（材料学专业论文）大型锻件热处理过程晶粒度变化的研究.pdf

a b s t r a c t 大型锻件热处理过程晶粒度变化的研究 摘要 本文依据中国第一重机厂实际热处理生产工艺曲线，应用大型模拟软件 d e f o r m 3 d 对大型汽轮机转子热处理过程的工艺曲线进行了温度场方面的数值模拟。 目的在于找到转子各个位置上实际的温度变化，以用金属小试样来模拟大转子组织和 晶粒度变化并作出工艺上的对照，从而使金属小试样物理模拟大转子的试验工作从工 艺上具备相似性。结果显示在目前工业实际生产工艺中温度场变化均匀一致，不存在 异常传热，在随后的物理模拟即金属试样热处理试验中只要不同程度的减缓升降温速 度和减少保温时间就可以比较真实的模拟各位置实际的生产工艺，使试验结果更真实 可靠。在转子径向上，温度从表面向心部变化趋势一致，速度减缓；心部无论升温或 降温都将产生迟滞，并且迟滞时间大体相同为1 0 h 左右。 在金属小试样模拟大转子热处理的过程中，采用“正交设计方法”探索各种热处 理工艺参数下，低压汽轮机转子用钢2 6 c r 2 n i 4 m o v 的晶粒长大和组织遗传情况，并 详细记录在各种加热规范和冷却控制条件下的晶粒度，给锻造阶段的工作要求一个准 确的答复。在此基础上，根据金相照片及晶粒度测量结果来推测并探讨晶粒长大和遗 传机制。试验结果表明，奥氏体再结晶是消除组织遗传的有效方法之一；不同的加热 及冷却规范可使奥氏体晶粒度细化到不同的程度。 另外，系统分析试验数据，根据晶粒长大的数学模型，为计算机模拟考虑遗传因 素的晶粒生长过程和编制相关软件做数据方面的积累和有益的探索。 关键词温度场模拟组织遗传晶粒度计算机模拟 a b s t r a c t s t u d yo ng r a i ns i z et r a n s f o r m a t i o nd u r i n gh e a tt r e a t m e n t o fl a r g ef o r g i n g s a b s t r a c t i na c c o r d i n gt ot h et e c h n o l o g yc u r v eo fh e a tt r e a t m e n to fc h i n af i r s th e a v y m a c h i n e r y ，t e m p e r a t u r ef i e l ds i m u l a t i o na b o u tt h eh e a tt r e a t m e n tp r o c e s so f t u r b i n er o t o ri ss t u d i e do nw i t hs i m u l a t i o ns o f t w a r ed e f o r m 3 d ，w h i c hi sa b o u t t of i n dt h er e a lt e m p e r a t u r ec h a n g e sa tt h ed i f f e r e n tl o c a t i o no ft h er o t o r t h er e s u l tc a nb r i n gp r o c e s sc o n t r a s tb e t w e e ns m a l ls a m p l e sa n dl a r g er o t o r o nt h ef a c e to fs t r u c t u r ea n dg r a i ns i z ec h a n g e s ，w h i c ho f f e r ss i m i l a r i t y b e t w e e nt h e m i ts h o w st h a tt h et e m p e r a t u r ef i e l do fb o t hs u r f a c ea n di n s i d e c h a n g es y n c h r o n o u s l ya n dh a v en oe x c e p t i o n a li t y i nt h ef o l l o w i n gp h y s i c a l s i m u l a t i o n ，t h a ti s ，d u r i n gt h ee x p e r i m e n to fs m a l ls a m p l e sh e a tt r e a t m e n t ， t h er e s u l tw i lb ee x a c ta n dr e l i a b l es ol o n ga st h ev e l o e i t yo fc a l e f a c t i o n a n dc o o l i n gi ss l o w e dd o w na n dt h eh e a tp r e s e r v a t i o ni n t e r n a li ss h o r t e n e d w h a t sm o r e ，t h et e m p e r a t u r ec h a n