下壓速率對42CrMo 鋼動態再結晶的影響規律

邱媛媛

（洛陽雙瑞特種裝備有限公司，河南 洛陽 471000）

42CrMo 鋼屬于中碳低合金結構鋼，具有高強度和韌性，良好的機械性能和加工性使得其應用相當廣泛，廣泛應用于軸、齒輪、連桿、發動機氣缸等要求較高的部位[1，2]。運用有限元法模擬其熱加工過程中回復及再結晶過程，對于研究材料的晶粒細化及加工成品的微觀性能具有重要意義[3，4]。現階段，亟須運用數值模擬研究42CrMo 鋼熱加工過程中各項參數對動態再結晶演變的影響規律[5]。

本文基于作者之前的研究基礎，運用有限元法，建立熱力微觀耦合模型，對形變溫度1050℃，應變0.92，壓下量60%，不同下壓速率的方案進行模擬，總結下壓速率對42CrMo 鋼動態再結晶演變的影響規律。

1 熱-力微觀組織耦合有限元建模

1.1 動態再結晶模型

描述42CrMo 鋼動態再結晶臨界應變和峰值應變關系的數值表達如式（1）[2]。

式中，εp為峰值應變；εc為臨界應變，ε˙為應變速率；d0為初始晶粒度；R 是氣體常數，為8.314J/（K·mol）；T是熱力學溫度。

采用Avrami 方程描述動態再結晶中的動力學問題[2]，如公式（2）所示。

式中，Xdrex為動態再結晶體積分數；ε0.5為動態再結晶體積分數為50%時的應變；βd和kd為動態再結晶影響系數。

動態再結晶晶粒尺寸表示如公式（3）所示[6]。

式中，ddrx為動態再結晶的晶粒尺寸。

1.2 熱壓縮有限元模型

本文采用Deform 有限元模擬軟件進行演變規律的研究，建立二維的壓縮坯料，保持熱壓縮過程中溫度為1050℃、壓下量60%不變，試樣與模具的傳熱系數為5N·s-1·mm-1·℃-1；試樣與模具的摩擦因數為0.3[6]，分別設置上模下壓速率為 0.5mm/s、1mm/s、5mm/s、50mm/s、100mm/s、200mm/s、300mm/s 進行模擬，所建的有限元模型如圖1 所示。

圖1 熱壓縮有限元模型

2 有限元模擬結果及分析

2.1 下壓速率對動態再結晶體積分數的影響

如圖2 所示為下壓速率為0.5mm/s、1mm/s、5mm/s、50mm/s、100mm/s、200mm/s、300mm/s時42CrMo鋼試樣的動態再結晶體積分數。下壓速率從0.5～5mm/s，試樣平均動態再結晶體積分數逐漸增加，平均動態再結晶0.67 上漲到0.83，完全動態再結晶的所占百分比從15%上漲到51%。下壓速率從5～300mm/s，平均動態再結晶體積分數逐漸減小，平均動態再結晶體積分數從0.66 下降到0.35。綜合平均動態再結晶體積分數的變化規律，可以得到下壓速率在1mm/s，5mm/s 時，試樣的動態再結晶發生的越完全。再次觀察圖2 中各個柱狀圖分布的彌散程度，下壓速率從0.5～5mm/s，發生動態再結晶程度約集中，說明試樣的動態再結晶發生部位的均勻性逐漸增大。下壓速率從5～300mm/s，發生動態再結晶程度越彌散，說明試樣的動態再結晶發生部位的均勻性逐漸減小。綜合均勻性來說，下壓速率在1mm/s,5mm/s 時，試樣的動態再結晶發生的越均勻。但在所有的模擬圖中，試樣的上下兩端動態再結晶幾乎不發生，這兩處是難變形區，動態再結晶發生很少。

圖2 動態再結晶分數隨下壓速率變化

2.2 下壓速率對動態再結晶晶粒尺寸的影響

圖3 顯示在下壓速率為0.5mm/s、1mm/s、5mm/s、50mm/s、100mm/s、200mm/s、300mm/s 時42CrMo 鋼試樣的動態再結晶晶粒尺寸。下壓速率從0.5～5mm/s，試樣平均動態再結晶晶粒尺寸逐漸增加。下壓速率從5～300mm/s，試樣平均動態再結晶晶粒尺寸逐漸減小。觀察動態再結晶晶粒尺寸的分布規律：下壓速率從0.5～50mm/s，試樣的動態再結晶晶粒尺寸分布越均勻，晶粒尺寸分布均勻性隨下壓速率變化較大。下壓速率從50～300mm/s，試樣兩端的不均勻性增加，但是晶粒尺寸分布均勻性隨下壓速率變化不明顯。觀察整體的動態再結晶晶粒尺寸分布：試樣心部的動態再結晶晶粒尺寸小于試樣的鼓形側邊的晶粒尺寸，而大于上下兩端的動態再結晶晶粒尺寸。試樣心部等大變形區域由于位錯增多，有利于形核，動態再結晶程度高，晶粒細化。綜合動態再結晶晶粒尺寸大小及均勻性的因素考量，下壓速率在50mm/s,100mm/s 時，試樣的動態再結晶晶粒尺寸較小，分布均勻性最好。

圖3 動態再結晶晶粒尺寸隨下壓速率變化

3 變下壓速率與恒下壓速率對比

綜合上述下壓速率對動態再結晶體積分數、晶粒尺寸的影響，考慮采用變下壓速率的方法與恒下壓速率方法對比，取綜合性能好的方案，即下壓速率在1mm/s、50mm/s 兩種綜合，在下壓30%時，采用下壓速率為50mm/s，在下壓60%時，采用下壓速率為1mm/s。圖4 展示為變下壓速率下試樣的動態再結晶體積分數和晶粒尺寸分布。對比恒下壓速率1mm/s、50mm/s，變下壓速率的動態再結晶平均晶粒尺寸比之前兩個方案都要小，但是動態再結晶體積分數的彌散度較高，體積分數的不均勻性更大。

圖4 變下壓速率下動態再結晶示意圖

4 結論

（1）下壓速率對動態再結晶體積分數影響規律：上模下壓速率從0.5～300mm/s，平均動態再結晶體積分數先增加后減小；動態再結晶體積分數分布均勻性先增加后減小。

（2）下壓速率對動態再結晶晶粒尺寸影響規律：上模下壓速率從0.5～300mm/s，平均動態再結晶晶粒尺寸先增加后減小；動態再結晶晶粒尺寸分布均勻性先增加后減小。

（3）對比變下壓速率與恒下壓速率，變下壓速率的模擬結果在動態再結晶晶粒尺寸方面有優化，而動態再結晶體積分數方面有劣勢。還需進一步研究。