（材料加工工程专业论文）mn18cr18n护环钢多火次热变形微观组织演变的研究.pdf

中文摘要 中文摘要 m n l 8 c r l 8 n 钢是3 0 0 m w 以上大型发电机护环使用的唯一钢种。随着我国经济的 发展，护环作为电力基础件，市场需求量大，内在质量要求也越来越高。而我国护环热 成形是多火次加热、多工序变形过程，可控性较差、锻件表面裂纹严重、晶粒粗大且不 均匀，热锻技术严重不适应当前的发展要求。然而，国内以往的研究中的模型及方法过 于单一，具体为对护环钢的再结晶和塑性等材料重要行为，只限于单火次的研究。因此， 将多火次锻造联系起来综合分析m n l 8 c r l 8 n 护环钢微观组织演变规律具有重要的意 义。 本文借助热模拟实验建立护环材料多火次组织演变模型，将此模型导入d e f o r m - 3 d 有限元软件，研究了m n l 8 c r l 8 n 护环钢多火次热变形微观组织演变规律，并进行了相 同条件的锻造试样验证。主要研究内容及结论有： ( 1 ) 在箱式炉中进行晶粒长大实验研究再加热条件对m n l 8 c r l 8 n 护环钢晶粒长大的 影响，确定了控制晶粒长大的最佳再加热温度，建立m n l 8 c r l 8 n 护环钢晶粒长大模型。 ( 2 ) 在g l e e b l e 1 5 0 0 d 热模拟机上进行单道次及双道次实验研究了不同变形条件对 m n l 8 c r l 8 n 护环钢流变应力的影响，建立了塑性本构关系及动态、静态和亚动态再结 晶模型。利用双曲本构方程和动态材料模型构建了m n l 8 c r l 8 n 护环钢热加工功率耗散 图。由功率耗散图结合动态金相组织图可以得出r lj 大于等于0 2 时，获得细匀化的完 全动态再结晶组织。 ( 3 ) 对小试样进行多火次镦粗试验，分别在1 0 5 0 c 进行一火、两火、三火镦粗试验， 每火变形2 0 。研究再加热火次及反复变形对m n l 8 c r l 8 n 护环钢微观组织的影响。结 果表明：随着火次的增加，难变形区粗大的初始组织区域减小；二火次变形固溶处理后 晶粒尺寸大部分细匀化到6 0l am ，细化效果明显；三火次变形固溶处理后晶粒尺寸在二 火的基础上进一步细匀化，但细化程度不大，难变形区平均晶粒尺寸细化到9 0pm 。 ( 4 ) 采用d e f o r m - 3 d 进行m n l 8 c r l 8 n 护环钢多火次微观组织模拟，并与镦粗试验结 果对比，验证模型的精确度。结果表明试验与数值模拟结果吻合较好，说明本文使用的 微观组织模拟系统能够用于预测m n l 8 c r l 8 n 护环钢多火次热变形微观组织演变规律， 为实际护环生产工艺优化提供理论依据。 关键词：m n l 8 c r l 8 n 护环钢；多火次锻造；微观组织演变 a b s t r a c t a bs t r a c t m n l8 c r l8 ns t e e li st h eo n l ym a t e r i a lu s e di nl a r g eg e n e r a t o rr e t a i n i n gr i n go f m o r et h a n 3 0 0 m w a sc h i n a se c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，r e t a i n i n gr i n gi sab a s i sf o rp o w e r ，t h em a r k e t d e m a n da n di n t e r n a lq u a l i t yr e q u i r e m e n to fw h i c hh a v eb e c o m em o r es o p h i s t i c a t e d t h eh o t f o r m i n gp r o c e s so fr e t a i n i n gr i n gi nc h i n ai sm u l t i h e a t i n ga n dm u l t i - d e f o r m a t i o np r o c e s s ， w h i c hi sl e s sc o n t r o l l a b l e ，l e a dt os e r i o u sf o r g i n gs u r f a c ec r a c k sa n dl a r g eg r a i ns i z e s ot h e h o tf o r g i n gt e c h n o l o g yi ss e r i o u s l yn o tm e e tt h ec u r r e n tr e q u i r e m e n t so ft h ed e v e l o p m e n t h o w e v e r , t h ep r e v i o u ss t u d yo fd o m e s t i cm o d e l si s t o os i n g l e i t ss p e c i f i cf o rt h e r e c r y s t a l l i z a t i o nb e