g ef r o mt h es u r f a c et oin sid eh a st h es a l l l e d i r e c t i o ne x c e p tt h es l o wv e l o c i t y ，a n dn om a t t e rt h a tc a l e f a c t i o no rc o o l i n g ， t h et e m p e r a t u r ei n s i d ew i1 1a l w a y ss l o wa n dt h ed e l a y e dt i m ei sa b o u tl o h d u r i n gt h es i m u l a t i o np r o c e s s ，g r a i ng r o w t h a n ds t r u c t u r ei n h e r i t a n c e p h e n o m e n o no f t h er o t o r s t e e l2 6 c r 2 n i 4 m o vi ss t u d l e db yu s eo fo r t h o g o n a l c a l c u l a t i o nu n d e rs e v e r a lh e a tt r e a t m e n tp r o c e s s w i t ht h en o t eo fg r a i ns i z e u n d e rc e r t a i nc o n d i t i o no fv a r i o u sc a l e f a c t i o na n dc o o l i n gm e t h o d ，t h ee x a c t a n s w e rc a nh em a d ef o rt h ep r e v i o u sf o r g i n gs t a g e ，w h i c hh e l p st oc o n f e ra n d r e s e a r c ht h e g r a i ng r o w t h a n di n h e r i t a n c em e c h a n i s m a c c o r d i n g t ot h e m e t a l l o g r a p h yp i c t u r e s t h ee x p e r i m e n t r e s u l ts h o w st h a ta u s t e n i t e r e c r y s t a l l i z a t i o n jso n eo ft h ee f f e c t i v em e t h o d st oe i m i n a t es t r u c t u r e i n h e r i t a n c ea n dd i f f e r e n tc a le f a c t i o na n dc o o l i n gm e t h o dc a dr e f i n eg r ajns i z e 1 i a b s t r a c t t od if f e r e n td e g r e e f i n a l l y ，b a s e do nt h ee x p e r i m e n td a t ab e i n gs y s t e m i c a l l ya n a l y s e da n d t h em a t hm o d e lo fg r a i ng r o w t hb e i n gb u i i t ，t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sw i l lb ea u s e f u lc o n t r i b u t i o nt ot h es i m u l a t i o no fg r a i ng r o w t h ( c o n s i d e r i n gt h eg r a i n i n h e r i t a n c e ) k e yw o r d st e m p e r a t u r ef i e l d s i m u l a t i o ns t r u c t u r ei n h e r i t a n c e g r a i ns i z ec o m p u t e rs i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得扭越型堂盟峦瞳或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堑l 撼科堂监究暄有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 扭越型堂盟巍暄可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：年月同 导师签名 签字日期溯伊毋月夕日 符号清单 a k f a t t o5 一 0【 m b a c a c 3 符号清单 冲击韧性 脆性转变温度 奥氏体 铁素体 马氏体 贝氏体 珠光体实际开始转变为奥氏体的温度 到y 铁转变的平衡临界点 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 大锻件产品是冶余能源、交通和化工等重大装备上的关键性零部件，比如轧钢 设备中的支承辊、发电机转子及核能发电设备的反应堆压力壳等。