18MnD5钢动态再结晶模型研究

门正兴 李 其 阳 鹤 房 鑫 赵 刚

(中国二重集团公司，四川618013)

锻件晶粒尺寸对大型锻件的高温拉伸、冲击功、高温持久等性能有重要的影响，在很大程度上决定了产品的最终质量，因此大型锻件对晶粒尺寸范围及分布有着严格的规定[1]。对热锻变形过程中锻件晶粒尺寸变化规律进行研究及预测，通过改变成形工艺参数及模具结构有效控制锻件晶粒尺寸范围及分布，是大型锻件锻造成形领域的重要研究方向。动态再结晶是热锻成形过程中最重要的微观组织演化形式，对锻件晶粒尺寸的变化有着重要的影响。

18MnD5钢属于典型的中碳合金结构钢，具有强度高、淬透性高、韧性好等特点，适用于制造要求较高和调质截面大的大型锻件，如核电工程中的蒸发器、稳压器、压力容器筒体等产品。建立16MnD5热锻过程动态再结晶模型，通过有限元软件对大型锻件成形过程进行热-力-微观组织耦合模拟分析，预测及优化锻件晶粒尺寸范围及分布，对提高锻件质量、缩短工艺周期、提高产品合格率具有重要的指导意义。

1 实验方法及结果分析

18MnD5钢等温恒应变速率热压缩实验在二重大型铸锻件数字模拟工程实验室的TMTS(Thermo-Mechanical Treatment Simulator)热模拟实验机上进行。TMTS是英国SERVOTEST公司生产的一款动态热变形模拟试验设备，最大吨位500 kN，可以进行轧制锻压工艺、金属热处理、机械热疲劳等动态过程模拟试验，也可用于金属高温力学性能、金属热物性、应力应变曲线等材料参数测定，是目前世界上功能较齐全、技术较先进的材料模拟试验装置之一。实验过程中的具体实验参数为：热压缩试验试件尺寸为∅8 mm×12 mm，等温恒定应变速率试验温度分别为950℃、1 050℃、1 150℃，应变速率分别为0.5 s-1、0.05 s-1、0.005 s-1，变形程度为50% (真应变约为0.7)。得到的18MnD5高温流变应力曲线如图1所示。从试验结果可以发现，在试验范围内材料均发生了明显的动态再结晶，并且随着温度的升高及应变速率的降低，达到完全动态再结晶所需要的应变逐渐降低。

2 建立动态再结晶模型

一般情况下，采用数学方法将实验数据代入动态再结晶公式中就可以得到相应的模型，但是最终拟合的效果并不理想。主要的原因是：(1)实验数据中包含实验误差和测量误差，采用实验数据直接拟合的方法，无法对实验数据中较大的误差进行修正，从而使得一个错误数据导致整个模型的准确性大大下降。(2)动态再结晶公式中都包含多个参数，无法通过图形形象对拟合结果进行观察，从而导致拟合结果的不确定性。而通过Zener-Hollomon参数可以对实验数据进行有效的修正，从而提高拟合准确性。

图1 18MnD5钢在不同应变速率下的真应力-真应变曲线Figure 1 The curves between true stress and true strain for 18MnD5 steel deformed at different strain rate

在高温塑性变形条件下， C.Zener和H.Hollomon采用Zener-Hollomon参数[2]对金属动态再结晶流动力学行为进行描述：

(1)

式中，Z参数的物理含义为温度补偿的应变速率因子；Q为材料的再结晶激活能。通过应力应变曲线可以计算出18MnD5的热变形激活能为266 kJ /mol。在不考虑初始晶粒尺寸对动态再结晶过程的影响下，峰值应变εm、稳态应变εs、发生50 %动态再结晶时的应变ε0.5及动态再结晶平均晶粒尺寸drex均为温度补偿应变速率Z的函数，其关系可以表述为：

εm=a1Za2

(2)

εs=a3Za4

(3)

εrex=a5Za6

(4)

ε0.5=a6Za7

(5)