h a v i o ra n dp l a s t i cm a t e r i a l so fs t e e lr e t a i n i n gr i n g ，w h i c hi sl i m i t e dt ot h e s t u d yo fs i n g l e f i r e a sar e s u l t , ac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so fm i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o nd u r i n g m u l t i f i r ef o r g i n go fm n l8 c r l8 ns t e e lr e t a i n i n gr i n gi so fg r e a ts i g n i f i c a n c e t h i sp a p e rh a se s t a b l i s h e dt h ee v o l u t i o nm o d e lb yt h e r m a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s t h e r e c r y s t a l l i z a t i o nm o d e la n dt h eg r a i ng r o w t hm o d e la r ei m p l e m e n t e di n t ot h ef i n i t ee l e m e n t c o d ed e f o r m 3 di no r d e rt oi n v e s t i g a t et h em i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o nd u r i n gm u l t i f i r ef o r g i n g o fm n l8 c r l8 nr e t a i n i n gi u n gs t e e l t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h ev e r i f i c a t i o n e x p e r i m e n ti nt h es a m ec o n d i t i o n sa r ep r e s e n t e di nt h i ss t u d y m a j o rr e s e a r c hf i n d i n g sa n d c o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h es t u d y i n go fg r a i ng r o w t hi nd i f f e r e n tr e h e a t i n gc o n d i t i o n si si nt h eb o x t y p e f u r n a c e f r o mt h er e s u l t sw ec a nc o n t r o lt h er e h e a t i n gc o n d i t i o n st od e t e r m i n et h eb e s t r e h e a t i n gt e m p e r a t u r e a l s ot h eg r a i ng r o w t hm o d e l sa r ee s t a b l i s h e d ( 2 ) t h es i n g l e p a s sa n dd o u b l e - p a s se x p e r i m e n ta r ed o n ei ng l e e b l e 一15 0 0 dt h e r m a l s i m u l a t i o nm a c h i n et os t u d yt h ei m p a c to f f l o ws t r e s s t h eh y p e r b o l i cc o n s t i t u t i v em o d e la n d r e c r y s t a l l i z a t i o nm o d e la l ee s t a b l i s h e d t h ec o n s t r u c t i o no fi s o e f f i c i e n c ym a p i sb a s e do nt h e h y p e r b o l i cc o n s t i t u t i v em o d e la n dd y n a m i cm a t e r i a lm o d e l c o m b i n a t i o no fi s o - e f f i c i e n c y m a pa n d m i c r o s t r u c t u r ea n a l y s i s t h er e s u l ts h o w st h em i c r o s t r u c t u r ei