气轮机转子作为 电站设备中最为重要的零部件，其质量直接影响到发电设各的运行安全。在现行制 造工艺中其几何尺寸由钢锭锻造后，经机械加工保证，而其各项机械性能及显微组 织等技术条件则要通过热处理来实现i i 。大锻件特别是某些大型气轮机转子，由于 其所用材料及生产过程的特殊性，极易产生混晶缺陷。混晶是指工件内存在超标的 晶粒度不均匀性。一般有两种情况，一种是在整个锻件内，宏观上不同区域晶粒度 差别过大。这种混晶多是由于不同位置的温度、变形或初始晶粒度不同所造成的。 第二种是在一个宏观很小的视场里，大晶粒与小晶粒尺寸差别过大。这与变形量不 够，动念再结晶过程没有完成有关1 2 i 。严重的混晶缺陷将导致锻件的屈服强度下降， 冲击韧性( ak ) 降低，脆性转变温度( e a t t ) 上升，这给工件的运转带来了严重 隐患。 如何在低成本前提下彻底消除大型锻件中的混晶现象，提高这类零件的性能， 仍然是国内重机行业亟待解决的问题之- - 1 引。 在钢正火零件组织与性能关系的研究中，晶粒度作为一种组织微观形态，扮演 着重要角色，在大锻件及其制品的组织与性能关系中更是如此，但是由于大锻件热 加：】：( 冶炼、铸锭、锻造，热处理) 过程的工艺特点和传统实验方法的局限性( 无 法在实际零件上取样等) ，使得这类零件中晶粒度的演化过程研究困难重重，尚未 明确混晶形成机理，也无法提供可以指导生产实践中消除混晶现象的理论依据。 国际上较早开展这方面研究，我国也于2 0 世纪8 0 年代开始进行了研究。通过 总结二十多年研究过程的经验和教训，应该确定新的研究思路：即把大锻件制品的 组织演化过程放到这类零件的整个热加工过程中去研究，而不是仅仅在热处理的 个工艺过程中。 1 2 课题背景 本课题源自国家9 7 3 项目国家重点基础研究发展规划材料先进制各、 第一章绪论 成形与加工的科学基础中热处理部分的研究内容，即大锻件热处理过程中晶粒 度变化的研究。 技术背景：第一重机厂大型气轮机转子需要2 3 次正火才能使转子锻件在现行 锻造工艺条件下的晶粒度达到技术要求( 最大晶粒度差别不超过2 级) 。如果正火 次数不够，锻件心部将出现混晶缺陷( 最大晶粒度差别可达4 级左右) 。这种热处 理工艺过程导致转子的制造周期长、生产成本高。此项目对热处理研究的要求是在 消除混晶缺陷，保证转子质量的前提下，尽可能减少正火次数。经过对已有的研究 结果分析认为：转子的混晶缺陷应考虑通过转子整个热加工过程( 特别是锻造和热 处理) 加以控制和消除，从而确立了热处理部分研究工作内容。 研究目标：1 、通过实验研究给出现行正火工艺所允许的锻件最大晶粒度。换 言之，热处理研究工作要回答这样一个问题：热处理前锻件晶粒度在多大范围时， 使用现行f 火工艺，一次正火就可以使锻件晶粒度满足技术要求。2 、通过改变热 处理工艺参数得到晶粒度变化规律从而开发更合理的热处理生产工艺。3 、总结相 关试验结果和数据，为考虑遗传因索的晶粒生长物理模型的建立积累信息。 要达到试验研究目的，就需要在理论方面对组织遗传的机理及消除方法做全面 的了解。 1 3 文献综述之关于组织遗传 1 3 1 大型锻件的热处理 大型锻件通常指需用1 0 0 0 t 或更大吨位水压机生产的锻件。它们大多是国民经 济与国防建设所必须的各种大型设备的主要基础零件，如：大型气轮机的转子( 如 图1 1 一重气轮机转子形状尺寸示意图 f i g 1 1d i m e n s i o n o f t u r b i n e l o w p r e s s u r e r o t o r - 2 - 第一章绪论 图1 1 所示) ，大型火炮的身管等。这些锻件都是由钢锭直接锻造而成的，因而在 热处理过程中必须考虑冶炼、铸锭、锻造等过程对锻件内部质量的影响，主要影响 因素是： 1 ) 化学成分不均匀与多种冶金缺陷的存在。 2 ) 晶粒粗大且很不均匀。 3 ) 较多的气体与夹杂物。 4 ) 较大的锻造应力和热处理应力。 一般说来，锻件的尺寸和重量愈大，钢中的合金成分含量愈高，这些问题就愈 严重n 1 3 2 组织遗传现象及解释 钢中组织遗传现象是指原始为非平衡组织( 马氏体、贝氏体、魏氏组织等) 在 一定加热条件下，所形成新的奥氏体晶粒继承和恢复原始粗大晶粒的现象。例如， 生产中遇到许多台金钢可能因铸、锻、焊或热处理不当引起的过热粗大品粒，再次 采用常规正火或退火工艺，不一定能达到细化晶粒的目的，即再次加热到a c 3 后所 得到的组织仍是粗大的，出现组织遗传现象例。目前对钢中出现的组织遗传现象已 有一定的了解，可解释工业生产中出现的一些现象。组织遗传性首先与钢的原始组 织有关”1 。同一钢种的贝氏体组织较马氏体组织更倾向于组织的遗传。原始为魏氏 组织的钢在再次加热时也容易出现组织遗传性。