20CrMnSiNi2MoA凿岩用钢等温自由锻模拟及试验研究

潘光永 余新平 马修金

浙江广厦建设职业技术学院，东阳，322100



20CrMnSiNi2MoA凿岩用钢等温自由锻模拟及试验研究

潘光永 余新平 马修金

浙江广厦建设职业技术学院，东阳，322100

针对凿岩钻头用钢20CrMnSiNi2MoA，基于JMatPro软件模拟计算材料的应力应变曲线，并线性回归出材料的流变应力方程；基于DEFORM-3D有限元软件对材料进行了不对称V型砧锻造法等温自由锻造压缩，并预测了微观组织变化趋势。研究结果表明：原始奥氏体晶粒随着压缩量的变大，发生了动态再结晶，晶粒尺寸得到细化；温度一定时，随着变形速率的提高，晶粒平均尺寸变小。将通过不对称V型砧锻造法等温自由锻及热处理得到的钻头成品的机械性能与国外同类产品的机械性能进行了对比。

20CrMnSiNi2MoA钢；动态再结晶；微观组织；机械性能

0 引言

高气压潜孔凿岩钻机是目前中大孔径凿岩工程中使用量较大的一种凿岩机械，广泛应用于建筑、地铁、桥梁等深基坑、桩基孔的开挖工程施工领域[1-3]。目前与高压潜孔钻机配套使用的大口径(φ250 mm以上)钻头以进口为主，国内尚处于研制阶段，生产的钻头在使用过程中容易产生主体断裂、合金齿掉粒等问题[4]。基于此，我们与国内某特殊钢厂合作研究并进行多次试验，自主开发了具备超纯冶炼技术的超高强度凿岩钻头主体材料20CrMnSiNi2MoA钢。

一般认为，金属材料的力学性能差异与其内部组织结构密切相关，晶粒越细，则金属的强度、硬度越高，塑性和韧性越好；在强韧化机制中，再结晶细化晶粒既能提高材料的强度，又能改善韧性，是使用较多的一种方法[5-6]。采用某研究所提出的FMV上下V型砧锻造法对20CrMnSiNi2-MoA钢大口径钻头毛坯进行等温自由热锻成形。相关研究表明，FMV法中，上下V型砧宽比在1∶2.5～3时的压实效果较好[7]。热锻过程中可能会发生相变、动态回复和再结晶等影响材料强韧性的微观组织变化，并且热锻后经过适当的热处理能否得到增强材料强韧性的组织，需要进行相应的研究。因此，本文采用DEFORM-3D有限元软件对20CrMnSiNi2MoA钢热锻过程中发生的再结晶等组织变化进行数值模拟及试验研究，以期为相关热加工工艺的制定提供依据。

1 实验材料和方法

实验材料为某钢厂提供的φ160 mm的20CrMnSiNi2MoA高强度合金结构钢轧制棒材，化学成分如表1所示，室温平衡组织为铁素体和珠光体，奥氏体化转变开始转变温度(AC1)、转变结束温度(AC3)分别为650 ℃及830 ℃。

表1 20CrMnSiNi2MoA钢材料成分的质量分数 %

采用JMatPro软件模拟计算20CrMnSiNi2-MoA钢的应力应变曲线；首先在软件中输入该材料的化学成分，并基于流变应力模型及热力学数据库模拟计算得到变形温度分别为900 ℃、1000 ℃、1100 ℃、1200 ℃，应变速率分别为0.01s-1、0.1s-1、1s-1、10s-1，最大真应变量为0.9的应力应变曲线，并通过数据拟合得到该材料的流变应力方程。

将计算得到的流变应力方程及材料相关热物性参数输入到有限元软件DEFORM-3D中，并对20CrMnSiNi2MoA钢进行FMV法等温自由锻造压缩模拟。FMV法自由锻造几何模型如图1所示。模拟方案：坯料为φ8 mm×12 mm的圆柱体，由于材料始锻温度为1150 ℃左右，因此选择变形温度为1150 ℃。为保持等温热变形，设定模具温度与变形温度一样，并在热变形过程中与环境无传热。变形压下速率分别为0.05 mm/s、0.1 mm/s、0.2 mm/s，压下量分别为2 mm、3.5 mm；基于DEFORM-3D微观组织模块的元胞自动机模拟预测材料热变形过程中的组织变化趋势；元胞自动机组织演化模拟是基于热变形过程金属内部的位错密度变化来进行的，其中，位错密度ρ可以用热变形过程的应变ε来表示[8]：

(1)

(2)

(3)

