軋制工藝參數(shù)對(duì)60Si2MnA鋼靜態(tài)再結(jié)晶影響的數(shù)值模擬

1、Vol. 15 .No.4Aug. 2(X)3第15巻第4期2003年8月鋼鐵研究學(xué)報(bào)JOURNAL OF IRON AND STEEL RESEARCH60Si2MnA凌 剛I,艾家和'，劉 宇趙同春二 高慧菊2,謝錫善'（I.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院北京100083; 2.北京科技大學(xué)材料科學(xué)與 工程學(xué)院北京100083: 3.大連鋼鐵隼團(tuán)公司技術(shù)中心遼寧大連116031）:利用有限尤軟件MARC/AutoForge 3. 1并采用二維熱力耦合的剛塑性有限尤法研究了軋 制工藝家數(shù)對(duì)6OSi2MnA彈費(fèi)帕靜態(tài)再結(jié)晶的膨響.模擬時(shí)專(zhuān)慮了工件與軋続之間的接觸熱傳 導(dǎo)、工件的輻射對(duì)流散熱

2、以及工件的變形熱并對(duì)該熱力過(guò)程進(jìn)行了耦合計(jì)算得到了在多種工藝 條件下靜態(tài)再結(jié)晶的規(guī)律以及靜態(tài)再結(jié)晶量在變形截面上的分布情況.：«）Si2MnA :彈簧鋼:剛塑性有限尤法:熱力耦合:工藝參數(shù):靜態(tài)再結(jié)晶:TG142.4:A: 1031-0963 （2003） 04- 0037-05Numerical Simulation for Effect of Rolling Process Rirameters onStatic Recrystallization of Spring Steel 60Si2MnALING Gang1 , Al Jiirhc2 . LIU Y,ZHAO Tong-

3、chun2 ,GAO Hui-ju2 J . XIE Xrshan2(1. China Agricultural Universily .Beijing IOOO83 . China; 2. Univcrsly of Science and TechnologyBeijing Beijing 100083 . China:3. Dalian Iron and Steel Co Ltd Dalian 116031 . China)Abstract: The tw(rdimensional ngicrplastic FhM was used in simulating the effect of

4、rolling process pa* ranieters on the static recr)slallizalion of 6OSi2MnA with software MA R0Auto R)rge 3 1 The I her nxr mechanical ooipling analysis was conducted with the consideration of heat transfer between worlpiece . roll and at nowhere and I he heat generated by plastic work and friction fo

5、rce. The static reciystallizalion laws under different processing conditions and I he predicted distribution of static recastallization wlume fraction on the cross section of deformation zone were presented.Key w>rds:60Si2MnA luring steel:rigid-plastic FEM ; thermrmechanical coupling :process par

6、ameter: static recrystallization37Vol. 15 .No.4Aug. 2(X)3#Vol. 15 .No.4Aug. 2(X)3在棒、線材連軋過(guò)程中圓/橢圓孔型交替地布 直于各架軋機(jī)因而呈現(xiàn)復(fù)雜的變形過(guò)程。它受到 材料特性、變形速度、變形溫度、應(yīng)變量、摩擦條件、 坯料形狀及尺寸、孔型形狀等因素的影響對(duì)其進(jìn)行 求解是極其困難的。近年來(lái).隨看有限元方法的完 善和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展.基于有限元法的數(shù)值模擬 技術(shù)巳成為解析孔型軋制過(guò)程的有力工具'*'6,0實(shí) 際的型鋼軋制過(guò)程是一個(gè)非等溫、既有穩(wěn)態(tài)又有非 穩(wěn)態(tài)的三維熱力過(guò)程.對(duì)其進(jìn)行三維有限元分析將 耗費(fèi)

7、大量的機(jī)時(shí)而且一般是選擇持定截面（如縱截 面利橫截面）來(lái)顯示模擬結(jié)果。為此本文作者采用 二維熱力耦合剛塑性有限元法分析了彈黃鋼 60Si2MnA棒材和線材軋制后靜態(tài)組織的演化。由 于靜態(tài)組織演化模型大多是狀態(tài)參量（如溫度、應(yīng)變 和應(yīng)變速率）的函數(shù).所以在縱截面上模擬組織演化 有較大的難度。比如某節(jié)點(diǎn)處的組織在通過(guò)軋経 孔型時(shí)和遠(yuǎn)離軋輻時(shí)并不相同.前者隨狀態(tài)參量而 變而后者則不變。為此本文作者只對(duì)橫截面采用 壓縮的方法模擬其靜態(tài)再結(jié)晶惜況及金屬的流動(dòng)惜 況。#Vol. 15 .No.4Aug. 2(X)3#Vol. 15 .No.4Aug. 2(X)3:2002-09-04;:2005-04-0