原始为珠光体类组织的钢中一般不 会发生组织遗传现象，只有在m n l 3 钢的加热过程中发现珠光体组织也会恢复原始 晶粒因此组织遗传性对原始为非平衡组织的合金钢是一个较普遍的现象。 莎多夫斯基在钢的组织遗传性中谈到了快速加热时的组织遗传性，慢速加 热时的组织遗传性，断口遗传性和奥氏体的白发再结晶，奠定了遗传学说的基础。 ( 1 ) 快速加热时的组织遗传性 快速加热时的a y 转变不可能完全相同于冷却时的y o 转变。加热时马氏 体中碳原子容易发生扩散，马氏体在一定程度上进行分解，当加热超过临界点，奥 氏体优先在晶界上和马氏体束界或束问形核，然后沿马氏体束的方向按k s 关系形 成针状奥氏体，它们相互合并结果组成奥氏体晶粒，此时碳原子又重新溶入奥氏体 中。所以，快速加热时，奥氏体是以扩散型结晶有序的切变机理形成的i ”。 3 - 第一章绪论 快速加热时新形成的奥氏体晶粒不仅按 大小和形状，而且按晶粒位向得到恢复。图 1 2 所示1 8 c r n i w a 钢的原始奥氏体位向( 根 据残留奥氏体的衍射斑点) 和经快速加热后 同一位置的马氏体位向，试验证明，它们是 相吻合的。这点证明了，快速加热时a v 相变是按k - s 关系进行的，即( 1 1 0 ) 。 ( 1 1 1 ) 。， 1 1 1 。 1 l o ，。 晶界上细小球状奥氏体的出现是与加 热速度有关的。降低加热速度，促使扩散型 相变发生，而晶界有利于奥氏体核心的产 生。因此，优先在晶界上形核，并长大成为 j 仁 、 j 一 心钞一 图1 21 8 c r n i w a 钢的奥氏体 f i g 1 2 a u s t e n i t eo f18 c r n i w as t e e 细小球状奥氏体，它与原始相不存在严格的位向关系。与此同时，晶粒内部原子来 不及扩散、转变，当温度再升高又以结晶有序机理进行a y 相变，其结果是形成 晶界上细小球状奥氏体晶粒和晶内恢复原始组织，出现部分组织遗传现象。 这一点与钢在冷却过程中，当冷却速度略小于临界冷却速度的情况有某些相 似。冷却时，首先沿晶界析出屈氏体网状组织，而晶粒内部保留过冷奥氏体。冷却 到m s 点后形成马氏体，即获得沿晶界是扩散型相变产物一屈氏体，晶内是无扩散 相变一马氏体。 在这一点上，冷却和加热的速度对相变的影响是相似的，但它们之间存在着本 质的差别。冷却过程奥氏体分解时，冷却速度和过冷奥氏体转变曲线直接影响转变 机理。而在研究加热速度与预先淬火未经回火钢的奥氏体形成关系时，钢的原始组 织是随加热温度和速度变化的。因此，回火程度( 它与加热速度有关) 将对奥氏体 形成机理起一定的作用。回火的作用是产生附加的铁素体一渗碳体相界面及破坏马 氏体的共格性，这样增加了扩散型转变的晶核数量，在某一速度加热淬火时，就可 能观察到晶界上进行扩散型转变，而晶内无扩散转变形成奥氏体。所以，加热速度 降低时，回火程度增加，促使扩散转变为球状、且与母相无位向关系的奥氏体。相 反，增加加热速度，回火程度减弱，在奥氏体形成时原始马氏体中碳原予来不及进 行较长距离的扩散，而以切变机理形成奥氏体，组织遗传效应也随之增加。 淬火钢快速加热时，残留奥氏体来不及分解，加热形成新的奥氏体过程中，它 4 第一章绪论 作为现存的核心，当然有利于按结晶位向恢复原始晶粒。但是，组织遗传现象可以 在没有残留奥氏体和马氏体组织的钢，在n y 转变时，组织遗传现象的出现取决 于a 相的性质，而与a y 转变时是否存在残留奥氏体无关。残留奥氏体的存在对 n y 转变开始时的奥氏体结晶学位向和转变动力学会发生一定的影响。 ( 2 ) 慢速加热时的组织遗传性 若将3 5 c r m n s i 钢淬火试样再次以2 。c m i n 慢速加热到a c 3 后，金相组织中不 会出现原始粗大晶粒，而且粗大晶粒也是按大小、形状和位向得到遗传。 这一点对于一些大型合金钢零件具有很大的意义，因为这些零件的淬火加热速 度是较慢的，从6 0 0 。c 加热4 小时到8 6 0 。c ( 此时加热速度为l 。c m i n ) 是属正常的 加热速度。如果出于前道铸、锻、焊等不当，而形成粗大的非平衡组织，在h 述加 热条件下会出现组织遗传，使锶的性能变坏。 原始为马氏体组织的钢，在慢速加热时出现组织遗传现象的原因是：慢速加热 时，钢中原子进行较充分扩散，碳和部分合金元素扩散到原先马氏体条间和束间， 它们与位错发生相互作用，巩固了原先马氏体板条的结晶学位向，使其不发生再结 晶；当加热超过临界温度后，奥氏体在板条间产生，因其受板条边界的限制而成为 条状奥氏体，它的纵轴平行于原先马氏体板条。显然，在同一束马氏体中形成的条 状奥氏体具有相同的位向，然后长大、相互台并比重新结晶出新的位向不同的奥氏 体晶粒所需的能量有利的多。这样，慢速加热超过a c 3 后，又发现原始晶粒按大小、 形状和位向得到了遗传。而且加热速度增加时，可观察到在晶界上形成球状奥氏体， 而晶内可能形成条状奥氏体，即出现部分组织遗传现象。若加热速度再增大时，形 成条状奥氏体的倾向性降低，在晶界上和晶内均产生球状奥氏体，它们与原始组织 不存在结晶学位向关系。因此，球状奥氏体的产生将破坏组织遗传。 ( 3 ) 断口遗传性 原始粗大非平衡组织的钢，再次以中速( 相当于盐浴加热速度) 加热到a c 3 后， 奥氏体晶粒明显细化。由此可见，奥氏体晶粒大小有时并不完全取决于最终加热速 度，而取决于达到此温度的方法，此时双相区的加热速度将起很重要的作用。 在中速加热后奥氏体晶粒明显细化，但它的断口可能仍是拳且大的，出现断口遗 传现象，我们曾经研究了几种合会结构钢，发现以1 0 0 - 2 0 0 c m i n 加热到a c 。后， 第一章绪论 晶粒明显细化( 从原始粗大1 级晶粒度细化到6 8 级) ，但金相组织中均可找到原 始粗大晶界的痕迹，断口仍是粗大的，显微组织中晶粒与断口粗细出现明显不一致 i s l 。 文献 1 4 1 认为，断口中出现的遗传现象不仅与晶界有关，而且更主要的是与晶 粒内部的某些组织特征有关，是个纯组织现象。实验测得，某些钢中细小晶粒具 有相同的结晶学位向，也就是说，断口遗传的原因是晶内织构。 ( 4 ) 奥氏体的自发再结晶 通常认为，加热过程中形成奥氏体后，随着加热温度升高或保温时间的延长， 都会使奥氏体晶粒细化、长大。但是，许多试验结果并不符合上述概念。发现已形 成的原始粗大奥氏体晶粒，在一定加热条件下，高于某一温度后，粑大晶粒由新的、 细小的、位向不同的晶粒所取代。这一现象发生在奥氏体单相区内，称为奥氏体自 发再结晶。而且，奥氏体晶粒尺寸越小，静态再结晶临界温度越低1 8 i 。 由于奥氏体晶粒细化是发生在奥氏体单相区内，不存在相变过程，因此可以设 想，此时的晶粒细化是奥氏体发生了再结晶的结果。奥氏体自发再结晶的驱动力是 相硬化或( 成为) 内硬化。加热时原始马氏体的结构缺陷遗传给了新形成的奥氏体， 此外，加热时0 一y 转变所引起的体积变化( 组织应力) 和热应力，使钢得到了内 硬化，然后，与冷塑性变形( 又可相应称为外硬化) 所引起的再结晶一样，内应化 的奥氏体在一定温度下也会发生再结晶。再结晶后的起始奥氏体是细小的，而且往 往不存在相同的位向，但随加热温度升高或保温时间延长，已经再结晶了的奥氏体 晶粒会发生聚集再结晶而长大。 因此，加热时相变重结晶分两步进行：开始时发生相变形成奥氏体，但是由于 按结晶有序机理进j 二转变，其结果是恢复原始晶粒；继后，继续提高加热温度，从 组织观点来看，按结晶有序机理形成的奥氏体是不稳定的，由于相硬化引起了奥氏 体的再结晶，晶粒相应发生了细化。 - 6 第一章绪论 通常可将所有同素异构转变的金属及其合金划分为两大类：第一类合金在加热 时相变和组织再结晶不是同 时发生的，再结晶的温度高于 相变温度，它们之间存在一个 温度区域。加热高于相变温度 后，发生了n y 相变，但是 形成的奥氏体按大小、形状和 位向都恢复原始的晶粒，组织 遗传现象明显的表现出来。只 有加热到比相变温度的某一 奥氏体自发再结晶温度后，组 织发生再结晶而细化。因此， 在奥氏体单相内存在一个保 留组织遗传性的温度范围( 图 1 3 ) 。属于此类的有原始位非 平衡组织的钢、f e n i 、f e m n 合金、钛合会等。第二类的金 f 墨 时间 图13 原始为非平衡组织钢在不同加热温度后 的组织变化示意图 f i 9 1 3s t r u c t u r et r a n s f o r m a t i o ni l l u s t r a t i o no f i m b a l a n c es t r u c t u r es t e e la td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e 属和合金中的相变和组织重结晶是同时发生。属于这一类的有纯会属( 铁、钛) 、 原始组织为扩散机理形成的平衡组织、经塑性变形的钢和合金。对于这一类合金， 在再次加热过程中不会出现组织遗传现象，奥氏体形成过程按习惯概念进行，用正 火、退火可达到细化奥氏体晶粒的目的。 1 3 3 2 6 c r 2 n i 4 m o g 钢的组织遗传及解释 本课题所用钢2 6 c r 2 n i 4 m o v ( 成分见表3 1 ) 主要用于制造单机容量2 0 0 m w 以上大型发电机转子。这种钢淬透性高，强韧性好，冷热加工工艺性也很好【9 i 。但 是，有时会出现经多次正火也不能使其晶粒细化，仍为原粗大晶粒的现象，即所谓 的组织遗传。组织遗传是非平衡组织( m 、b 等) 缓慢加热至a c l 附近出现与母相 保持k s 关系的针形奥氏体的结果1 0 i 。由于具有强烈的组织遗传，在锻造过程中产 生的粗大奥氏体晶粒难以细化，导致钢的冲击韧度明显降低5 0 年nf a t t 大大升高 l ，并使锻件在超声探伤时声波信号迅速衰减，以至无法对转子内部质量做出判断。 - 7 - 第一章绪论 传统工艺采用多次高温正火细化该钢的奥氏体晶粒，不但生产周期长，而且细化效 果不佳。其理论基础是钢的不平衡组织加热至高温时的相变硬化再结晶1 2 1 和不平衡 组织加热穿过临界区时沿粗大奥氏体晶界生成球形奥氏体。 马氏体组织加热时随着两种不同奥氏体化过程的发展程度，在完全奥氏体化后 导致了不同程度的奥氏体晶粒遗传1 1 3 1 。 从马氏体在不同温度等温加热的奥氏体化过程，可以清楚的看到片状奥氏体在 接近a c 。