图1 FMV法自由锻造几何模型

为验证前述模拟的可行性，将20CrMn-SiNi2MoA钢棒材加工成φ8 mm×12 mm的试样，在4MN等温锻造液压机上进行FMV法等温锻造压缩试验。试验条件：首先将试样加热到1150 ℃，然后按前述模拟方案进行热压缩变形试验。热变形过程在液压机下的加热炉里进行，以保持模具及坯料温度不变。变形结束后，将试样迅速进行水冷以保留高温组织状态，然后用线切割的方法制成金相试样，并用5 g饱和苦味酸、6 mL海鸥牌洗涤剂、100 mL蒸馏水的混合物蒸煮3 min左右，最后在光学显微镜下观察金相显微组织。

基于模拟及试验分析，在一定变形参数下对钢锭进行FMV法等温自由锻，得到潜孔钻头毛坯，随后进行相应热处理，并对锻件材料相关机械性能进行测试。最后比对国外φ380 mm大口径高气压钻头主体材料机械性能。

2 20CrMnSiNi2MoA钢流变应力方程

采用JMatPro材料性能模拟软件计算得到的20CrMnSiNi2MoA钢热变形过程中的应力-应变曲线，如图2所示。

(a)T=900 ℃

(b)T=1000 ℃

(c)T=1100 ℃

(d)T=1200 ℃

观察20CrMnSiNi2MoA钢不同变形条件下的应力应变曲线可知：同一变形温度下，应力随着应变速率的升高而变大；同一应变速率下，随着温度的升高，应力呈下降的趋势。如图2a所示，可以把应变速率10s-1曲线分为1、2两个区域阶段。在1区阶段，金属中的位错滑移占主导地位，随着应变量的增大，位错密度不断增加，位错割阶不断增多，滑移受阻，应变硬化发生，应力随之上升。应变量超过峰值应变εt时进入2区，此时位错攀移逐渐占主导地位，材料加工硬化现象得以逐渐消除，同时应力出现了减小的趋势，这是由于在变形晶粒的晶界或滑移带及晶格畸变严重的地方发生了动态回复或动态再结晶。可以观察到，在不同的变形条件下，峰值应变εt是不同的，高的温度和低的应变速率将使εt较小。

20CrMnSiNi2MoA钢在900～1200 ℃、应变速率在0.01～10s-1条件下，流变应力、应变速率和温度之间的关系可以采用相关学者提出的Arrhenius关系式来表达[9-10]：

(4)

式中，A、n和α均为常数；σ为高温流变应力。

[9-10]，对式(4)取对数，转换为线性问题，依据材料流变应力曲线，线性回归得出方程中的各个系数，可将式(4)改为

(5)

3 结果与讨论

3.1 FMV法等温自由锻造压缩

在DEFORM-3D中，对20CrMnSiNi2MoA钢进行FMV法等温自由锻造压缩模拟：热压缩变形温度为1150 ℃，压下速率分别为0.05 mm/s、0.1 mm/s、0.2 mm/s，压缩变形量分别为2.0 mm、3.5 mm。然后基于DEFORM-3D软件微观组织模块的元胞自动机模拟预测了不同热变形条件下的组织变化趋势。图3所示为模拟的压缩过程，图4所示为热压缩过程坯料心部P1点等效应变、应力变化曲线。

图3 热压缩过程模拟图

图4 热压缩过程P1点等效应变、应力变化曲线

一般认为，自由锻不但使锻件成形，而且让锻件经过多向锻压之后，压实锻件的心部，去除焊合孔洞和疏松缺陷及破碎原始铸造组织。锻压过程中，锻件内部组织变化与应力、应变等有着密切的联系。从图4所示的锻件心部点P1的等效应力应变变化曲线可知，随着等效应变的增大，刚开始压缩时，位错密度持续增大，材料加工硬化出现，导致应力也随之增大，并达到一个最高点后开始下降。这是由于持续高温变形以及位错不断地塞积，热变形再结晶激活能得到不断的积聚，最后使得锻件内部开始发生动态再结晶，这一现象可以从图5a～5c所示的基于元胞自动机模拟的微观组织仿真形貌观察到，随着压缩变形量增大，20CrMnSiNi2MoA钢奥氏体组织发生了动态再结晶，晶粒尺寸得到了明显的细化，同时使得等效应力变小。