ss m a l la n du n i f o r ma s ar e s u l to faf u l l yd y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o nw h e nt h el l ji sg r e a t e rt h a n0 2 ( 3 ) t h eo n e f i r e ，t w o - f i r ea n dt h r e e f i r eu p s e t t i n gt e s ta r ec a r r i e do u tr e s p e c t i v e l yt o s t u d yt h ei m p a c to fc o u p l e dw i t hh e a tt i m e sa n dr e p e a t e dd e f o r m a t i o no nm i c r o s t m c t u r ea t 10 5 0 o fs m a l ls a m p l e t h ed e f o r m a t i o no f e a c hf i r ei s2 0 t h er e s u l t ss h o wt h a t ：w i t h t h ef i r ei n c r e a s e ，t h ed e f o r m a t i o nc u m u l a t i v ei n c r e a s e s ，t h er e g i o nw i t hl a r g eg r a i ns i z e r e d u c e s t h eg r a i ns i z ei sm a j o r i t yo f6 0 p r oo fs e c o n df i r ed e f o r m a t i o na f t e r s o l u t i o n i i i m n l 8 c r l 8 n 护环钢多火次热变形微观组织演变的研究 t r e a t m e n t t h eg r a i ns i z eo fd i f f i c u l tr e g i o no ft h i r df i r ed e f o r m a t i o nr e f i n e dt o9 0 j - t m ( 4 ) t h ec o m p a r i s o nr e s u l t ss h o wt h a tt h er e s u l t so fe x p e r i m e n ta l ei ng o o da g r e e m e n t w i t l lt h es i m u l m i o nr e s u l t s i tv a l i d a t e st h a tt h em i c r o - s i m u l m i o na n a l y s i sp r o g r a mc a nb e u s e df o rp r e d i c t i o no fm i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o ni nm u l t i - f i r ef o r g i n ga n dp r o v i d e sar e f e r e n c e t oo p t i m i z ef o r g i n gp r o c e s s e si nr e t a i n i n gr i n gp r o d u c t i o n k e y w o r d s ：m n l8 c r l8 nr e t a i n i n gi u n gs t e e l ；m u l t i - f i r ef o r g i n g ；m i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o n 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 作者签名： 堑垦兰 日期： 兰婴2 ：笸 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原科技大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件、复印 件与电子版；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存 学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交 流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 作者签名：喜户彰医宴 剔磴氰半l 导师签名：乏：l 丝 日期： 兰! 1 2 笪 日期l 弓脚l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 锻造作为金属塑性成形领域的主要工艺之一被广泛应用于工业生产。锻造的产品 不仅要满足形状方面的要求，而且还要通过材料塑性变形提高产品的综合力学性能。