时形成，随着温度升高连成一大片，与铁索体相间呈层状组织，而在a c l 以上3 0 。c 出现球状奥氏体。如果在球状奥氏体出现温度以下长时间保温，促使片状 奥氏体充分发展，则在继续升温过程中即将球状奥氏体的形成完全抑制，片状奥氏 体通过侧向长大耗尽相间的铁索体，连成一片，而恢复原始原始奥氏体晶粒的形状 及大小，即产生组织遗传1 1 4 l 。 在6 9 0 - 7 3 0 。c 温度区间，温度升高，保温时间增长，遗传程度加剧；7 3 0 7 5 0 保温，随着球状奥氏体的形成，完全奥氏体化后晶粒遗传程度随温度升高而减弱， 7 5 0 。c 以上即不出现遗传。这一切都表明，晶粒遗传程度随片状奥氏体的形成和发 展而加剧，随球状奥氏体的形成和发展而减弱。 由此可以看到晶粒遗传的条件是： ( 1 ) 加热前的组织为奥氏体的有 序转变产物( 马氏体或贝氏体) ，具有 保留原始奥氏体晶粒取向的能力。 ( 2 ) 加热至奥氏体形成温度时， 铁素体不发生再结晶，保持晶粒位向。 ( 3 ) 片状奥氏体得到充分发展。 也只有这样，才能在经过一次相 变循环之后，原始奥氏体晶粒的形态、 尺寸完全保持不变，如图1 4 所示。 据此可以解释生产中 2 6 c r 2 n i 4 m o v 钢大锻件晶粒难以细化 的原因。2 6 c r 2 n i 4 m o v 钢中含有较高的 合金元素，镍全部固溶在铁素体中， 图】4 品粒遗传产生条件的示意图 f i g 1 4r e a s o no f g r a i ni n h e r i t a n c e 铬、铂、钒多与碳形成碳化物，以弥散质点分布在铁素体基体上，强化了铁素体 - 8 3 1 ( 掀 b 第一章绪论 也提高铁索体的再结晶温度，而高的镍含量又使临界点降低，这就使得奥氏体化前 铁素体不易发生再结晶，而提高保持原始晶粒位向的能力。另外，大锻件的加热速 度受截面尺寸的限制，只能缓慢升温，即使是热装炉，也不会超过5 0 。c h ，这为 片状奥氏体充分发展提供了条件，故使得2 6 c r 2 n i 4 m o v 钢大锻件具有强烈的遗传倾 向，即晶粒难以细化| 1 6 1 。 1 4 文献综述之关于晶粒长大的计算机模拟 1 4 1 计算机模拟晶粒生长的概况 以前关于晶粒生长的研究主要是集中在理论和试验的两个方面，但是计算机模 拟作为现代科学研究的方法，己成为除了试验和理论外的第三种研究手段，有其不 可比拟的优越性，而且其重要性和可行性亦在与日俱增i ”l 。不仅有助于基本了解材 料微观结构的发展，还有助于预测未来材料设计的重要方向。例如：探索材料的组 分、栩料加工工艺等对材料性能的影响，从而完成材料的设计剐。 对于本课题来讲，在实验的基础上找到所求的晶粒度并运用计算机模拟及相关 软件研究、推测晶粒遗传和长大的规律将对实际生产产生积极的作用。 计算机模拟晶粒生长是一个复杂的过程，难度较大。晶体结构的演化不仅涉及 晶粒的结晶学取向、晶界相互作用、边界运动等因素的机理，也涉及空间填补的拓 扑几何机理，因此长时间以来，在这方面虽有不少研究方法和思路出现，但目前尚 无一个可能的全概括分析方法。近年来，计算机模拟晶粒生长的方法和思路越来越 多，所用的模型及模拟方法大体可分三种：一种是m o n t ec a r l o 方法，或改进的 m o n t ec a r l o 方法，以i s i n g 、q s t a t ep o t t s 等模型为基础。该方法将多晶材料分为小 的体积单元，每个体积单元与取向数字相对应，当作一个小单晶，在两个小单晶间 赋予能量，通过使系统总能量最小化来完成结构演化模拟；另一种是使用连续扩散 界面场模型：还有采用其它模型，如l a g u e r r e 模型，将细胞状的晶粒结构看作 l a g u e r r e 棋盘形布局来处理。但最好的方法仍是m c 法。在过去的几十年罩，主要 应用计算机模拟技术定性的理解晶粒生长过程，尤其是运用m c 技术模拟等温条件 下二维和三维的晶粒长大过程，并且从中获取从解析方程中难以得到的晶粒生长的 拓扑学信息。各研究者采用的模型不同或不尽相同，亦得到较好的显微结构，但基 于这些模型下的模拟工作都需在大、巨型计算机上才能进行。电子科大的陈伟元， - 9 - 第一章绪论 钟晓征等在m o n t ec a r l o 方法基础上，通过对q s t a t ep o t t s 算法进行改进，提出一 种快速的m c 方法算法，在p c 机上实现了正常晶粒生长演化过程的计算机模拟。 在模拟时，晶粒由格点组成，每个格点对应于计算机屏幕上的一个像素点。而以前 的研究多采用小三角形单元来描绘体积单元，使晶界呈现严重不光滑现象。而这种 方法则可较精确地模拟晶界形状，得到的显微图形逼真度较好0 1 9 i 。 1 4 2 晶粒生长模型 通常，晶粒生长现象分为两种不同类型：j 下常晶粒生长和异常晶粒生长( 也称 重结晶) 。正常晶粒生长表现为晶粒尺寸的一致增长，特点是归一化晶粒尺寸f f r r ) 和拓扑分布函数v ( n e ) 不随时间而改变。