20CrMnTiH热变形行为及加工图

陈晓辉 门正兴 马亚鑫 岳太文 刘瑞琳 唐 越

(1.中国空气动力研究与发展中心，四川621000；2.成都航空职业技术学院机电工程学院，四川610021)

20CrMnTiH热变形行为及加工图

陈晓辉1门正兴2马亚鑫2岳太文2刘瑞琳2唐 越2

(1.中国空气动力研究与发展中心，四川621000；2.成都航空职业技术学院机电工程学院，四川610021)

采用热模拟压缩实验获得20CrMnTiH材料温度范围为973～1173K和应变速率为0.01 s-1～10 s-1情况下的真应力-应变曲线，并绘制出材料热加工图。通过不同应变下20CrMnTiH材料加工图叠加，得到材料最佳变形工艺参数区间和材料失稳工艺参数区间。

20CrMnTiH；动态材料模型；加工图；材料失稳

新材料和新技术的不断出现对传统零件生产企业带来了巨大的挑战，同时，巨大的市场竞争压力也迫使生产企业不断优化和创新现有产品的生产工艺，尽可能的降低生产成本和提高产品质量。当前，企业经验积累的速度远远跟不上材料以及成形工艺的发展速度，最终导致工艺人员对新材料新工艺手足无措，其最根本的原因是对材料的可加工性能缺乏深刻的了解。材料的可加工性能与成形温度、变形程度、变形速率等因素有关，目前得到一定温度及变形速率下材料应力应变曲线以及微观组织分析结果已较为普遍，而如何将应力应变曲线以及微观组织分析结果转换为实际加工工艺参数，帮助工艺人员快速的制定出切实可行的零件制造工艺，是目前零件生产企业迫切需要解决的问题。

材料热加工图作为描述在特定条件下材料可加工性好坏的工具，可由材料流变应力曲线导出，能够判断材料在不同变形温度以及应变速率下的流变稳态区和非稳态区[1-4]，以及不同变形区域所蕴藏的变形[5-6]，进而达到控制材料组织演变[7]，避免产生缺陷和优化材料加工工艺的目的，是热成形理论与实践成形工艺相互联系的重要纽带，能够帮助工艺人员制定工艺方案[8-9]。

1 基于动态材料模型加工图理论

动态材料模型方法将金属塑性成形过程视为一个能量不断储存和耗散的过程[10-12]，使用的主要参数及分析手段包括：

(1)耗散量G。材料热成形过程中所吸收的所有能力可以分解为两大部分，第一部分是用于材料的塑性变形(耗散量G)，而另一部分是在材料塑性变形过程中显微组织演变所消耗的能量(耗散协量J)。

(2)应变速率敏感系数m。m值表示材料发生塑性变形过程中消耗在塑性变形和组织演变能量的比例，即用于塑性变形(耗散量G)与用于材料组织演变能量(耗散协量J)的比值，在一定程度上可以反映材料在塑性变形过程中组织演变的剧烈程度。

(3)功率耗散系数η。功率耗散系数η表示材料塑性变形过程中组织演变所耗散的能量与线性耗散能量Jmax的比值，该值只与m值有关，也在一定程度上可以反映材料在塑性变形过程中组织演变的剧烈程度，其大小可在一定程度上反映材料发生组织转变的机制。

(4)失稳判据ξ。流变失稳图以流变失稳准则为函数，在变形温度T和应变速率所构成的二维平面上绘制的区域。

图1 材料热加工图基本流程Figure 1 The basic procedure of hot working diagram of material

(5)功率耗散图。特定应变条件下，能量耗散率η值随变形温度以及变形速率变化的规律。

(6)失稳图。特定应变条件下，失稳判据ξ值随变形温度以及变形速率变化的规律。

(7)塑性加工图。流变失稳图和功率耗散图简单叠加而得，反映材料在塑性变形过程中不发生破坏所能达到的变形能力。

材料塑性加工图求解过程如图1所示。采用材料应力-应变数据计算出实验条件下材料的m、η及ξ值，然后绘制出不同应变量条件下应变速率敏感指数m值对温度及应变速率的相应曲面、材料的功率耗散图及失稳图，最终通过功率耗散图和失稳图的叠加得到材料不同应变量条件下的加工图。

图2 20CrMnTiH在不同温度及应变速率下的真应力-真应变曲线Figure 2 The true stress-strain curves of 20CrMnTiH at different rates and temperatures

图3 不同应变量情况下速率敏感系数m对温度及应变速率的响应曲面Figure 3 The response surface of rate sensitivity coefficient m on temperature and strain rate with different strain capacities

2 实验材料及方法

实验用材料为铸态20CrMnTiH，在Gleeble-3500热模拟机上进行热压缩实验，设计热压缩变形温度为973、1023、1073、1123、1173K，应变速率为0.01、0.1、1、10 s-1，实验最大压缩变形量为60%。实验得到的材料不同温度及应变速率下的流变应力曲线如图2所示。