然 而，在热锻过程中发生的微观组织演变，不仅对变形过程本身产生作用，而且在很大程 度上直接决定了产品的宏观力学性能。因而，深入研究热锻过程中微观组织的演变过程 具有重要的理论意义和实用价值。我国传统的研究方法都是采用实验的方法，这种单凭 重复实验的“经验”性方法不仅消耗大量的时间与财力，而且得到的结果往往只是某一 具体产品在特定情况下的工艺与性能的关系，不可能获得工艺过程中变化的全面规律， 更不可能探索更普遍的问题，从而延滞了我国锻造水平的发展。 近二十多年来，随着计算机科学与工程检测技术的迅速发展，物理模拟、数值模 拟以及与模拟技术密切相关的专家系统已经逐渐在材料加工领域得到应用，从而推动材 料学科的研究由“经验 走向“科学 ，由“定性 走向“定量分析。模拟技术的应 用，不仅能预测某特定工艺所能得到的参量的最终结果，而且能显示出工艺过程的变化 情况，使人们对工艺过程的变化规律能有更深的了解，从而可使人们制定工艺不只单凭 经验而是建立在更为科学，更为可靠的基础上，从而大大减少试制的费用和周期。因此， 越来越多的研究者开始结合物理模拟和数值模拟的方法研究热锻过程中锻件微观组织 的演变规律。 1 2 大锻件锻造工艺的特点【1 】 大型锻件由于体形大，单件重，质量要求高，生产技术复杂，生产费用高，所以在 加热，锻压，热处理方面与中小型锻件相比有以下特点： 1 ) 钢锭冶金质量对大锻件质量有重要影响。 大锻件多用钢锭直接锻造，钢锭中的偏析、裂纹、疏松、气泡、非金属夹杂等对锻 造工艺过程和锻件质量有着重要的影响。 2 ) 加热工艺复杂。 大型锻件组织结构复杂，冶金缺陷严重，残余应力大，温度分布不均匀，相变过程 复杂。因此多采用分段加热曲线，充分进行高温扩散，保温热透以防止裂纹及其他缺陷， 提高加热质量。 3 ) 锻压工艺难度大 由于截面尺寸大，变形难以均匀分布，中心缺陷多，难以锻合压实，操作繁重，工 m n l 8 c r l 8 n 护环钢多火次热变形微观组织演变的研究 序多，周期长，连续性强等，因而锻压技术比较复杂。 4 ) 热处理过程复杂。大锻件组织性能不均匀，晶粒粗大，相变过程复杂，结晶潜 热影响大，内应力大，传热困难，温度分布不均匀。扩氢困难，细化匀化晶粒困难，因 此要采用复杂的周期长的热处理工艺。 大锻件是机器制造业的基础，被广泛用作重型机械、能源、冶金、矿山、兵器、航 空航天、石油、化工和交通运输等行业所用关键设备的重要或关键零件。因此，大锻件 生产水平的高低，在一定程度上被视为衡量一个国家工业发展水平的标志。因此，深入 研究大锻件热锻过程中微观组织的演变过程、制定合理的锻造工艺获得优质的大锻件具 有重要的理论意义和实用价值。 1 3 大锻件微观组织研究现状 1 3 1 金属热成形微观组织模拟数学建模的方法 1 3 1 1 随机模型建立 随机性模拟出现于2 0 世纪8 0 年代末期，是指主要采用概率方法来研究晶粒的形核 和长大，包括形核位置的随机分布和晶粒晶向的随机取向。其主要的特点是建立在形核 和枝晶生长的动力学及结晶取向物理机制实现动态显示每个晶粒的具体形态及其生长 演变上，目前随机性模拟方法主要有蒙特卡洛( m o n t e c a r l o ) 法和元胞自动机( c e l l u l a r a u t o m a t a ) 法，应用在金属热变形组织模拟的相应的模型主要是波茨模型和元胞自动机 模型。 1 ) 波茨( p o t t s ) 模型的建立 蒙特卡洛波茨( m cp o t t s ) 模型是一种离散的统计学数值模拟模型，在复杂的微观 模拟方面具有其他模型无法比拟的优势。在波茨模型中，连续的微观组织结构以位图的 形式被映射在一系列的晶格上，每个晶格被随机分配q 个不同数字中的1 个数字。具 有相同数字的相邻晶格形成一个晶粒，具有不同数字的相邻晶格之间的界面形成晶界。 波茨模型采用蒙特卡洛算法( m o n t ec a r l o 算法) 来实现。蒙特卡洛波茨( m cp o t t s ) 模型法由于没有迭代计算，计算量较小，在模拟微观组织演变中得到广泛应用。美国的 r o l l e r 等 2 1 采用m o n t ec a r l o 方法对动态再结晶的微观组织演化进行了模拟；我国中国 科学院的佟铭明等f 3 】也用m c 法对纯铜动态再结晶过程进行了模拟，建立了一种基于能 量判据的确定动态再结晶各个阶段临界应变的方法，计算出了动态再结晶的临界应变 和峰值应变。李萍等【4 】以蒙特卡洛随机模拟方法为基础，通过对原有算法进行改进，对 二维晶粒的演变过程进行了计算机模拟和分形研究，获得了统计等效组织模型。 但是，蒙特卡洛波茨模型法本身存在的不足之处是在处理再结晶形核时，仅仅考虑 2 第一章绪论 了时间变化对组织演化的影响，没有考虑金属形变对材料组织演化的影响。 2 ) 元胞自动机( c a ) 模型的建立 元胞自动机( c e l l u l a ra u t o m a t a ) 是一种时间、空间、状态均离散，空间上的相互 作用及时间上的因果关系皆局部的网格动力学模型f 5 1 。模型中空间被一定形式的网格分 割为许多单元，每一个单元称为元胞，它所具有的物理状态是系统有限数目状态中的一 种。网格中元胞的状态依据一个局域规则进行演化，即任一时间步元胞的状态由其自身 及其近邻元胞的上一时间步的状态决定。