噴射成形CPM9V高速鋼熱加工行為及有限元預(yù)測.pdf

1、噴射成形技術(shù)(Spray forming)制備的高速鋼，不僅消除了宏觀偏析和粗大晶粒，使材料具備優(yōu)越的力學(xué)性能，而且相比于傳統(tǒng)粉末冶金的方法，生產(chǎn)工序減少，生產(chǎn)成本降低。采用噴射成形法制備的CPM9V高速鋼坯體，不可避免地產(chǎn)生了一些孔隙，為了提高致密度，進(jìn)一步改善碳化物尺寸和分布，需要后續(xù)進(jìn)行熱加工如鍛造或軋制等工藝來優(yōu)化材料組織及性能。
　　有限元(FEM)數(shù)值模擬方法能大大減少實(shí)驗(yàn)量和提高工作效率，從而降低研究成本。根據(jù)Gle

2、eble軸對稱等溫壓縮實(shí)驗(yàn)得到應(yīng)力應(yīng)變曲線數(shù)據(jù)，建立準(zhǔn)確的流變應(yīng)力本構(gòu)模型對提高有限元數(shù)值模擬精確度尤為重要。本文借助Gleeble熱物理模擬以及Deform有限元模擬，結(jié)合組織分析，系統(tǒng)的研究了噴射成形CPM9V高速鋼的熱加工性能并制定了最優(yōu)的鍛造工藝參數(shù)。主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)通過Gleeble軸對稱等溫?zé)釅嚎s實(shí)驗(yàn)，獲得了不同應(yīng)變速率和溫度下噴射成形CPM9V高速鋼的流變應(yīng)力曲線。基于Arrhenius雙曲正弦模型，建

3、立了噴射成形CPM9V高速鋼的本構(gòu)模型，提出了一種修正本構(gòu)模型中材料常數(shù)的方法?？紤]到應(yīng)變量對流變過程影響，運(yùn)用6次多項(xiàng)式將應(yīng)變量耦合入本構(gòu)模型，材料常數(shù)α、n、Q和lnA的擬合相關(guān)系數(shù)分別為0.980、0.997、0.995、0.986。流變應(yīng)力預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值的相關(guān)系數(shù)為R=0.9976,平均絕對相對誤差A(yù)ARE僅為3.157％，表明建立的本構(gòu)模型能準(zhǔn)確預(yù)測噴射成形CPM9V高速鋼在熱壓縮過程中的高溫流變行為。
　　(2)將建立

4、的本構(gòu)模型嵌入Deform-3D有限元模擬軟件，對軸對稱等溫?zé)釅嚎s過程進(jìn)行了模擬。將模擬得出的熱壓縮后試樣的變形量和尺寸以及載荷位移曲線與實(shí)際熱壓縮實(shí)驗(yàn)的實(shí)測值進(jìn)行對比，結(jié)果顯示模擬值與實(shí)測值吻合較好，驗(yàn)證了基于Deform-3D有限元模擬的準(zhǔn)確性和可行性。對試樣截面上不同區(qū)域進(jìn)行點(diǎn)追蹤，對比了熱壓縮試樣截面上不同典型區(qū)域的等效應(yīng)力和等效應(yīng)變隨變形過程的變化。處于死區(qū)、大變形區(qū)和自由變形區(qū)的P1、P2和P3點(diǎn)，等效應(yīng)力值P2＞P3＞P1

5、,等效應(yīng)變P2＞P3＞P1。由于上下端面約束和摩擦力的存在，造成了熱壓縮過程中變形不均勻，從而表現(xiàn)出三種典型的區(qū)域。結(jié)合金相組織分析，表明大變形區(qū)是最易優(yōu)先發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的區(qū)域，而死區(qū)基本維持原噴射成形態(tài)組織形貌，自由變形區(qū)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力低于大變形區(qū)。
　　(3)通過Deform-3D模擬給出了不同熱加工條件下試樣的等效應(yīng)力和等效應(yīng)變分布云圖和等值線圖，其等效應(yīng)力和等效應(yīng)變分布都呈典型的“X”形，即接近上下表面處和兩側(cè)等效應(yīng)力值

6、較低，越接近中間部位等效應(yīng)力值和等效應(yīng)變越大。溫度越高、應(yīng)變速率越低，變形越均勻，中間大變形區(qū)的范圍有所擴(kuò)大。所以，研究不同熱壓縮實(shí)驗(yàn)參數(shù)對材料組織性能的影響應(yīng)主要以大變形區(qū)的組織為參考，這樣有利于排除因不均勻變形對材料組織變化的判斷造成的干擾。
　　(4)根據(jù)動(dòng)態(tài)材料模型DMM理論，建立了噴射成形CPM9V高速鋼從真應(yīng)變0.2到0.9下所對應(yīng)的熱加工圖。噴射成形CPM9V高速鋼在不同應(yīng)變量的情況下功率耗散效率峰值區(qū)為高溫低應(yīng)變速

7、率區(qū)(1120-1180℃、0.01-0.1s-1)，而失穩(wěn)區(qū)為高溫和低溫下的高應(yīng)變速率區(qū)（1120-1150℃、1-10s-1和970-1030℃、1-10s-1）。
　　(5)結(jié)合熱加工圖不同區(qū)域組織觀察結(jié)果，耗散效率峰區(qū)A內(nèi)為細(xì)小均勻的完全再結(jié)晶等軸晶組織。失穩(wěn)區(qū)B區(qū)和失穩(wěn)區(qū)C中對應(yīng)的熱加工實(shí)驗(yàn)參數(shù)下的材料除局部區(qū)域發(fā)生不完全再結(jié)晶的纖維狀晶粒組織外，出現(xiàn)了明顯的失穩(wěn)特征，如:集中變形區(qū)、絕熱剪切以及應(yīng)力集中造成的基體材料剝