3 结果及分析

3.1 应变速率敏感系数

3.2 功率耗散系数及功率耗散图

通过速率敏感系数m计算可得到功率耗散系数η，并由此绘制出不同变形条件下的功率耗散图，如图4所示。功率耗散系数η值的高低代表了材料塑性变形机制的转变，从功率耗散图中可以发现，20CrMnTiH材料在高温低应变情况下的η值较大。

图4 不同应变条件下的功率耗散图Figure 4 The power dissipation map under different strain conditions

图5 20CrMnTiH在不同应变条件下的热加工图Figure 5 The hot working diagrams of 20CrMnTiH under different strain conditions

3.3 热加工图

将特定应变情况下功率耗散图与失稳图进行叠加，从而得到20CrMnTiH在应变分别为0.2、0.3、0.4、0.5、0.6情况下的热加工图，如图5所示。图中等值线为功率耗散等值线，最大值为0.3。图中灰色区域为失稳区域，表示材料在该区域进行热成形可能发生失稳现象，具体失稳表现与变形参数及方式有关。由图5可知，20CrMnTiH材料变形安全区随着变形量的增大先增大后减小。

3.4 最佳成形区域

将不同应变下的加工图进行叠加(图6)，可以得到20CrMnTiH材料在实验范围内的变形区域。20CrMnTiH热加工图可以划分为3个区域。A区为材料最佳变形区，温度范围在863～1173K，应变速率范围为0.36 s-1～0.01 s-1，在该区域内材料在不同应变条件下都有较高m值以及η值，表明材料在该区域发生塑性变形过程中组织变化剧烈，材料变形机制以动态再结晶为主。B区为材料失稳区，温度范围1003～1173K，应变速率范围为1.65 s-1～10 s-1，在该区域内材料在不同应变条件下都有失稳区域，在材料塑性变形过程中应尽量避免。C区为材料安全变形区，其m值以及η值较小，但没有发生失稳现象。

4 结论

(1)基于热模拟压缩实验得到20CrMnTiH材

图6 不同应变条件下的热加工图叠加Figure 6 Overlaying the hot working diagrams under different strain conditions

料温度范围为973～1173K和应变速率0.01 s-1～10 s-1情况下的真应力-应变曲线。

(2)通过应变速率敏感系数m、功率耗散系数η以及失稳判据值ξ的计算绘制出20CrMnTiH功率耗散图以及失稳图，最终得到反映材料在实验条件下不同应变情况下加工图。

(3)将20CrMnTiH不同应变下加工图叠加，将实验条件下材料变形区域分为材料最佳变形区、材料失稳区和材料安全变形区。

(4)根据合并的加工图得到实验条件下20CrMnTiH材料最佳变形工艺参数为：863～1173K和0.36 s-1～0.01 s-1。材料失稳工艺参数为：1003～1173K和1.65 s-1～10 s-1。

[1] 熊爱明，陈胜晖，黄维超，等. TC6钛合金的高温变形行为及组织演变[J]. 稀有金属材料与工程，2003(6)：447-450.

[2] 戚延龄，夏长清，王志辉，等. Ti62421s钛合金的热变形行为及加工图[J]. 中南大学学报(自然科学版)，2012(5)：1662-1671.

[3] 冯菲，曾卫东，朱艳春，等. 铸态TC21钛合金高温热变形行为及加工图[J]. 稀有金属材料与工程，2012，41(2)：251-255.

[4] 刘彬，曾凡沛，卢金忠，等. 粉末冶金纯钛的热变形本构方程及热加工图研究[J]. 粉末冶金材料科学与工程，2015，20(4)：499-504.

[5] 李成侣，潘清林，刘晓艳，等. 2124铝合金的热压缩变形和加工图[J]. 材料工程，2002(4)：10-14.

[6] 张辉，伍豪杰，蒋福林，等. 4045铝合金热变形行为及其加工图[J]. 湖南大学学报，2013，40(8)：83-89.

[7] Raj R. Development of a processing map for use in warm-forming and hot-forming processes[J]. Metallurgical Transactions A，1981，12(6)：1089-1097.

[8] 曾卫东，周义刚，周军，等. 加工图理论研究进展[J]. 稀有金属材料与工程，2006，35(5)：673-677.

[9] Prasad Y，Gegel H L，Doraivelu S M，etc. Modeling of dynamic material behavior in hot deformation: forging of Ti-6242[J]. Metallurgical Transactions A，1984，15(10): 1883-1892.

[10] 王迎新. Mg-Al合金晶粒细化热变形行为及加工工艺的研究[D]. 上海交通大学，2006.

编辑 杜青泉

Hot Deformation Behavior and Working Diagram of 20CrMnTiH

Chen Xiaohui, Men Zhengxing, Ma Yaxin, Yue Taiwen, Liu Ruilin, Tang Yue

By adopting the thermal simulation compression test, the true stress-strain curve of 20CrMnTiH material in the temperature range of 973～1173K and at the strain rate of 0.01 s-1～10 s-1has been obtained. And the hot working diagram of material has been drawn as well. By combing the working diagrams of 20CrMnTiH material at different strain rates, the optimal range of deformation process parameters and the range of instability process parameters of material have been obtained.

20CrMnTiH; dynamic materials model; working diagram; instability of material

2016—11—09

四川省教育厅项目(17ZB0035)

TG146.23

A