其中，r 是晶粒半径，只是平均晶粒 半径，n e 是晶粒边数，此时生长有如下规律： 或 r = k t “ r 一r 尚1 = b t ( 2 ) 其中，t 为时间，k 、b 为常数，生长指数n ( 为初始时晶粒半径) ，式( 1 ) 、( 2 ) 是等效的且m = l n 。 异常晶粒生长是指在重结晶的显微结构中，一些晶粒的尺寸迅速增加，最大尺 寸的晶粒以比算术平均速率大得多的速率增长。生长描述为 x = l - e x p 吨( t ) 其中，x 为二次重取向晶粒的面积分数，g ( t ) n 与时间有关的函数。 即修f 方程： x = l - b e x p - a t 9 ( 3 ) 通常g ( t ) = a t 9 其中，b 、p 为常数，巳知目前大部分实测值p 为1 8 - t - 0 3 。 一般认为晶粒生长变化的直接原因是驱动力的改变。晶粒生长的驱动力主要来 自总的晶界能的减少。但由于生长的复杂性，迁移率、表面能、以及薄膜和片材中 的曲率、应力等因素也将引起附加驱动力，从而引起晶粒异常生长。 - 1 0 - 第一章绪论 1 4 3m c 方法的基本原理及思想 m c 方法属于实验数学的分支。它是根据待求问题的变化规律，人为地构造出 一个合适的概率模型，依照该模型进行大量的统计试验，它的某些统计参量，正好 是待求问题的解。这种计算方法通过计算机很容易实现。 m c 方法的基本思想是：当所要求解的问题是某种事件出现的概率，或者是某 个随机变量的期望值时，它们可以通过某种“试验”的方法，得到这种事件出现的 频率，或者这个随机变数的平均值，并用它们作为问题的解。m c 方法通过抓住事 物运动的几何数量和几何特怔，利用数学方法来加以模拟，即进行一种数字模拟试 验。它是以一个概率模型为基础，按照这个模型所描绘的过程，将模拟试验的结果 作为问题的近似解。可以把m c 解题归结为3 个主要步骤：构造或描述概率过程： 实现从已知概率分布抽样；建立各种估计量。 m c 法没有分子动力学中的迭代问题，也没有数值不稳定的情况，收敛性可以 得到保证，即在n 一一( n 为粒子数) 时，收敛到解，但是否收敛到解要由所取模 型的正确性决定。m c 法的收敛速度与问题的维数无关，这是它的优点，它的另一 个优点是其误差容易确定。而且，m c 法的计算量没有分子动力学那样大，所需机 时少。 1 4 4 基于m o n t ec a r l o 的模拟方法 如果将晶粒假设为球形，忽略相邻晶粒共享公共边界而导致显微结构是拓扑相 连的这一事实，有可能出现一些赝相1 2 0 i 。 考虑到晶界拓扑的复杂性，将显微结构绘制成分立的小体积单元( 可采用三角、 图15 三角品格结构 f i g1 5t r i a n g l ec r y s t a ll a t t i c es t r u c t u r e 0o 一 。00 一 图1 6 晶粒合并图例 f i g1 6g r a i n sc o a l i t i o ni l l u s t r a t i o n 第一章绪论 立方、六角晶格或像素点) ，如图1 5 所示。每个小体积单元包含若干个晶格，一个 格点对应计算机屏幕上的一个像素点。在每个小体积单元上分配一个1 - q 的数字， 该数字与所嵌入的晶粒取向对应。同一小体积单元内的所有格点具有相同的取向数 字( 编号) 。晶粒的实际取向是无限的，但在计算机仿真时只能取有限的数字q ， 晶粒取向q 的选取要足够大，但也不宜过大，这样既保证具有相同取向的晶粒很少 碰撞；又使计算机运行时间在可接受范围内1 2 1 1 。在该模型中，晶界定义为具有不同 取向的两个小体积单元的公共边，具有相同取向数字的两个小体积单元聚集时，晶 界消失，合为一个单晶；具有不同取向数字的两个体积单元聚集时，形成晶界，如 图1 6 所示。 晶界能由最近邻小体积单元的相互作用来表示： e = 一( 瓯。一1 ) ( 5 ) u 其中，s ，是小体积单元i 上q 个取向中的一个，s j 小体积单元i 的最近邻小体积单元 的取向数字，d 。为k r o n e e k e r 函数，n 为小体积单元数。 由式( 5 ) 可见，求和包括所有最近邻小体积单元，只有最近邻小体积单元才对试 验点的局部能量有贡献。 模拟晶粒生长的过程如下： a 随机选取一个试验格点； b 该格点的一个新的试验取向在其余q 1 种可能取向中任选其一； c 计算可能改变取向有关的能量a e ； d 通过计算改变几率w ，判断取向改变是否可以实现 w = le x p ( & e k e t )= ( 6 ) ii“0 、7 式中，k b 为b o l t z m m a 常数，t 为转变温度。 即若a e o ，则认为改变取向是允许的；若e 0 ，则取向概率为e x p ( 一a e k b t ) 此时，在 0 ，1 间产生一个均匀分布的随机数r l ，若e x p ( 一a e k b t ) n ， 则改变取向允许，否则不允许，即只有使体系能量减少的转变才1 是允许的。 经试验，发现这种基于m o n t ec a r l o 的模拟方法计算量相当大，需要在大、巨 型计算机上爿+ 能得到较好的结果i ”i 。 