在离散的时间步内，网格中的所有元胞的状态 同步更新，使得整个网格的状态发生变化。建立元胞自动机模型必须确定：a 元胞空间， b 邻居类型，c 边界条件，d 元胞状态。 元胞自动机法非常适合对动态复杂体系的计算机模拟，比如对金属热变形过程中晶 粒形核、晶粒长大、动态再结晶等组织演变的模拟。近年来国内外学者结合元胞自动机 原理和物理理论以及经验公式，得出了金属动态再结晶过程的元胞自动机模型。 h e s s e l b a r t h 等【5 1 采用c a 方法建立了静态再结晶模型，g o e t z l 6 在上述模型的基础上，首 次采用c a 技术，模拟了动态在结晶过程，但其模型没有与实际热加工参数建立起来， 因而无法直接考察变形条件对动态再结晶动力学的因素。何燕等1 7 以动态再结晶金属学 理论为基础，在微观演化与宏观变形参数之间建立关系，综合考虑动态回复、形核率、 应变速率、位错密度等的影响因素，建立了一类二维元胞自动机模型。邓小虎等 s l 运用 元胞自动机方法，将宏观热变形参数与位错密度变化相耦合，模拟了多晶金属材料动态 再结晶晶粒的形核和长大过程，但其模型只能模拟低应变速率下的动态再结晶过程。卢 瑜等9 1 建立了纯镍热加工过程动态再结晶的二维元胞自动机模型，此模型可以很好的模 拟大应变速率下的动态再结晶过程微观组织变化。 然而，元胞自动机模型的形核规律是人为给定的，形核位置和实际变量、变形速率 等工艺参数没有内在联系，晶粒长大速度和长大时的碰撞取决于人为的假设，因此模拟 结果的真实性受到了限制。 3 ) 其它随机模型 其他的主要模型有： f i n i t ee l e m e n t - m o n t ec a r l o ( f e m c ) o r ( f e - c a ) 法1 1 0 1 、纯几 何模型模拟法、分组模型模拟法和杂化模型模拟法f l l l 等等。这些模型和c a 法、m c 法 一样，主要从微观角度出发，以各种人为假设为基础，缺少一定的物理意义；计算中又 涉及很多微观参数，这些参数很难获得，从而使这些再结晶模型在应用上受到了一定的 限制。 1 3 1 2 人工神经网络模型的建立 m n l 8 c r l 8 n 护环钢多火次热变形微观组织演变的研究 金属和合金在热态塑性成形过程中的微观组织形态及其演变规律是复杂的、动态的 和带有随机性的，人工神经网络模仿生物的神经系统，可以从外部环境中获取知识，是 具有自适应能力的信息处理系统。由于神经网络系统自身具有从大量实验数据中提取金 属在热态成形过程中微观组织变化规律的能力，因而应用人工神经网络建立微观组织演 化模型比经验模型有更大的优越性。采用神经网络建模的一般步骤为： 1 ) 在热模拟试验机上进行热压或热扭或热拉试验，研究试样在变形过程中的流动 规律和动静态再结晶等组织变化。进行金相实验，获得金属热变形组织演变的数据。 2 ) 选择适当的神经网络模型。 3 ) 用一部分实验数据作为教师样本，对模型进行训练。 4 ) 用剩余的实验数据作为测试样本，对建立的模型进行验证。 人工智能网络系统的研究起步于5 0 年代末6 0 年代初，但发展比较缓慢，直到9 0 年代在世界范围内才形成了研究神经网络的热潮。张兴全等【1 2 】利用t h e r m e c m a s t o r - z 型 热模拟机等温压缩n 1 7 合金，研究在不同变形温度、变形程度和应变速率等工艺参 数条件下流动应力的变化情况，然后用实验所得的热变形工艺参数与性能间的数据训练 人工神经网络，得到t i 1 7 合金的本构关系模型。朱远志等【1 3 】，乔兵等1 4 】采用 g l e e b l e l 5 0 0 热模拟机对试样进行高温压缩所得的数据，建立了流变应力的人工神经网 络模型。孙雷剑1 5 1 和李立新1 6 】分别用人工神经网络建立了微合金钢和含硼微合金钢热 轧过程中奥氏体晶粒尺寸的预报模型。刘海定等【1 7 】通过等温压缩试验研究了热变形条件 对a z 6 1 b 镁合金再结晶晶粒尺寸及其流变应力的影响，并采用人工神经网络方法分别 建立了动态再结晶晶粒尺寸及流变应力的模型。 但是，神经网络模型的应用效果对学习样本和特征变量的抽取有很强的依赖性。一 方面，要求有较大覆盖面和较好一致性的大量数据；另一方面，要求在众多影响因素中 抽取特征变量时，既要方便，又要考虑其相关性和实时应用时数据的更新问题【l 引。此外， 这种方法不能为模型提供物理意义上的合理解释，并且实质是一种“黑箱”操作方法， 不能用数学表达式直观表达流动应力与应变、变形温度、应变速率之间的关系，建立的 本够模型与有限元相连接的接口程序编写困难。 1 3 。1 3 唯象模型的建立 基于物理冶金技术的发展，特别是物理模拟实验设备一热模拟实验机( 美国的 g l e e b l e l 5 0 0 2 0 0 0 3 5 0 0 或日本的t h e r m e c m a s t o r - z 、f o r m a s t o r - p r e s s ) 为物理模拟的发展做 出了贡献。这些热加工再现试验装置，均可方便、快捷、准确地测定出金属形变的热应 力一应变曲线，还可瞬时冻结高温组织。