8、9#Vol. 15 .No.4Aug. 2(X)3#Vol. 15 .No.4Aug. 2(X)3© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.、Ltd. All rights reserved.#2003 年鋼鐵研究學(xué)報(bào)第15巻1實(shí)驗(yàn)方法研究對(duì)象為彈黃鋼60Si2MnAo為了獲得該鋼 變形時(shí)的流變應(yīng)力曲纟戈，從150 mm XI50 mm方坯 的相同部泣取樣.并將其加工成若干個(gè)傀mm X12 nun的試樣。試樣的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù).）為：C 0. 57.Mn 0.76 .Si 1.79 S 0.005.P 0.012,Cr 0. 10,

9、 Ni 0.08o選擇變形工藝參數(shù)在THERMECMAS- roR-z熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行雙道次熱模擬實(shí)驗(yàn)記 錄各種工藝秦?cái)?shù)下的流變應(yīng)力曲線。再根據(jù)雙道次 流變應(yīng)力曲線®用回歸法建立工藝參數(shù)與靜態(tài)再 結(jié)晶分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系模型：= 1 - exp 0. 693（/o.5）°824 8 （1）式中 X“x為靜態(tài)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)：/、/0.5分別為靜態(tài)再結(jié) 晶時(shí)間和發(fā)生50 %的靜態(tài)再結(jié)晶所需的時(shí)間（s） /o.s=7.24 X10 X203*-232 -°B5exp;do為初始奧氏體晶粒尺寸Um）;、分別為應(yīng)變量 和應(yīng)變速率（s'）; R為氣體常數(shù)：T為變形溫度 （K）

10、。2有限元模型有限元模型示于圖1 .其中橢圓孔型的長(zhǎng)軸、短 軸的尺寸分別取為65 mm和32 mm .工件取直徑為 40 mm的棒材.工件壓下率（單邊）以最頂端的變形 為準(zhǔn)。根據(jù)工件的對(duì)稱(chēng)性取其1/2作為模擬對(duì)象 以減少計(jì)算量。模型采取四邊形四節(jié)點(diǎn)單元共劃 分了 248個(gè)單元和275個(gè)節(jié)點(diǎn)分析方法采用熱力 耦合剛塑性有限元法。將軋輻視為傳熱且不變形的 剛性體其幾何形狀用解析法描述。工件對(duì)稱(chēng)軸上的所有節(jié)點(diǎn)在y方向上的位移為 零.即=0。工件與軋輻接觸面之間遵循粘滑摩ISM7I 比I"! 商Fig. 1 Sclwnutic of FEM model擦定律摩擦系數(shù)取O.3o工件的自出表面與

11、周?chē)?環(huán)境之間的等效換熱系數(shù)取為0. 17 N/（s -mm *O。 工件與軋綜之間的接觸傳熱系數(shù)取為20 N/（s -mm °。環(huán)境溫度取為20軋輻溫度取為200 9。 工件變形時(shí)變形功轉(zhuǎn)換成熱的轉(zhuǎn)換系數(shù)取為0.9。 另外工件與軋輾接觸時(shí)表面摩擦也會(huì)產(chǎn)生熱該部 分熱量平均分配給工件與軋覘s” o由于軟件MARC/AutoForge 3. 1材料庫(kù)中沒(méi)有 60Si2MnA鋼的有關(guān)數(shù)據(jù)需要用戶(hù)建立自己的數(shù)據(jù) 庫(kù)。材料的熱物性參數(shù)（包括彈性模量、熱導(dǎo)率、比 熱容、熱膨脹系數(shù)等）隨溫度的變化可由軟件界面直 接輸入材料在髙溫時(shí)的熱物性參數(shù)可根據(jù)表1外 推得到'心。由于本模型采用的是剛

12、塑性有限元法. 所以工件的流變應(yīng)力曲線應(yīng)為熱模擬實(shí)驗(yàn)所記錄的 流變應(yīng)力曲線扣除彈性部分.即屈眼點(diǎn)的塑性應(yīng)變 為零。材料屈服后任一點(diǎn)的塑性應(yīng)變p二/E （、E分別為應(yīng)力和彈性模量）。將扣除彈性部分后 的流變應(yīng)力曲線（圖2）存入系統(tǒng)中以便軟件運(yùn)行時(shí) 調(diào)用。各流變應(yīng)力曲線的溫度分別為900C、1 000 £和I 100 °C.應(yīng)變速率分別為0. I s * >0.5 s ' > 1.0s5.0s 1和20. 0 s''.這些曲線在空間組成了 一個(gè)多維數(shù)據(jù)庫(kù)。在模擬材料變形過(guò)程中軟件用 插值法得到所需要的流變應(yīng)力數(shù)據(jù).從而避免了將© 1