一1 2 第一章绪论 1 4 5q s t a t ep o t t s 算法及其改进 q s t a t ep o t t s 算法的实现过程如下： a 随机选取晶格中的一个格点，计算所选取格点的六个最近邻格点中和所选取 格点具有相同取向数字的格点数目n u m b e r1 ； b 将这个选定格点的取向数字随机地变为卜q 中的一个数，再计算与这个新取 向数字相同的近邻格点数n u m b e r2 ； c 如果n u m b e r 2 n u m b e r l ，则保留新的取向；否则，恢复原来的取向数字； 随机选取另一个格点，重复以上步骤。 q s t a t ep o t t s 算法固然能简化能量的计算量，但在随机格点的选取上，仍要浪费 大量的计算机时间。如果随机选取的格点落在晶体内部，该格点生长的概率几乎为 零，只有随机格点落在晶体的边界处才可能生长。而晶体的边界在所研究的区域中 所占面积很小，大部分都是晶体内部，计算时间都浪费在随机格点的选取上，程序 运行的效率并不比m o n t ec a r l o 方法的高。事实上晶粒取向数字变成所有可能的取 向数字q 中的一个概率极低，其改变只会发生在晶体的边界。因此，对q s t a t ep o t t s 算法作如下的改进：晶粒取向数字发生变化的区域为晶粒的边界，同时取向数字变 为最临近格点的取向数字中的一个。从本质上讲，这个过程认为近邻格点比远邻格 点具有更低的能量，并假设远邻格点具有相同的能量。基于这种算法的程序能够节 省大量的计算时间在p c 5 8 6 上就可实现晶体生长模拟。 1 4 6 关于模糊数学和神经网络 7 0 年代后期，以s e l l a r s 为代表的研究工作者，在物理冶金基础上，建立了热 念塑性加工过程中显微组织与热力参数之间的关系，为利用有限元数值模拟结果预 测塑性加工产品的显微组织提供了媒介。但是，在原材料冶金质量一定的条件下， 变形高温合金锻件的晶粒度是锻造热力参数综合作用的结果，因此，变形高温合金 锻件的显微组织与锻造热力参数之间的关系属于外延不明确的模糊概念，不能用一 般数学方法建两者之间的定量关系0 2 3 i 。 在z a d e h 提出的模糊集合概念基础上形成的模糊数学，将经典集合中的绝对隶 属关系灵活化或模糊化使元素对集合的隶属程度不再局限于取o 或l ，而是可以 取单位区间 0 ，1 中的任意值，因而可以定量描述模糊概念i “i 。 人工神经网络是在研究生物神经系统的启示下发展起来的一种信息处理方法， 13 ， 第一章绪论 内容涉及生物、电子、信息、计算机、数学和物理学等学科。人工神经网络不需要 事先设计任何数学模型，它借助于被研究对象过去己积累的信息，通过网络模型的 自身学习，获取信息中隐含的知识，从而建立起相应的数学模型。该模型可处理模 糊的，非线性的，含有噪声的数据。人工神经网络的自适应性和自组织性使它具有 很强的学习能力，它的并行处理机制使它具有满足实时性要求的潜能，它的分布存 储方式具有良好的鲁棒性和容错性。人工神经网络己用来预测钢的等温转变曲线， 连续冷却转变曲线，m s 点和淬透性曲线等，其在热处理领域中的作用和地位也越 来越受到重视0 2 5 1 。 目前热处理正在向实现精确控制的方向发展，逐渐摆脱主要凭经验进行生产的 落后局面，这需要对钢的相变规律有更深入的了解、热处理相变过程的影响因素复 杂，具有多种非线性因素交互作用的特点，人工神经网络无疑提供了+ 种较好的信 息处理方法，人工神经网络作为专家系统的知识获取方式之一也具有独特的优越 性。国内对人工神经网络在热处理中的应用研究不多，有必要针对国内钢材的具体 特点，加强这方面的研究工作【2 6 l 。 1 5 国内外的研究现状 1 5 1 关于大锻件热处理 国内研究大型锻件锻后热处理工艺的单位主要集中在一些大型重型机械厂和 老牌工科院校i ”1 。中国第一重型机械厂和燕山大学( 原东北重型机械学院) 在锻后 正火工艺及组织遗传方面做了很多工作1 2 引。其中浙江大学的牟军与燕大的康大韬合 作比较了较为可行的六种细化晶粒方案( 三次高温正火工艺、奥氏体相变硬化再结 晶法、退火成珠光体法、中速加热工艺、临界区高温侧正火、多次高温回火工艺) 得出几点有益的结论：多次回火处理减少残余奥氏体和c i 组织有序性，有利于消 除大锻件中的组织遗传。临界区高温侧正火，促进粒状奥氏体发展和a 组织回复 再结晶，又减少残余奥氏体量，可以很好的细化大锻件中的粗晶组织。三次高温 正火工艺也可较好的切断大锻件中的组织遗传。中速加热工艺和奥氏体再结晶法 难以消除大锻件中的组织遗传，退火法不适宜用于细化2 6 c r 2 n i 4 m o v 钢中的粗大晶 粒。燕i f 大学的崔占全教授从改变加热方式入手，研究晶粒度与加热次数和加热温 度的关系，获得很多有价值的实验数据。 1 4 第一章绪论 国外几十年来则主要侧重在热处理工艺的研究，研究目的主要为生产服务，改 善转子机械性能、细化晶粒。这其中主要有以下几个方面： ( 1 ) 锻后热处理工艺形式 法国1 9 6 5 年报导直径1 5 9 0 m m 的6 0 0 m w 转子锻件的锻后热处理工艺如图1 7 所示f 2 9 l 。日本制钢所1 9 7 2 年报导直径1 8 0 0 m m 转子锻后热处理如图1 8 所示，直径 2 7 0 0 r