结合热模拟试验得出的数据，代入唯象模型( 比 4 第一章绪论 较有代表性的是s e l l a r s 1 9 】和y a d a 2 0 1 ) 模型，然后通过专门的软件线性回归分析，得出 具体材料的组织演变模型参数，这为深入的唯象理论研究和有限元技术应用打下了良好 的基础。采用此方法建模的一般步骤为： 1 ) 研究金属变形前不同的加热温度和保温时间对压缩试样原始组织的影响。 2 ) 在热模拟试验机上进行热压或热扭或热拉试验，研究试样在变形过程中的流动 规律和动静态再结晶等组织变化。进行金相实验，获得金属热变形组织演变的数据。 3 ) 建立金属热变形本构模型和显微组织模型。 4 ) 结合有限元分析，采用数值模型来预测某个产品生产中的组织状况。然后对该 产品实际生产加工进行解剖。比较数值模型预测的组织状况和实际生产加工后的组织状 况，验证所建数学模型的有效性和合理性。 g a n g - s h us h e n l 2 l 】等采用热模拟实验建立了w a s p a l o y 合金动态、亚动态、静态和晶 粒长大模型，并采用有限元分析预测了微观组织，预测结果和实验测得的组织相符。 y o u p i n gy i 等【2 2 采用o l e e b l e 15 0 0 建立了7 0 5 0 铝合金动态再结晶模型。戴宇杰等【2 3 】 通过t h e r m o m a s t e r - z 型热力模拟试验机对c s p 生产线上冷轧冲压基板s p h d 进 行了热变形实验，建立了该钢种的临界应变模型以及流动应力应变模型。李立新【2 4 j 等 采用双道次压缩实验方法，在g l e e b l e 1 5 0 0 热模拟机上对某含硼微合金钢进行高温热 变形道次间奥氏体再结晶软化规律的研究，并在实验基础上建立了该钢的静态及亚动态 再结晶动力学模型。 回归唯象模型的方法不仅计算工作量大，还存在以下缺陷：首先，它依赖于回归方 法，使用不同的回归模型，可以获得不同的经验公式，这将导致经验公式的繁多和不一 致性；其次，金属热变形显微组织的非线性影响因素多且复杂，很难建立起符合所有影 响因素的回归方程；再次，回归方程无法处理离散数据；最后，当加入新的试验数据时 必须应用新的数据集对模型中的常数重新回归，即回归常数的使用范围较窄。但是，回 归分析法可以由数学公式描述材料热变形过程中的流动应力与应变、变形温度、应变速 率之间的关系，很方便通过商用有限元软件提供子程序将回归模型嵌入到软件中。因此 本文采用此方法建立数学模型。 1 3 2大锻件微观组织模拟研究现状 由于大锻件锻造过程的复杂性，很难进行现场测试。而在实验室进行研究，只能得 到简单条件下的微观结构与宏观热力参数问的定量关系，而计算机模拟场量信息、过程 变量则十分方便、经济，为实验结果应用于复杂生产过程，对产品质量进行预报和控制 提供了有力的工具。随着计算机模拟技术的发展，有限元法在金属塑性成形领域得n - j m n l 8 c r l s n 护环钢多火次热变形微观组织演变的研究 日益广泛的应用。 8 0 年代末国外学者首先将微观组织模拟应用到锻造领域。r k o p p t 2 5 1 首先将微观组 织演变模型引入到非稳态锻造过程，并采用有限元法对二维热镦粗的动态再结晶过程进 行了数值模拟。 9 0 年代初期，s l 。s e m i a t i n 和r s h i v p u r i 等【2 l l 在实验基础上，建立了超耐热合金 热变形过程的微观组织演变模型，对二维热镦粗和扁平状模锻过程的晶粒尺寸和分布进 行了模拟预测。i s h i k a w a 、k w a k 【2 6 - 2 7 等采用d e f o r m 分析了金属热锻过程微观组织的 演变规律。但是这些研究紧局限于在现有的模型或给定的工艺条件下采用有限元来预测 微观组织的演变，而无法通过控制变形过程中的工艺因素来实现均匀微观组织结构的目 的。 9 0 年代末期y s j a n g 2 8 】等利用y a d a 提出的经验公式及热力耦合刚粘塑性有限 元，综合考虑了变形过程及变形后动静态再结晶、晶粒长大软化机制的影响，模拟分 析了碳钢热镦粗过程不同变形程度下的动态再结晶晶粒大小与分布及变形结束后不同 空冷时间下的晶粒尺寸及分布，并与实验进行了对比。j ，s 。c h u n g 2 9 1 等采用遗传算法 对非等温成形过程进行模拟与优化。并以圆柱形坯料加工h 形轴对称产品为例，将主 要工艺参数作为优化的设计变量，目标函数定义为产品中温度分布的不均匀程度，对直 接终锻和先预成形再终锻两种成形工艺进行了模拟和对比分析，通过控制成形工艺来获 得产品中均匀的温度分布及实现均匀的微观组织结构。但上述研究工作的对象都是一般 锻件，而关于大锻件微观组织模拟方面的报道却很少见到。而国内生产大锻件的水平与 国外先进技术相差很大，其中组织得不到很好的控制也是其关键差距之一。因此，国内 学者越来越关注大锻件锻造过程微观组织演变规律的研究。 国内近些年来采用有限元软件研究大锻件的组织性能。姜超【3 0 】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。