基于Hansel-Spittel模型的45Cr4NiMoV合金热变形行为

陈学文，周会军，陈天安

（河南科技大学材料科学与工程学院，河南洛阳 471023）

基于Hansel-Spittel模型的45Cr4NiMoV合金热变形行为

陈学文，周会军，陈天安

（河南科技大学材料科学与工程学院，河南洛阳 471023）

为了准确描述45Cr4NiMoV的高温流动特性，采用Gleeble-1500D热模拟试验机对45Cr4NiMoV进行了等温压缩试验，研究45Cr4NiMoV在变形温度为750～1 200℃、应变速率为0.002～5 s－1条件下的流变特性。基于Hansel-Spittel模型，建立其热变形方程，通过相关系数r对所建方程的准确性进行了分析。分析结果表明：该方程可以准确预测45Cr4NiMoV合金的热变形行为。

45Cr4NiMoV合金钢；热压缩变形；流变特性；Hansel-Spittel模型

0 引言

45Cr4NiMoV合金钢是轧机上支承辊用钢，其成形过程必须通过塑性加工。精准地确定材料在不同变形参数下的变形特性，是合理制订加工工艺规程以及对相应工艺过程进行模拟仿真必不可少的条件［1］。为了精准地确定一定变形参数范围内的变形特性，合理地选择变形应力方程是至关重要的［2］。目前，国内外大多数采用Zener-Hollomon参数法来描述材料的变形特性，结果精确度一般［3－10］，最重要的是其不能够直接运用于FORGE软件进行模拟计算。本文采用能够直观反映流变应力与变形参数关系的Hansel-Spittel模型［11－12］，描述45Cr4NiMoV合金的热变形特性，进一步使用FORGE软件，对45Cr4NiMoV合金钢锻造过程宏观变形和微观组织演变数值仿真模拟材料库的创建提供了依据。

1 试验材料及方法

试验用45Cr4NiMoV合金钢的化学成分如表1所示。在Gleeble-1500D上进行等温等速率压缩，试样规格为φ8 mm×12 mm。

表1 45Cr4NiMoV合金钢化学成分（质量分数）%

根据相近钢材热加工参数，设定压缩温度为750～1 200℃，温度间隔50℃，恒定变形速率为0.002 s－1、0.01 s－1、0.1 s－1、1 s－1和5 s－1，压缩程度为60%。试样端部涂石墨以减小试验过程中的摩擦，压缩后立即水冷。

2 试验结果及分析

2.1 真应力-真应变曲线

由上述试验条件可以得到45Cr4NiMoV合金钢热变形的真应力－真应变曲线。以温度950℃和应变速率0.1 s－1为例，如图1所示。由图1a可以看出：相同温度条件下，在较高应变速率时，流变应力先迅速上升，后缓慢上升，最后趋于稳定值，表现为动态回复型；在较低应变速率时，流变应力在达到峰值以后，又缓慢下降最后趋于稳定值，表现为动态再结晶型。由图1b可以看出：在相同应变速率条件下，流变应力在低温和高温时的变化情况分别与图1a的高应变速率和低应变速率的情况类似。表明要使材料发生动态再结晶，要达到一定的温度、应变速率和应变量。

图1 不同变形条件下45C r4NiMoV合金钢的真应力-真应变曲线

2.2 微观组织

图2为不同变形参数下的金相组织。由图2可以看出：图2a中粗大的等轴晶粒被拉长；图2b中生成了大量细小的等轴晶；图2c中部分细小的等轴晶已经长大。图2表明：45Cr4NiMoV在较高温度变形时内部发生了动态再结晶，但应变速率较低时，变形较缓慢，动态再结晶晶粒有足够的时间形核并长大。

图2 45Cr4NiMoV合金钢变形后的金相组织

2.3 热变形流变应力本构模型的建立

热变形特性与温度、应变及其速率相关，本文采用Hansel-Spittel模型［11－12］来描述45Cr4NiMoV合金钢的热变形性能，其形式为：

式中：σ为流变应力；A为材料常数；e为自然常数；t为变形温度；ε为应变；为应变速率；m1为温度相关系数；m2为应变强化指数；m3为应变速率强化指数；m4为应变软化系数；m5为温度相关应变强化系数；m7为应变相关系数；m8为温度相关应变速率强化指数；m9为温度指数。

对式（1）等号两边分别取自然对数得：

（Ⅰ）当温度、应变（即t、ε）一定时，ln A＋m1t＋m2lnε＋m4／ε＋m5t ln（1＋ε）＋m7ε＋m9ln t为常数，设为K1，则式（2）可化为：

图3 相同温度下的ln-lnσ的关系

图4 不同应变下m3＋m8t与t的关系

图5 相同应变速率下t与lnσ的关系

图6 相同温度下ε与lnσ之间的关系

将试验所得数据及上文求得的m1、m2、m3、m4、m5、m7、m8、m9的值分别代入式（1），即可求得A的值，对A求算术平均值得A＝16.399 218。将以上所求得的参数值代入式（1），可得45Cr4NiMoV合金钢的热压缩本构方程：

2.4 本构方程的验证

将不同变形参数分别代入式（6），就可预测一定范围内任意变形参数下的变形应力，如图7所示。将式（6）的预测值与试验值进行比较，可以发现式（6）能很好地描述45Cr4NiMoV合金钢的热变形特性。

图7 不同变形条件下试验值与计算值流变应力的比较

图8 不同变形条件下试验值与预测值的关系

图7只能定性地看到预测值与试验值之间的关系，可以用统计学中的相关系数r［13］来定量描述式（6）的准确性，如图8所示。由图8可知：试验值和预测值之间存在较好的线性相关性，相关系数r为0.987 3。这表明：本文建立的Hansel-Spittel方程能够准确地预测45Cr4NiMoV合金钢的热变形特性。

3 结论

（1）温度和变形速率对45Cr4NiMoV合金钢的变形特性影响较大，流变应力与温度负相关，与变形速率正相关。

（2）基于Hansel-Spittel模型，求得45Cr4NiMoV合金钢的热变形方程为：

（3）预测值与试验值的相关系数r为0.987 3，说明本文建立的热变形方程能够较精确地描述45Cr4NiMoV合金钢的热变形特性。

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TG317

A

1672－6871（2015）05－0001－04

国家自然科学基金项目（51072240）

陈学文（1970－），男，湖北鄂州人，教授，博士，硕士生导师，主要从事塑性成形数值模拟及智能优化方面的研究.

2015－03－13