基于Hansel-Spittel模型的45Cr4NiMoV合金熱變形行為

陳學文，周會軍，陳天安

（河南科技大學材料科學與工程學院，河南洛陽 471023）

基于Hansel-Spittel模型的45Cr4NiMoV合金熱變形行為

陳學文，周會軍，陳天安

（河南科技大學材料科學與工程學院，河南洛陽 471023）

為了準確描述45Cr4NiMoV的高溫流動特性，采用Gleeble-1500D熱模擬試驗機對45Cr4NiMoV進行了等溫壓縮試驗，研究45Cr4NiMoV在變形溫度為750～1 200℃、應變速率為0.002～5 s－1條件下的流變特性?；贖ansel-Spittel模型，建立其熱變形方程，通過相關系數r對所建方程的準確性進行了分析。分析結果表明：該方程可以準確預測45Cr4NiMoV合金的熱變形行為。

45Cr4NiMoV合金鋼；熱壓縮變形；流變特性；Hansel-Spittel模型

0 引言

45Cr4NiMoV合金鋼是軋機上支承輥用鋼，其成形過程必須通過塑性加工。精準地確定材料在不同變形參數下的變形特性，是合理制訂加工工藝規程以及對相應工藝過程進行模擬仿真必不可少的條件［1］。為了精準地確定一定變形參數范圍內的變形特性，合理地選擇變形應力方程是至關重要的［2］。目前，國內外大多數采用Zener-Hollomon參數法來描述材料的變形特性，結果精確度一般［3－10］，最重要的是其不能夠直接運用于FORGE軟件進行模擬計算。本文采用能夠直觀反映流變應力與變形參數關系的Hansel-Spittel模型［11－12］，描述45Cr4NiMoV合金的熱變形特性，進一步使用FORGE軟件，對45Cr4NiMoV合金鋼鍛造過程宏觀變形和微觀組織演變數值仿真模擬材料庫的創建提供了依據。

1 試驗材料及方法

試驗用45Cr4NiMoV合金鋼的化學成分如表1所示。在Gleeble-1500D上進行等溫等速率壓縮，試樣規格為φ8 mm×12 mm。

表1 45Cr4NiMoV合金鋼化學成分（質量分數）%

根據相近鋼材熱加工參數，設定壓縮溫度為750～1 200℃，溫度間隔50℃，恒定變形速率為0.002 s－1、0.01 s－1、0.1 s－1、1 s－1和5 s－1，壓縮程度為60%。試樣端部涂石墨以減小試驗過程中的摩擦，壓縮后立即水冷。

2 試驗結果及分析

2.1 真應力-真應變曲線

由上述試驗條件可以得到45Cr4NiMoV合金鋼熱變形的真應力－真應變曲線。以溫度950℃和應變速率0.1 s－1為例，如圖1所示。由圖1a可以看出：相同溫度條件下，在較高應變速率時，流變應力先迅速上升，后緩慢上升，最后趨于穩定值，表現為動態回復型；在較低應變速率時，流變應力在達到峰值以后，又緩慢下降最后趨于穩定值，表現為動態再結晶型。由圖1b可以看出：在相同應變速率條件下，流變應力在低溫和高溫時的變化情況分別與圖1a的高應變速率和低應變速率的情況類似。表明要使材料發生動態再結晶，要達到一定的溫度、應變速率和應變量。

圖1 不同變形條件下45C r4NiMoV合金鋼的真應力-真應變曲線

2.2 微觀組織

圖2為不同變形參數下的金相組織。由圖2可以看出：圖2a中粗大的等軸晶粒被拉長；圖2b中生成了大量細小的等軸晶；圖2c中部分細小的等軸晶已經長大。圖2表明：45Cr4NiMoV在較高溫度變形時內部發生了動態再結晶，但應變速率較低時，變形較緩慢，動態再結晶晶粒有足夠的時間形核并長大。

圖2 45Cr4NiMoV合金鋼變形后的金相組織

2.3 熱變形流變應力本構模型的建立

熱變形特性與溫度、應變及其速率相關，本文采用Hansel-Spittel模型［11－12］來描述45Cr4NiMoV合金鋼的熱變形性能，其形式為：

式中：σ為流變應力；A為材料常數；e為自然常數；t為變形溫度；ε為應變；為應變速率；m1為溫度相關系數；m2為應變強化指數；m3為應變速率強化指數；m4為應變軟化系數；m5為溫度相關應變強化系數；m7為應變相關系數；m8為溫度相關應變速率強化指數；m9為溫度指數。

對式（1）等號兩邊分別取自然對數得：

（Ⅰ）當溫度、應變（即t、ε）一定時，ln A＋m1t＋m2lnε＋m4／ε＋m5t ln（1＋ε）＋m7ε＋m9ln t為常數，設為K1，則式（2）可化為：

圖3 相同溫度下的ln-lnσ的關系

圖4 不同應變下m3＋m8t與t的關系

圖5 相同應變速率下t與lnσ的關系

圖6 相同溫度下ε與lnσ之間的關系

將試驗所得數據及上文求得的m1、m2、m3、m4、m5、m7、m8、m9的值分別代入式（1），即可求得A的值，對A求算術平均值得A＝16.399 218。將以上所求得的參數值代入式（1），可得45Cr4NiMoV合金鋼的熱壓縮本構方程：

2.4 本構方程的驗證

將不同變形參數分別代入式（6），就可預測一定范圍內任意變形參數下的變形應力，如圖7所示。將式（6）的預測值與試驗值進行比較，可以發現式（6）能很好地描述45Cr4NiMoV合金鋼的熱變形特性。

圖7 不同變形條件下試驗值與計算值流變應力的比較

圖8 不同變形條件下試驗值與預測值的關系

圖7只能定性地看到預測值與試驗值之間的關系，可以用統計學中的相關系數r［13］來定量描述式（6）的準確性，如圖8所示。由圖8可知：試驗值和預測值之間存在較好的線性相關性，相關系數r為0.987 3。這表明：本文建立的Hansel-Spittel方程能夠準確地預測45Cr4NiMoV合金鋼的熱變形特性。

3 結論

（1）溫度和變形速率對45Cr4NiMoV合金鋼的變形特性影響較大，流變應力與溫度負相關，與變形速率正相關。

（2）基于Hansel-Spittel模型，求得45Cr4NiMoV合金鋼的熱變形方程為：

（3）預測值與試驗值的相關系數r為0.987 3，說明本文建立的熱變形方程能夠較精確地描述45Cr4NiMoV合金鋼的熱變形特性。

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TG317

A

1672－6871（2015）05－0001－04

國家自然科學基金項目（51072240）

陳學文（1970－），男，湖北鄂州人，教授，博士，碩士生導師，主要從事塑性成形數值模擬及智能優化方面的研究.

2015－03－13