张 海鹰【3 1 1 在d e f o r m 3 d 软件基础上，利用f o r t r a n 语言、v i s u a lc 抖和o p e n g l 开 发库、结合d e f o r m 3 d 仿真数据并且基于元胞自动机法，分别开发了组织模拟用户子 程序，研究分析了温度、应变速率和初始晶粒对热锻变形中锻件奥氏体晶粒尺寸和动态 再结晶演化过程的影响；建立二维动态再结晶模型，形象的展示了动态再结晶晶粒形核 与长大过程，并预测其微观组织结构的演化及动态再结晶晶粒的大小和分布；模拟某一 局部的动态再结晶转变的动态过程。其研究结果可以为大型船用曲拐弯锻工艺优化或制 定新工艺提供可靠的指导和依据。这些研究积极推动了我国生产大锻件技术的发展。 综上所述，组织演化模型与计算机技术相结合的微观组织模拟方法现今得到很大的 6 第一章绪论 发展，国内外的专家学者也在一些方面取得了丰硕的成果。但是由于大锻件成形过程的 复杂性和材料的多样性，紧紧考虑连续的变形过程是不够的，如何模拟与实际生产相近 的组织变化过程，获得精确的微观组织演变规律，仍然是加工学术界和生产厂家关注的 重点。 1 3 3 大锻件多火次锻造的研究 多火次加热、多工序变形是大型锻造的固有特征，不同火次之间的再加热使得锻件 微观组织的变化复杂。因此，如果不充分考虑多火次重复加热、反复变形这一因素，会 使研究结果与实际生产差别较大，也就很难为大型锻造工艺与技术提供有效的科学指 导。因此近年来国外学者采用多火次的方式，研究了大型锻件的材料性能。k u z i a k t 3 2 】 研究了热加工过程中微合金中碳钢的微观组织演变，得出奥氏体晶粒尺寸与二次压缩变 形量和再加热温度有关。c h i e s a 3 3 】等预测了多步锻造工艺最终的材料状态，得出最终的 材料状态由每个锻造工步的变形量以及再加热阶段决定。s i n c z a k j a n 3 4 】等对大锻件风 力发动机主轴锻造过程微观组织进行了分析，模拟了锻件每个锻造工步微观组织演变过 程，得出晶粒尺寸和再结晶体积分数与变形时间和再加热过程有关。这些研究仅定性的 研究各工艺参数与晶粒度的关系，应用于实际生产，这些结论还不够精确，我们迫切需 要进一步定量的研究。 k u a n g j a uf a n n t 3 5 1 等采用有限元商业软件d e f o r m 模拟了初始晶粒为1 0 0 p a n 的镍 合金的晶粒细化工艺。结果表明：经一次锻造后镍合金淬火晶粒平均大小可达到2 2 t m 。 然而，两至三次锻造后，平均淬火晶粒大小为2 8 p , m 或2 7 p , m ，比一次锻造所得平均淬 火晶粒大；每次加热到锻造温度1 0 0 0 c 时，晶粒尺寸变大，说明加热过程可使晶粒长 大；如果工件再加热温度不高于前一次加热温度，则晶粒可以细化。由此可知多步锻造 中淬火后的锻造温度和再加热过程对细化晶粒起主要作用。 y o s h i h i k of u n a k o s h i t 3 6 1 进行了实验室热镦锻试验以及f e m 分析，确定了在生产中 实现大型奥氏体锻件细而均匀晶粒所适合的锻造条件。 国内学者近几年开始对大锻件多火次进行了研究。姚泽坤等f 3 7 】对g h 4 1 3 3 a 高温合 金多火次热模锻造试样的晶粒度进行了研究，结果表明该合金多火次热模小变形( 1 0 ) 可使晶粒细化。作者只是采用局部取样看组织的方法得出的结论，没有结合计算机技术 得出整个参数场的信息，不能较全面的说明问题。 马秋等 3 8 - 3 9 1 借助d e f o r m 3 d 二次开发，将再结晶模型和晶粒长大模型加入到模拟软 件中，实现了金属高温塑性变形一传热一微观组织演变的耦合。采用数值模拟的方法， 分别研究了始锻温度、压下量和空冷时间对多步锻造过程中i n 7 1 8 合金微观组织演变的 7 m n l 8 c r l 8 n 护环钢多火次热变形微观组织演变的研究 影响以及模拟预测了i n 7 1 8 合金在多道次锻造过程中流变行为与晶粒尺寸演变规律， 为大锻件锻造热力参数的合理制定与控制提供了依据。这些研究较真实的反映了塑性变 形、传热、微观组织演变的交互作用，但是却忽略了大锻件锻造过程中的再加热过程， 仅仅是进行多道次的模拟，与实际工艺有一定的差距。 崔金栋4 0 1 利用d e f o r m 3 d 软件对7 0 5 0 铝合金大厚板锻造成形六套工艺方案进 行有限元模拟分析及优化，从消除铸造组织和改善坯料心部变形情况出发得出了一套优 化工艺方案，对该优化工艺方案进行动态再结晶组织演变模拟，从微观方面验证该工艺 方案( 四火次1 4 工步) 对消除铸造组织和细化晶粒尺寸是十分有效的。该作者较早的 对大锻件多火次进行了研究，但是组织模拟过程只是考虑了动态再结晶组织过程，没有 综合分析大锻件热变形整个组织演变的过程。 因此，如何结合物理模拟( 获得精确的微观组织模型) ，采用数值模拟的方法( 获 得全面的场量信息) 较真实的研究大锻件多火次变形微观组织的演变过程仍然是学者们 研究的重点。 1 4 护环的工作环境及要求 护环是压紧装配在汽轮发电机转子两端的大锻件钢环，是火电发电设备的大型关 键零件之一。护环在高速旋转中受力复杂，不但要承受巨大的离心力，同时还要承受 热装时的装配应力、不均负荷引起的附加应力、由转子传来的交变应力和由于结构上 要求造成的集中应力。因此，为保证机组的长期安全运行，要求护环有足够的强度、 良好的韧性、均匀的力学性能和最小的残余应力。