13、995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.、Ltd. All rights resented.2003 年鋼鐵研究學(xué)報(bào)第15巻© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.、Ltd. All rights resented.2003 年鋼鐵研究學(xué)報(bào)第15巻la He 1 Change of thermophysiail properties with temperature泰數(shù)fl室ifl100200300400500600700彈性樓it xl03 MPa206204199I9l183176熱

14、導(dǎo)豐Ki）29.330.131.030I28.927-61 -k >)460527544599Ml熱巔脹系«/X10 6 K 112.6133136I3.5II.8ll.I12.4密咚"kg in 3)74 XIO3© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.、Ltd. All rights resented.2003 年鋼鐵研究學(xué)報(bào)第15巻© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.、Ltd. All rights resented.2003 年鋼鐵研

15、究學(xué)報(bào)第15巻© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.、Ltd. All rights resented.第4期凌剛等軋制工藝參敎對(duì)6OSi2MnA鋼靜態(tài)再結(jié)晶影響的數(shù)值模擬8月402f»nU£:L F 怪M8性應(yīng)變（宴應(yīng)變）19000.12 9000.539001.04 9005.0590020.06 -4 0000. 171 0000.58 1 0001.091 0005.010 1 00020.011I 1000. 112 1 1000.5131 1001.014 1 1005.0151 10020變形詛度

16、/七應(yīng)變堆車(chē)Q變形溫劇弋應(yīng)變速率“Fig. 2 How stress curve </ zurkpiew應(yīng)力應(yīng)變曲線擬合成數(shù)學(xué)公式所帶來(lái)的誤差°為了摸擬軋制過(guò)程中靜態(tài)再結(jié)晶的演化基干 公式（1）編制用戶(hù)于程序并將其插入到軟件中去, 以便軟件運(yùn)行時(shí)調(diào)用。3靜態(tài)再結(jié)晶的影響因素31壓下率對(duì)變形截面上靜態(tài)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)的影響示 干圖3。當(dāng)壓下率由20 %增加到27. 5 %時(shí).變形截 面上靜態(tài)再結(jié)晶的敖量總體上是增加的靜態(tài)再結(jié) 晶分?jǐn)?shù)的分布范圍由0.0040. 511變化到0.005 （）.698。同時(shí).在同一壓下率下.它們的分布是很不 均勻的。這是因?yàn)榧幢阍谕粔合侣屎蛪合滤俾?下.變

17、形截面上的應(yīng)變和應(yīng)變連率的分布也是不均 勻的這將導(dǎo)致應(yīng)力的不均勻分布。而塑性變形功、 傳熱不同又將導(dǎo)致溫度的不均勻分布。反過(guò)來(lái)應(yīng) 力和溫度的不均勻分布又將影響應(yīng)變和應(yīng)變連率的 分布。所以即使在同一壓下率下.變形截面上各點(diǎn) 的再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力也是不同的.從而便靜態(tài)再結(jié)晶分 數(shù)呈不均勻分布。隨看壓下率的提高再結(jié)晶驅(qū)動(dòng) 力加大使靜態(tài)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)增加。3.2軋輻壓下速率對(duì)變形截面上靜態(tài)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)的 影響示于圖4?？梢钥闯?當(dāng)壓下速率由5（） mm/s增 加到400 mm/s時(shí)變形截面上靜態(tài)再結(jié)晶的數(shù)量總 體上是增加的靜態(tài)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)分布范圍由0.003 0. 487變化到0. 0040. 642。壓下速率的提

18、高抑制 了動(dòng)態(tài)回宣和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶增大了靜態(tài)再結(jié)晶的驅(qū) 動(dòng)力從而便靜態(tài)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)總體上有所增加。變形溫度對(duì)變形截面上靜態(tài)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)的影響 示干圖5?？梢钥闯?當(dāng)變形溫度由1 000 °C提高到 1 20（） W .變形截面上靜態(tài)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)總體上是增39© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Lid. All rights reserved.第4期凌剛等軋制工藝參敎對(duì)6OSi2MnA鋼靜態(tài)再結(jié)晶影響的數(shù)值模擬8月40© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Li