图5d～图5f所示为1150 ℃下不同变形速率热变形后的微观组织仿真形貌，可知，随着变形速率的提高，晶粒尺寸不断变小。参照前述应力-应变曲线可知，随着变形速率的提高，位错滑移阶段时间将延长，这使得在相同的变形量下，位错塞积得更多，加工硬化率变大。同时，在高温条件下，变形储存能得到增加，为动态再结晶提供了激活能，金属内部将发生动态再结晶。由于变形速率的增大，动态再结晶过程的时间也将相应缩短，使得晶粒形核以后，有些晶粒还来不及长大。变形速率大到一定程度，金属内部组织将只发生加工硬化及动态回复，晶粒尺寸将可能得不到细化。综上所述，在一定的变形条件下，20CrMnSiNi2-MoA钢奥氏体平均晶粒尺寸随着变形速率的增大而变小。

图6所示为不同变形条件下的试验金相组织，对比前述相同条件下的微观组织仿真形貌，可知模拟结果较好地反映了组织变化趋势。

(a)压缩变形量为0 (b)压缩变形量为2.0 mm (c)压缩变形量为3.5 mm

(d)变形速率为0.05 mm/s (e)变形速率为0.1 mm/s (f)变形速率为0.2 mm/s

(a)压缩变形量为0 (b)压缩变形量为2.0 mm (c)压缩变形量为3.5 mm

(d)变形速率为0.05 mm/s (e)变形速率为0.1 mm/s (f)变形速率为0.2 mm/s

3.2 热处理方案制定及机械性能的测试

由前述模拟及试验分析可知，20CrMnSiNi2-MoA钢在1150 ℃、0.2 mm/s变形速率下热变形后，材料内部组织的晶粒尺寸细化较明显，因此在此变形条件下对大钢锭进行FMV法等温多向自由锻，得到大口径潜孔钻头毛坯。钻头毛坯在热加工成形后一般都需要进行热处理，以得到综合性能更为匹配的使用件。目前，钢的热处理强化一般有两种方式：一是通过淬火获得马氏体，提高材料的强度及其他机械性能指标；二是在工件淬火后进行回火，同时消除和减小淬火应力，使钢的脆性降低，韧性和塑性提高，最终提高材料的综合机械性能[11]。钢在奥氏体温度区域进行锻造后，在不同过冷度下的等温转变曲线可综合反映材料在不同过冷度下的等温转变过程，为材料的形变热处理提供依据；从等温转变曲线上看出合适的热处理温度和时间范围，据此确定相转变产物[12]。通过JMatPro材料性能模拟软件计算得到20CrMnSiNi2MoA钢的等温转变曲线见图7。

图7 20CrMnSiNi2MoA钢等温转变曲线

钻头毛坯通过热锻成形后，需要进行预先热处理，一般是通过正火和高温回火，去除热加工带来的内应力，同时改善其切削性能。20CrMnSiNi2MoA钢奥氏体转变温度为850 ℃左右，因此选择正火温度为900 ℃，正火时间根据零件毛坯直径选择1 h。由等温转变曲线可知，过冷奥氏体在相应温度等温分别会析出不同的组织。等温温度在700～800 ℃之间时，组织中将析出铁素体；等温温度在500～700 ℃之间时，将会同时析出铁素体和珠光体。因此选择高温回火温度为650 ℃。从等温转变曲线可知，650 ℃下的珠光体转变完成时间在7 h左右，因此选择回火时间为7.5 h。锻件毛坯经过预先热处理后进行粗精加工，紧接着进行二次热处理：第一步是退火，消除机加工带来的应力，接着进行淬火，得到马氏体组织，随后进行低温回火。热处理工艺方案如表2所示。

表2 潜孔钻头热处理工艺

通过锻造及热处理最终得到φ380 mm大口径潜孔钻头，如图8所示。钻头在高能量小频率的冲击下工作，多次冲击下的破坏过程是裂纹的产生与扩张过程，裂纹的产生是各次冲击损伤积累发展的结果，为此要求材料的疲劳极限、塑性指标(伸长率、断面收缩率)及平面应变断裂韧性(反映材料抵抗裂纹失稳扩展速度的能力)、冲击功等综合指标较好。对成品钻头材料进行机械性能测试，并与国外同类产品材料4330 mod机械性能对比，如表3所示，可以发现，抗拉强度、屈服强度等抗疲劳过载能力优于国外产品材料，但是抗裂纹失稳扩展等能力稍微逊色于国外产品材料。

图8 大口径潜孔钻头产品

20CrMnSiNi2MoA4330mod抗拉强度δb(MPa)14001350屈服强度σ0.2(MPa)11001060伸长率δ(%)1517断面收缩率ψ(%)5154冲击功AKV(J)5360断裂韧性KIC(MPa/mm2)53.5058.24硬度(HRC)44～4943～47