护环在强磁场、潮湿的腐蚀介质中 工作，因此护环通常采用奥氏体无磁钢制造f 4 1 4 2 1 。此外由于工作环境的特殊性，要求 护环材料具备一定的抗应力腐蚀能力。因此对护环材料要求有良好的冶金质量，化学 组成，组织结构，晶粒度和晶粒均匀度都要合理。 1 5 护环的研究现状 1 5 1 国内外对护环材料的研究现状 对护环材料的研究国内外学者经历若干年的艰辛探索。2 0 世纪8 0 年代前，国外一 直采用5 0 m n l 8 c r 4 ( w n ) 系列钢生产护环。在7 0 年代后期，世界各地相继出现了几 起因护环开裂导致的电站事故( 如表1 1 【4 3 】) ，研究表明护环开裂均为5 0 m n l 8 c r 4 ( w n ) 系列钢抗应力腐蚀差，产生表面裂纹所引起m 】。 因此8 0 年代开始，国外都在研究开发具有较高抗应力腐蚀能力的新的护环钢材料。 国外先后有德国v s g 公司、k r u p p t 钢厂和美国g m 公司开发出新的m n l 8 c r l 8 n 护环钢， 8 第一章绪论 其中德国v s g 公司代表着世界领先水平，该公司在初期p 9 0 0 ( 1 8 m n l 8 c r ) 基础上， 陆续分别在1 9 8 8 年和1 9 9 9 年开发出p 9 0 0 - n 和p 2 0 0 0 系列钢种，p 2 0 0 0 钢的n 含量达 0 9 ，制造的护环其屈服强度达1 6 0 0 m p a 4 4 j 。m n l 8 c r l 8 n 钢的化学成分与5 0 m n l 8 c r 4 ( w n ) 钢相比，n 含量由0 4 提高到0 6 以上，而碳含量则明显降低。降低含碳量， 可以避免晶界碳化物的问题，然而降低含碳量会使奥氏体的稳定性和强度下降。日本制 钢所室兰工厂在1 9 8 7 年做的试验证明m n l 8 c r l 8 n 钢比5 0 m n l 8 c r 4 钢具有更高的屈强 比( y s 厂r s ) 及塑性和韧性，而且比5 0 m n l 8 c r 4 钢具有更优的抗腐蚀性。因此，现在国 外护环生产厂大都采用m n l8 c r l8 n 钢制造3 0 0 m w 以上大型机组护环锻件j 。 我国从7 0 年代初开始研究并生产护环锻件，当时采用的是c r - m n 系钢，如 4 0 m n l8 c r 4 、5 0 m n l 8 c r 4 、5 0 m n l8 c r 5 及5 0 m n l8 c r 4 w n 等。针对c r - m n 系钢抗应力 腐蚀能力较差的致命缺点，国内在8 0 年代后期引进m n l 8 c r l 8 n 钢，并进行了相关研制 工作。太原科技大学做了m n l 8 c r l 8 n 钢塑性变形基本工艺参数的研究，结果表明 m n l 8 c r 4 钢8 5 0 变形力约为1 2 0 0 变形力的4 3 倍，而m n l 8 c r l 8 n 钢8 5 0 。c 变形力 约为1 2 0 0 ( 2 变形力的8 7 倍，并且1 8 1 8 钢较1 8 4 钢随着温度下降变形抗力增幅更大 4 6 4 7 】。上重集团针对m n l 8 c r l 8 n 钢的特点和重溶条件，研究了不同n 含量特别是n 的 行为及影响冶金质量的工艺因素，开发了该钢种的电渣重溶技术。上述研究工作有力地 推动了我国m n l 8 c r l 8 n 钢护环的制造技术发展，1 9 9 1 年初一重集团成功制造了2 件 9 m n l 8 c r l 8 n 护环钢多火次热变形微观组织演变的研究 m n l 8 c r l 8 n 钢的3 0 0 m w 护环。1 9 9 2 年7 月，一重、二重和上重各自生产的3 0 0 m w 护环都通过了国家鉴定。 1 5 2 国内外对m n l 8 c r l 8 n 钢护环材料微观组织的研究 m n l s c r l 8 n 钢护环材料具有良好的抗腐蚀性能，但在护环生产中出现的粗晶、混 晶等问题越来越引起了电站大锻件制造厂家的重视，成为控制产品质量、提高工艺水平 的重要环节之一。因此，如何细匀化m n l 8 c r l 8 n 钢奥氏体组织是生产护环的关键技术。 而m n l s c r l 8 n 钢是单相奥氏体钢，不能通过热处理的方法细匀化组织，只能通过塑性 变形中的软化过程使晶粒细匀化。 国外日本铸锻钢株式会社在1 9 8 9 年研究了m n l 8 c r l 8 n 钢显微组织对冲击韧性的影 响【4 5 】。国内燕山大学对m n l 8 c r l 8 n 钢的热变形力学行为进行了研究，获得了该钢种动 态再结晶激活能及峰值应力op 、峰值应变p 与z e n e r - h o l l o m a n 参数之间的关系式【4 8 j 。 太原科技大学对护环材料m n l 8 c r l 8 n 钢进行了一系列实验，得出了( 1 ) 热塑性曲线； ( 2 ) 动态和静态再结晶图；( 3 ) 不同应变率和温度下的应力应变曲线【4 9 】。陈慧琴等【5 0 】 研究了m n l 8 c r l 8 n 钢热成形晶粒度变化，得到了内部晶粒度变化的规律，并且得出当 空冷约2 1 0 s 时护环内晶粒可达均匀化。这些都只限于单火次的研究，未能考虑实际生 产的多火次、多工序变形。与实际生产护环多火次环境相比，差别很大。 1