下压速率对42CrMo 钢动态再结晶的影响规律

邱媛媛

（洛阳双瑞特种装备有限公司，河南 洛阳 471000）

42CrMo 钢属于中碳低合金结构钢，具有高强度和韧性，良好的机械性能和加工性使得其应用相当广泛，广泛应用于轴、齿轮、连杆、发动机气缸等要求较高的部位[1，2]。运用有限元法模拟其热加工过程中回复及再结晶过程，对于研究材料的晶粒细化及加工成品的微观性能具有重要意义[3，4]。现阶段，亟须运用数值模拟研究42CrMo 钢热加工过程中各项参数对动态再结晶演变的影响规律[5]。

本文基于作者之前的研究基础，运用有限元法，建立热力微观耦合模型，对形变温度1050℃，应变0.92，压下量60%，不同下压速率的方案进行模拟，总结下压速率对42CrMo 钢动态再结晶演变的影响规律。

1 热-力微观组织耦合有限元建模

1.1 动态再结晶模型

描述42CrMo 钢动态再结晶临界应变和峰值应变关系的数值表达如式（1）[2]。

式中，εp为峰值应变；εc为临界应变，ε˙为应变速率；d0为初始晶粒度；R 是气体常数，为8.314J/（K·mol）；T是热力学温度。

采用Avrami 方程描述动态再结晶中的动力学问题[2]，如公式（2）所示。

式中，Xdrex为动态再结晶体积分数；ε0.5为动态再结晶体积分数为50%时的应变；βd和kd为动态再结晶影响系数。

动态再结晶晶粒尺寸表示如公式（3）所示[6]。

式中，ddrx为动态再结晶的晶粒尺寸。

1.2 热压缩有限元模型

本文采用Deform 有限元模拟软件进行演变规律的研究，建立二维的压缩坯料，保持热压缩过程中温度为1050℃、压下量60%不变，试样与模具的传热系数为5N·s-1·mm-1·℃-1；试样与模具的摩擦因数为0.3[6]，分别设置上模下压速率为 0.5mm/s、1mm/s、5mm/s、50mm/s、100mm/s、200mm/s、300mm/s 进行模拟，所建的有限元模型如图1 所示。

图1 热压缩有限元模型

2 有限元模拟结果及分析

2.1 下压速率对动态再结晶体积分数的影响

如图2 所示为下压速率为0.5mm/s、1mm/s、5mm/s、50mm/s、100mm/s、200mm/s、300mm/s时42CrMo钢试样的动态再结晶体积分数。下压速率从0.5～5mm/s，试样平均动态再结晶体积分数逐渐增加，平均动态再结晶0.67 上涨到0.83，完全动态再结晶的所占百分比从15%上涨到51%。下压速率从5～300mm/s，平均动态再结晶体积分数逐渐减小，平均动态再结晶体积分数从0.66 下降到0.35。综合平均动态再结晶体积分数的变化规律，可以得到下压速率在1mm/s，5mm/s 时，试样的动态再结晶发生的越完全。再次观察图2 中各个柱状图分布的弥散程度，下压速率从0.5～5mm/s，发生动态再结晶程度约集中，说明试样的动态再结晶发生部位的均匀性逐渐增大。下压速率从5～300mm/s，发生动态再结晶程度越弥散，说明试样的动态再结晶发生部位的均匀性逐渐减小。综合均匀性来说，下压速率在1mm/s,5mm/s 时，试样的动态再结晶发生的越均匀。但在所有的模拟图中，试样的上下两端动态再结晶几乎不发生，这两处是难变形区，动态再结晶发生很少。

图2 动态再结晶分数随下压速率变化

2.2 下压速率对动态再结晶晶粒尺寸的影响

图3 显示在下压速率为0.5mm/s、1mm/s、5mm/s、50mm/s、100mm/s、200mm/s、300mm/s 时42CrMo 钢试样的动态再结晶晶粒尺寸。下压速率从0.5～5mm/s，试样平均动态再结晶晶粒尺寸逐渐增加。下压速率从5～300mm/s，试样平均动态再结晶晶粒尺寸逐渐减小。观察动态再结晶晶粒尺寸的分布规律：下压速率从0.5～50mm/s，试样的动态再结晶晶粒尺寸分布越均匀，晶粒尺寸分布均匀性随下压速率变化较大。下压速率从50～300mm/s，试样两端的不均匀性增加，但是晶粒尺寸分布均匀性随下压速率变化不明显。观察整体的动态再结晶晶粒尺寸分布：试样心部的动态再结晶晶粒尺寸小于试样的鼓形侧边的晶粒尺寸，而大于上下两端的动态再结晶晶粒尺寸。试样心部等大变形区域由于位错增多，有利于形核，动态再结晶程度高，晶粒细化。综合动态再结晶晶粒尺寸大小及均匀性的因素考量，下压速率在50mm/s,100mm/s 时，试样的动态再结晶晶粒尺寸较小，分布均匀性最好。

图3 动态再结晶晶粒尺寸随下压速率变化

3 变下压速率与恒下压速率对比

综合上述下压速率对动态再结晶体积分数、晶粒尺寸的影响，考虑采用变下压速率的方法与恒下压速率方法对比，取综合性能好的方案，即下压速率在1mm/s、50mm/s 两种综合，在下压30%时，采用下压速率为50mm/s，在下压60%时，采用下压速率为1mm/s。图4 展示为变下压速率下试样的动态再结晶体积分数和晶粒尺寸分布。对比恒下压速率1mm/s、50mm/s，变下压速率的动态再结晶平均晶粒尺寸比之前两个方案都要小，但是动态再结晶体积分数的弥散度较高，体积分数的不均匀性更大。

图4 变下压速率下动态再结晶示意图

4 结论

（1）下压速率对动态再结晶体积分数影响规律：上模下压速率从0.5～300mm/s，平均动态再结晶体积分数先增加后减小；动态再结晶体积分数分布均匀性先增加后减小。

（2）下压速率对动态再结晶晶粒尺寸影响规律：上模下压速率从0.5～300mm/s，平均动态再结晶晶粒尺寸先增加后减小；动态再结晶晶粒尺寸分布均匀性先增加后减小。

（3）对比变下压速率与恒下压速率，变下压速率的模拟结果在动态再结晶晶粒尺寸方面有优化，而动态再结晶体积分数方面有劣势。还需进一步研究。