锻件毛坯经过预先热处理后，对工件后续的粗精加工工艺提出更为严格的技术要求：①产品各过渡尺寸断面必须圆角；②整体加工表面粗糙度控制在3.2 μm以内；③外表面与内孔均进行喷丸处理。此外，还需要进行一系列的探伤检查：原材料出厂探伤检查、粗车后探伤检查、热处理探伤检查、精加工探伤检查，以保证产品内部组织没有缺陷，杜绝裂纹源与疲劳源的产生。

4 结论

(1)本文针对凿岩钻头用钢20CrMnSiNi2-MoA，基于JMatPro软件模拟计算得到材料的应力应变曲线，并线性回归出材料的流变应力方程。

(2)基于有限元软件DEFORM-3D对材料进行FMV法等温自由锻造压缩模拟，预测了20CrMnSiNi2MoA钢在不同变形条件下的组织变化趋势：原始奥氏体晶粒尺寸随着压缩量的变大，发生了动态再结晶，晶粒得到细化；温度一定时，随着变形速率的提高，晶粒平均尺寸呈现变小的趋势，这是由于再结晶过程时间的缩短，使得晶粒形核来不及长大。

(3)基于模拟及试验分析，对20CrMnSiNi2-MoA钢锭进行FMV法等温自由锻及热处理，得到φ380 mm钻头成品，将其机械性能与国外同类产品材料进行对比，可知抗拉强度、屈服强度等抗疲劳过载能力优于国外产品材料，但抗裂纹失稳扩展等能力稍微逊色于国外产品材料，因此对加工工艺提出了更为严格的要求。

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(编辑 张 洋)

------------------作者简介：潘光永，男，1968年生。浙江广厦建设职业技术学院信息与控制工程学院副教授。主要研究方向为机械材料。发表论文12篇。余新平，男，1990年生。浙江广厦建设职业技术学院信息与控制工程学院讲师。马修金，男，1950年生。浙江广厦建设职业技术学院信息与控制工程学院高级工程师。

第十二届海峡两岸薄膜科学与技术

研讨会于2016年10月24日在

成都召开

会议开幕式由西南交通大学材料科学与工程学院院长朱旻昊教授主持。 中国机械工程学会表面工程分会主任委员陈建敏研究员和台湾镀膜科技协会理事长丁志明教授共同回顾了两岸薄膜技术交流模式的建立和发展过程。台湾镀膜科技协会理事长丁志明教授作《Ternary Nanocomposite Coatings for Use asSupercapacitor Electrodes》的报告，陈家富教授作报告《超高频均匀性高密度电浆源开发》，杜正恭教授作《Improvement of Li4Ti5O12 anode materials viaatmosphere pressure irradiation and carbon passivation layer approach forstable high rate lithium-ion batteries》的报告， 黄嘉宏教授和黄何雄教授也从各自研究领域出发，分别作了《Residual Stress Measure-ment on Hard Coatings bycombining Nanoindentation and Average X-ray Strain (AXS) technique》和《应用电化学技术于医用钛金属之表面处理及其生物性能评估》的报告。李志伟教授结合近年来台湾地区物理镀膜技术与新颖薄膜材料的发展情况，作了《近年来台湾地区物理镀膜技术与新颖薄膜材料的发展》的报告。陈建敏研究员作《航天润滑表面工程技术应用研究》的报告，邵天敏教授和田修波教授作为大陆代表分别作了《膜基性能匹配对硬质薄膜摩擦学行为的影响》和《高功率脉冲磁控(HiPIMS)具有常规直流磁控的沉积速率可能吗》的报告。

(本刊编辑部)

Simulation and Experiments for Isothermal Free Forging Processes of 20CrMnSiNi2MoA Drilling Steel

Pan Guangyong Yu Xinping Ma Xiujin

Zhejiang Guangsha College of Applied Construction Technology, Dongyang, Zhejiang, 322100

The stress-strain curves of 20CrMnSiNi2MoA steel was calculated by JMatPro simulation software. And then the material flow stress constitutive equation was calculated based on stress-strain curves. The material of forging method of asymmetrical V-type die(FMV) isothermal free forging compression was simulated based on finite element software DEFORM-3D.The prediction of microstructure simulation results shows that the original austenitic grain size decreases as the amounts of compression are refined due to the occurrence of dynamic recrystallization. And the average grain size is smaller with the increases of deformation rate at a certain temperature. Through the FMV free of isothermal and heat treatment the bit products were obtained. And their mechanical properties compared with similar foreign product materials.

20CrMnSiNi2MoA steel; dynamic recrystallization; microstrure; mechanical property

2016-01-05

国家自然科学基金资助项目(51275145)

TG 142.1

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.21.020