噴射成形CPM9V高速鋼熱加工行為及有限元預(yù)測.pdf

1、噴射成形技術(shù)(Spray forming)制備的高速鋼，不僅消除了宏觀偏析和粗大晶粒，使材料具備優(yōu)越的力學(xué)性能，而且相比于傳統(tǒng)粉末冶金的方法，生產(chǎn)工序減少，生產(chǎn)成本降低。采用噴射成形法制備的CPM9V高速鋼坯體，不可避免地產(chǎn)生了一些孔隙，為了提高致密度，進一步改善碳化物尺寸和分布，需要后續(xù)進行熱加工如鍛造或軋制等工藝來優(yōu)化材料組織及性能。
　　有限元(FEM)數(shù)值模擬方法能大大減少實驗量和提高工作效率，從而降低研究成本。根據(jù)Gle

2、eble軸對稱等溫壓縮實驗得到應(yīng)力應(yīng)變曲線數(shù)據(jù)，建立準(zhǔn)確的流變應(yīng)力本構(gòu)模型對提高有限元數(shù)值模擬精確度尤為重要。本文借助Gleeble熱物理模擬以及Deform有限元模擬，結(jié)合組織分析，系統(tǒng)的研究了噴射成形CPM9V高速鋼的熱加工性能并制定了最優(yōu)的鍛造工藝參數(shù)。主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)通過Gleeble軸對稱等溫?zé)釅嚎s實驗，獲得了不同應(yīng)變速率和溫度下噴射成形CPM9V高速鋼的流變應(yīng)力曲線?；贏rrhenius雙曲正弦模型，建

3、立了噴射成形CPM9V高速鋼的本構(gòu)模型，提出了一種修正本構(gòu)模型中材料常數(shù)的方法。考慮到應(yīng)變量對流變過程影響，運用6次多項式將應(yīng)變量耦合入本構(gòu)模型，材料常數(shù)α、n、Q和lnA的擬合相關(guān)系數(shù)分別為0.980、0.997、0.995、0.986。流變應(yīng)力預(yù)測值與實驗值的相關(guān)系數(shù)為R=0.9976,平均絕對相對誤差A(yù)ARE僅為3.157％，表明建立的本構(gòu)模型能準(zhǔn)確預(yù)測噴射成形CPM9V高速鋼在熱壓縮過程中的高溫流變行為。
　　(2)將建立

4、的本構(gòu)模型嵌入Deform-3D有限元模擬軟件，對軸對稱等溫?zé)釅嚎s過程進行了模擬。將模擬得出的熱壓縮后試樣的變形量和尺寸以及載荷位移曲線與實際熱壓縮實驗的實測值進行對比，結(jié)果顯示模擬值與實測值吻合較好，驗證了基于Deform-3D有限元模擬的準(zhǔn)確性和可行性。對試樣截面上不同區(qū)域進行點追蹤，對比了熱壓縮試樣截面上不同典型區(qū)域的等效應(yīng)力和等效應(yīng)變隨變形過程的變化。處于死區(qū)、大變形區(qū)和自由變形區(qū)的P1、P2和P3點，等效應(yīng)力值P2＞P3＞P1

5、,等效應(yīng)變P2＞P3＞P1。由于上下端面約束和摩擦力的存在，造成了熱壓縮過程中變形不均勻，從而表現(xiàn)出三種典型的區(qū)域。結(jié)合金相組織分析，表明大變形區(qū)是最易優(yōu)先發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶的區(qū)域，而死區(qū)基本維持原噴射成形態(tài)組織形貌，自由變形區(qū)動態(tài)再結(jié)晶驅(qū)動力低于大變形區(qū)。
　　(3)通過Deform-3D模擬給出了不同熱加工條件下試樣的等效應(yīng)力和等效應(yīng)變分布云圖和等值線圖，其等效應(yīng)力和等效應(yīng)變分布都呈典型的“X”形，即接近上下表面處和兩側(cè)等效應(yīng)力值

6、較低，越接近中間部位等效應(yīng)力值和等效應(yīng)變越大。溫度越高、應(yīng)變速率越低，變形越均勻，中間大變形區(qū)的范圍有所擴大。所以，研究不同熱壓縮實驗參數(shù)對材料組織性能的影響應(yīng)主要以大變形區(qū)的組織為參考，這樣有利于排除因不均勻變形對材料組織變化的判斷造成的干擾。
　　(4)根據(jù)動態(tài)材料模型DMM理論，建立了噴射成形CPM9V高速鋼從真應(yīng)變0.2到0.9下所對應(yīng)的熱加工圖。噴射成形CPM9V高速鋼在不同應(yīng)變量的情況下功率耗散效率峰值區(qū)為高溫低應(yīng)變速

7、率區(qū)(1120-1180℃、0.01-0.1s-1)，而失穩(wěn)區(qū)為高溫和低溫下的高應(yīng)變速率區(qū)（1120-1150℃、1-10s-1和970-1030℃、1-10s-1）。
　　(5)結(jié)合熱加工圖不同區(qū)域組織觀察結(jié)果，耗散效率峰區(qū)A內(nèi)為細(xì)小均勻的完全再結(jié)晶等軸晶組織。失穩(wěn)區(qū)B區(qū)和失穩(wěn)區(qū)C中對應(yīng)的熱加工實驗參數(shù)下的材料除局部區(qū)域發(fā)生不完全再結(jié)晶的纖維狀晶粒組織外，出現(xiàn)了明顯的失穩(wěn)特征，如:集中變形區(qū)、絕熱剪切以及應(yīng)力集中造成的基體材料剝