19、d. All rights reserved.第4期凌剛等軋制工藝參敎對(duì)6OSi2MnA鋼靜態(tài)再結(jié)晶影響的數(shù)值模擬8月(b)33x10 八 I.OMxlO ' riikOxio 1 30KJ* 10 1 2.577x1 1070 m IO'1 l.MMxlO1LOttxlO116.(176x10 1 62&<k10 1 &/W2*IO 1 4 900 x 10 1 4 2TF7X101 3 315 x10 1 2KW x !0 ' 2 LUI x 10 1L43H x IO J5610 m 10 :KMxIlT17.4fiP x 10631 xJO

20、J(a)壓下率20 %;(b)壓下李27.5 %:初始虞氏體晶粒尺寸】00p m壓下速率100 mm M 1 變形泯度1 000 0再結(jié)晶時(shí)間5 s3Eig 3 Hfect rf reduction rate on static recnstalliration fraction#© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Lid. All rights reserved.2003 年鋼鐵研究學(xué)報(bào)第15巻J© 1995-2004 Tsinghiut Tongfang Optical Disc Co.t Ltd. All r

21、ights reserved.2003 年鋼鐵研究學(xué)報(bào)第15巻分 lbni.stMx 101卜 3HI x 10 1SM>7k 10 1io 12 445 x 10 1I.WJ2xl0uI 478 x 10 1ntkcjoxio STHlxlO 1 S 1*1x10 1 4.«i6x 10 1 3«rx io 1 m x m 1 2 5»ixii>1 1 g x IO1KJWxlir12.GJ6 x K)v1314 nil) 1 t7ti2 nW1 XftMixW 1J© 1995-2004 Tsinghiut Tongfang Optica

22、l Disc Co.t Ltd. All rights reserved.2003 年鋼鐵研究學(xué)報(bào)第15巻(a)壓下速聿50 mm -s'1 :(b)壓下速豐400 mm M、：初域與氏體晶粒尺寸100M m.壓下豐20 % 變形溫度I 000匕再結(jié)晶時(shí)間5 s4Fig. 4 FTfect cif reduction speed on static recnstalliz»tion fractionJ© 1995-2004 Tsinghiut Tongfang Optical Disc Co.t Ltd. All rights reserved.2003 年鋼鐵研究

23、學(xué)報(bào)第15巻J© 1995-2004 Tsinghiut Tongfang Optical Disc Co.t Ltd. All rights reserved.2003 年鋼鐵研究學(xué)報(bào)第15巻加的靜態(tài)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)的分布范圍由0. 0040.511 變化到0.0600.996。變形溫度的升高雖然增加 了發(fā)生動(dòng)態(tài)回負(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的可能性但同時(shí)也 加大了變形后發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力圖5為兩 者綜合作用并以后者起主導(dǎo)作用的結(jié)果°3.4初始奧氏體晶粒尺寸對(duì)變形截面上靜態(tài)再結(jié)晶 分?jǐn)?shù)的影響示干圖6?？梢钥闯?當(dāng)初始奧氏體晶 粒尺寸由50U m增大到150P m時(shí).變形截面上靜態(tài) 再結(jié)晶

24、的數(shù)量總體上是減小的靜態(tài)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)的 分布范圍由00. 669變化到()() 31() o小的初始 奧氏體晶垃尺寸有利于變形后靜態(tài)再結(jié)晶在晶界形 核從而在總體上増加靜態(tài)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)。3.5再結(jié)晶時(shí)間對(duì)變形截面上靜態(tài)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)的影 響示于圖7。可以看出當(dāng)再結(jié)晶時(shí)間由10 s延長(zhǎng) 到30 s時(shí).變形截面上靜態(tài)再結(jié)晶的數(shù)量總體上是 增加的，靜態(tài)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)的分布范圍由0.008 0. 718變化到0. 0190957 o4結(jié)論采用商業(yè)有限元軟件MARC/AutoForge 3. 1 并借助熱力耦合剛塑性有限元法可以模擬金屬熱軋 后的靜態(tài)再結(jié)晶過(guò)程。(2) 將組織演化的物理模擬與有限元技術(shù)結(jié)合 起來(lái)分析彈

