支承辊微观组织的模拟研究

栗文锋 曹 明(天津重型装备工程研究有限公司，天津 300457)

本文分别对支承辊生产过程中的镦粗、KD法和WHF法拔长过程进行模拟。运用元胞自动机法，通过Deform-3D软件中的Microstructure模块分析变形过程中支承辊内部组织再结晶及晶粒长大微观组织演变规律。通过比较不同锻造方法压实后锻件内部应力、应变、位错密度等因素对锻件微观组织演化的影响，进而为工艺方法的选取、制定提供理论及参考依据。

1 实验材料及方法

1.1 实验材料

实验材料是我公司为支承辊开发的5%Cr锻钢材质。化学成分如表1所示。

表1 5%Cr锻钢的化学成分 (质量分数，%)Table 1 Chemical compositions of 5%Cr forged steel (mass fraction,%)

1.2 工艺参数的确定

选用我公司76 t锭型的钢锭，采用双真空冶炼。锻造工艺为：镦粗H=1 300 mm×∅2 600 mm，WHF法和KD法拔长至∅2 000 mm。图1所示为在镦粗和拔长过程中取点的位置。

图1 取点位置Figure 1 Sampling position

模拟参数如下：锻造温度为1 250℃，环境温度为20℃，传热系数为5 kW/(m2·℃)。在热变形时，摩擦因子取0.4。压下速度均为15 mm/s，边部的初始晶粒度设为100 μm，心部的初始晶粒度设为150 μm。镦粗采用上专用镦粗板和下专用镦粗漏盘。KD法、WHF法分别采用我公司专用上下V砧及上下宽平砧。位错密度采用修正的Laasroui-Jonas模型[4]，公式如下：

dρ=(hIRrρi)dε

h=h0(ε·ε·0)mexp(mQRT)

(1)

r=r0(ε·ε·0)-mexp(-mQRT)

以上关系模型中：dρi为位错密度微分；ε·0是应变率修正常数，取0.9；h0为硬化作用修正常数，取0.007 5；r0为材料软化修正常数，取2 100；m为硬化敏感系数，取0.17；Q为激活能，取234 000；R为气体常数。

2 模拟结果分析

2.1 镦粗结果分析

图2为在镦粗过程中等效应力、等效应变的变化曲线。从图2可以看出，随着镦粗的进行，等效应变逐渐增加，在镦粗结束时达到最大。等效应力先增加，到最大值28.6 MPa后，逐渐下降，随后又有所升高。说明在镦粗过程中材料处于加工硬化和软化机制的共同作用下。

图2 镦粗过程中P1点的等效应力、应变曲线Figure 2 The effective stress and strain curves of P1 during upsetting process

图3为P1点在镦粗过程中的晶粒变化情况。由图3(a)可看出，在初始状态下，设置的初始晶粒度默认晶粒尺寸为1。图3(b)、图3(c)为高温变形过程中晶粒迅速长大情况。从图3(b)可以看出，平均晶粒大小已为初始晶粒大小的3.59倍。在图3(c)中平均晶粒大小为初始晶粒尺寸的8.96倍，晶粒在高温状态下迅速长大。由图3(d)可知，在镦粗结束时，晶粒大小为初始晶粒大小的4.02倍。P1点在镦粗过程中晶粒先长大，到镦粗结束时，平均晶粒尺寸下降。这是因为在镦粗变形初期，晶粒在高温状态下迅速长大，随着变形量的加大，新晶核在晶界处形成，在锻件内部发生再结晶。图2中等效应力并未随着等效应变的增加而增加，而是达到最大值后有所下降，说明在变形过程中发生了再结晶，起到了软化作用[5]。

2.2 拔长结果分析

图4为KD法和WHF法拔长过程中心部P1点的等效应力、应变曲线。从图4(a)可以看出，两种方法拔长过程中，等效应变随着拔长的进行逐渐增加，拔长结束时等效应变值分别为 2.79和2.54，KD法要大于WHF法。图4(b)为等效应力的曲线，可以看出，等效应力在前几个道次急剧增加，在最后一个道次逐渐达到一定值后趋于平稳，KD法的等效应力高于WHF法。

图3 镦粗过程中P1点的晶粒变化Figure 3 Grain variation of P1during upsetting process

图4 KD法和WHF法拔长过程中P1点的等效应力、等效应变Figure 4 The effective stress and strain of P1 during KD and WHF stretching processes

图5 KD法和WHF法在拔长过程中晶粒大小的比较Figure 5 The comparison of grain sizes during KD and WHF stretching processes

图6 KD法和WHF法拔长过程中的位错密度与再结晶Figure 6 Dislocation densities and recrystallization during KD and WHF stretching processes

图5为KD法和WHF法在拔长过程中晶粒长大情况比较。图5(a)是边部P2点晶粒的长大情况，可以看出，晶粒尺寸有增大也有减小。这是因为在拔长过程中，随着应变量的增大位错密度也逐渐上升，当位错密度增加到一定程度达到饱和状态时，将促使再结晶新晶核的形成，从而使平均晶粒度下降。新晶核在高温下会迅速长大，这又使得平均晶粒度上升。最终KD法的平均晶粒度为初始晶粒的2.12倍，而WHF法锻造结束时，平均晶粒度为初始晶粒度的2.64倍。可见KD法拔长后的晶粒要比WHF法细小，并且拔长效率也比WHF法要高。图5(b)为心部P2点晶粒度比较。最终，KD法心部的晶粒度为初始的4.51倍，而WHF法为初始的5.15倍，KD法也优于WHF法。

图6为KD法和WHF法拔长过程中P1点及P2点的位错密度与再结晶。图6(a)和图6(b)所示为KD法拔长后边部及心部的位错密度和再结晶。图6(c)和图6(d)所示为WHF法拔长后边部及心部的位错密度和再结晶。可以看出，KD法拔长后边部和心部的位错密度都比WHF法要大。这是因为在拔长过程中，相比较于WHF法，KD法拔长产生了更大的应力和应变。在这种大应力和应变的作用下，工件的位错密度也会逐渐增大，从而促进新晶粒的形核。位错密度不断地经历增加、释放的循环周期，同时晶粒不断经历形核、晶粒长大的过程。在整个过程中，应力和应变对于消除原始的铸态组织、焊合空洞以及晶粒度的改善都起到了重要作用[6]。

3 结论

(1)在镦粗过程中晶粒先长大，随着镦粗的进行，在锻件内部发生再结晶，平均晶粒尺寸有所下降。在镦粗过程结束时，晶粒大小为初始晶粒大小的4.02倍。

(2)通过KD法和WHF法拔长过程模拟，发现KD法拔长时，工件内部应力、应变均大于WHF法拔长，且KD法拔长工件内部的晶粒尺寸明显优于WHF法。比较两种拔长方法，锻造工艺选用KD法更为合适。

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