組織模擬和微觀組織觀察分析,驗證了熱加工圖的可靠性和其熱變形組織模擬的準(zhǔn)確性�；贒EFORM-3D建立了斜齒輪變形-傳熱-微觀組織演化耦合的有限元模型,結(jié)合熱加工圖所獲得的優(yōu)化變形溫度和變形速率區(qū)間,模擬分析了斜齒輪熱精密成形微觀變形規(guī)律。
【圖文】：

圖220CrMnTiH鋼在不同應(yīng)變條件下的熱加工圖(a)0.2(b)0.4(c)0.6(d)0.8(e)0.916Fig.2Hotprocessingmapsof20CrMnTiHsteelwithdifferentstrains由圖2可知，不同應(yīng)變下的熱加工圖表現(xiàn)了不同的特點。一方面，高η值從處于低應(yīng)變0.2，，0.4和0.6的熱加工圖中右下角區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)楦邞?yīng)變0.8和0.916中的左下角和右上角區(qū)域，即由整個中高溫區(qū)域變?yōu)楦邞?yīng)變下的低溫、低速率和中溫、高速率區(qū)域。另一方面，ζ＜0的失穩(wěn)區(qū)域面積隨著應(yīng)變的增加逐漸減小到熱加工圖的左上角區(qū)域，即轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏�、高速率的條件區(qū)域，表明該材料在大應(yīng)變熱塑性變形過程中具有較寬的加工條件區(qū)間。因此，隨著應(yīng)變的增加，熱加工圖形成了圖2d和圖2e中的A，B，C和D這4個特征區(qū)域。由圖2e可知，陰影區(qū)域A為變形失穩(wěn)區(qū)，處于低溫、低應(yīng)變速率區(qū)間:850～956℃，0.23～1s－1，該區(qū)域會出現(xiàn)絕熱剪切帶、局部流動、機(jī)械孿晶和裂紋等流動失穩(wěn)問題，因此熱加工條件應(yīng)避免處于這個區(qū)域。區(qū)域B和C為具有高η值的變形條件區(qū)間，區(qū)域B的最大η值為0.43，處于中溫、高應(yīng)變速率工藝條件下:1040～1066℃，0.67～1s－1;區(qū)域C的最大η值為0.36，處于低溫、低應(yīng)變速率工藝條件下:850～906℃，0.01～0.02s－1。然而，區(qū)域D具有較低的η值，低于0.11，處于中高溫、低應(yīng)變速率區(qū)域。根據(jù)文獻(xiàn)［8］，高的η值表明微觀組織演化所消耗的能量比例增加，主要發(fā)生動態(tài)回復(fù)、動態(tài)再結(jié)晶等行為，且一般對應(yīng)動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶的η值分別為0.2～0.3和0.35～0.45。因此，材料在高η值的變形溫度和應(yīng)變速率條件下具有好的熱加工性能，即得到其最優(yōu)工藝窗口為850～906℃，0.01～0.02s－1和1040～1066℃，0.67～1s－1。圖3為20CrMnTiH鋼在ε=0.916下對應(yīng)熱加工圖中特征區(qū)域A，B，

結(jié)晶軟化行為形成的均勻細(xì)化的再結(jié)晶組織，能提高材料熱變形后的力學(xué)性能。圖3d為急劇長大的再結(jié)晶晶粒，由于其處于高溫、低應(yīng)變速率的變形條件，具有足夠的能量和時間來發(fā)生晶界的遷移，導(dǎo)致晶粒粗大，容易形成晶間開裂等缺陷，其對應(yīng)熱加工圖中低η值的區(qū)域。圖3ε=0.916下對應(yīng)特征區(qū)域A，B，C和D的微觀組織圖(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根據(jù)熱加工圖所獲得的20CrMnTiH鋼的熱變形優(yōu)化工藝窗口850～906℃，0.01～0.02s－1和1040～1066℃，0.67～1s－1，選取高η值的工藝條件作為研究對象，建立了對應(yīng)工藝條件下的熱壓縮變形－傳熱－微觀組織演化有限元模型，進(jìn)行微觀組織的模擬分析，以驗證該優(yōu)化工藝的可靠性。圖4和圖5分別為所選取的優(yōu)化參數(shù)條件下的動態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)和動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸的模擬結(jié)果分布圖。由圖4可知，除了圖4a中鐓粗試樣上下端面區(qū)域未發(fā)生完全動態(tài)再結(jié)晶外，其他條件下的試樣均發(fā)生了完全動態(tài)再結(jié)晶行為，完全再結(jié)晶節(jié)點百分?jǐn)?shù)均達(dá)到90%以上。同時，由圖5b～圖5f可得到發(fā)生完全動態(tài)再結(jié)晶行為的條件下的平均動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸模擬值分別為21.8，26.2，24.4，21.9和26.0μm，這是因為高η值下的動態(tài)再結(jié)晶行為改善了材料的內(nèi)部組織，得到了均勻細(xì)化的再結(jié)晶晶粒。根據(jù)熱壓縮實驗組織分析可知，對應(yīng)圖4c和圖4e條件下的平均動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸實驗值分別為24.34和22μm，對比可知其誤差值分別為7.64%和0.45%，可知二者具有較高的一致性。因此，結(jié)合熱壓縮試樣組織和有限元組織模擬結(jié)
【作者單位】： 武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院;現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室;
【基金】：國家自然科學(xué)基金資助項目(51475344) 湖北省自然科學(xué)基金資助項目(2014CFB855)
【分類號】：TG142.1

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本文編號：2522340