25、黃鋼60Si2MnA線、棒材熱軋后的靜態(tài) 再結(jié)晶過(guò)程能更清楚地了解工藝參數(shù)對(duì)靜態(tài)再結(jié) 晶的彫響規(guī)律。通過(guò)定量分析能更準(zhǔn)確地掌握熱軋 后靜態(tài)再結(jié)晶的實(shí)質(zhì)。變形截面上靜態(tài)再結(jié)晶的不均勻性是棒、線J© 1995-2004 Tsinghiut Tongfang Optical Disc Co.t Ltd. All rights reserved.2003 年鋼鐵研究學(xué)報(bào)第15巻J© 1995-2004 Tsinghiut Tongfang Optical Disc Co.t Ltd. All rights reserved.2003 年鋼鐵研究學(xué)報(bào)第15巻niooxio14(

26、71;ix 10 1 lOWlxlO4 IfWxlO 1 aosaxio1 2577k 10u XOTOm 10 1 IJMmKT1 l.WifixlO 1 &M0m10 9 啊 > lu '分 thrt>)Qv.961 X 10 1HOIKE! x 10 1ROKtx 10 1 7 144 x ID'1 gm io-1 a in ：4 05 '3八L2449 m WLS10 m nr1J© 1995-2004 Tsinghiut Tongfang Optical Disc Co.t Ltd. All rights reserved.200

27、3 年鋼鐵研究學(xué)報(bào)第15巻(a它形廈底1 000 ©(b)變形溫廢1 200 9:初始輿氏體晶粒尺寸00M m壓下率20 % .壓下堆宅100 mm M I再結(jié)晶時(shí)間5 s5Eig 5 FTfect rf rolling temperature on static recnshillization fractionJ© 1995-2004 Tsinghiut Tongfang Optical Disc Co.t Ltd. All rights reserved.第4期凌剛等軋制工藝參敎對(duì)6OSi2MnA鋼靜態(tài)再結(jié)晶影響的數(shù)值模擬8月 EH細(xì)亠停lbietMxio1 6.01

28、7 X IU1 JVM7xlO 1 4fi7S<IOu10 1 x;npx io*1 2.67l>x|O 1 2001 m 10 1i xii m1 &tti x kP7 20« » IO1niinoxio 1Z7H0 xW 12 4W x Z X19x in 1 ixuix id-1I Mf> x 10 11 M段 > It) * 9 2M x 10 : &lhi > 悴' 307N I"-2 H2 1<)4(a)初始奧代體晶粒尺寸50nm:(b)初始奧氏體晶位尺寸1 50m m:壓下率20仏壓下速率2

29、0 mm -s 1 .變形ifl度1 000乜.再結(jié)晶時(shí)間5 s6Fig. 6 HTfect of inithl grain size on static recrystallization fraction07曲 X KT11474 xir1BTUJmIO 1 5.0MX)frl 4 M2 - |0 1 2住燈10 1Wi X Jrt 1 2ZI0XKF1右再LftJOxlO 178! x 10Irt 1 H.rtX)x IO" TWO x 10 1 &7Mx 10 1 S.SWK10 1 4XSlx in 110 1 niMMiM Hr11 131X10(a)再結(jié)晶時(shí)間1

30、0 s: (b>再結(jié)晶時(shí)閭30 s:初始翼氏體晶粒尺寸100p m.圧下車(chē)20 %壓下速姿100 mm 5*1 .變形溫度I 000 97Fig 7 FTfect of recnstallizxilion tinw on static recnstallizalion rrac(ioi)41© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Lid. All rights reserved.第4期凌剛等軋制工藝參敎對(duì)6OSi2MnA鋼靜態(tài)再結(jié)晶影響的數(shù)值模擬8月#© 1995-2004 Tsinghua Tongfang O

31、ptical Disc Co., Lid. All rights reserved.第4期凌剛等軋制工藝參敎對(duì)6OSi2MnA鋼靜態(tài)再結(jié)晶影響的數(shù)值模擬8月材單道次熱軋后靜態(tài)再結(jié)晶的一大特征0(1 McQueen HJ. Metal Forming: Industrial. Mechanical Coniputa- tional and Microstructural J |. Journal of Materials Processing Technology .1993 .37(1-4) :3*36|2 Allan T. Vazquez V. Numerical Process Simul

32、ation for Tool and Process Design in Bulk Metal Burning |J . Annuals of the CIRP. 1996 .45(2) :599-6O4.13 Park J J . Oh S I. .Application of Three Dimensional FEM Analyas to Shape Rolling Processes (J Journal of Engineering for Indur try, Transactions of ASME .1990.112(1) :36-46.|4 Gowxb 仁 Kedzierski Z. Kusiak H el al Simulation of Metal Row. Heal Transfer and Structure Ewlution during Hol Rolling in SquareOvabSquare Series (J Journal of