其中，a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8均为材料常数。

由于Z参数与各变量的关系均为典型的幂函数，因此可以方便的通过曲线的方式对其进行描述，从而通过Zener-Hollomon参数对实验数据进行有效的修正。优化前后Z参数与动态再结晶峰值应变εm之间的关系如图2所示。在图2(a)中，采用原始数据进行拟合，拟合结果的相关系数R2为0.848 9。从图2(a)可以明显的发现，在1 150℃和应变速率为0.05 s-1的情况下，峰值应变εm值异常，与总体的趋势不符，从而导致拟合结果相关度较差。删除异常点后的拟合结果如图2(b)所示，拟合相关度提高到0.926 1。

图3为修正前后峰值应变与应变之间关系的比较。从图3(b)可以明显发现，修正后不同温度下峰值应变与应变的趋势更加明显。

根据以上方法，采用温度补偿应变速率Z对峰值应变εp、稳态应变εs、发生50 %动态再结晶时的应变ε0.5及动态再结晶平均晶粒尺寸drex进行修正后代入公式，得到18MnD5钢的动态再结晶模型：

(6)

(7)

(8)

(9)

图2 修正前后Z与εm的关系Figure 2 The relations between Z and εm before and after correction

图3 修正前后材料峰值应变与应变的关系Figure 3 The relation between material peak strain and strain before and after correction

图4 不同变形量情况下平均晶粒尺寸分布(T=950℃，.5s-1)Figure 4 Average grain size distributions under different deformation situations (T =950℃，.5s-1)

图5 不同位置平均晶粒尺寸随行程变化的曲线(T=950℃，.5s-1)Figure 5 The curve of average grain size at different positions changed along stroke (T =950℃，.5s-1)

3 数值模拟分析

将动态再结晶模型输入Deform软件中，即可对18MnD5材料在不同条件下的动态再结晶情况及实现锻件平均晶粒尺寸进行预测。对∅10 mm×14 mm 18MnD5试样在不同温度及应变速率情况下热压缩变形进行热力耦合模拟，得到不同情况下锻件晶粒尺寸的变化情况。温度为950℃、应变速率为 0.5s-1和初始晶粒尺寸为100 μm情况下，不同变形量时试样平均晶粒尺寸分布情况如图4所示。从图4可以发现，在变形量为40%时，锻件中心开始发生动态再结晶；当变形量达到50%时，试样大部分区域发生了动态再结晶；当变形量达到55%时，最小平均晶粒尺寸为13.8 μm，最大平均晶粒尺寸为89.3 μm，晶粒尺寸分布明显分为三个区，即晶粒细小的中心部位大变形区、晶粒较大的上下表面难变形区和平均晶粒尺寸介于以上两区之间的试样侧面自由变形区。

选取试样上表面中点(点1)，试样高度方向3/4、宽度方向1/2半径处(点2)，试样中心(点3)三个典型部位对镦粗过程中平均晶粒尺寸进行分析(图5)。从图5可以发现，试样中心(点3)在下压量达到4.6 mm时最先发生动态再结晶，并在下压量达到7.6 mm时完成完全动态再结晶，平均晶粒尺寸达到14.4 μm。点2动态再结晶发生较点3晚，由于在试样镦粗过程中未发生完全动态再结晶，因此平均晶粒尺寸一直在减小，最后达到16.3 μm。点1与模具接触，位于难变形区，在下压量达到6.6 mm时才发生动态再结晶，最终平均晶粒尺寸达到77 μm。

4 结论

(1)采用TMTS试验机对18MnD5钢试样进行等温恒应变速率热压缩实验，得到18MnD5材料真实流变应力曲线，得到峰值应变、稳态应变、动态再结晶晶粒尺寸等重要参数。

(2)通过分析Zener-Hollomon参数与峰值应变、稳态应变及动态再结晶晶粒尺寸之间的关系，对实验结果进行修正，排除误差较大的实验数据，使得动态再结晶模型更加准确。

(3)建立了完整的18MnD5动态再结晶模型，对∅10 mm×14 mm试样在镦粗过程中平均晶粒尺寸进行了分析和预测。

[1] 《锻件质量分析》编写组.锻件质量分析.北京：机械工业出版社[M]，1983.

[2] Zener C,Hollomon H. Effect of strain-rate upon the Plastic flow of steel. Journal Application Physics[J],1944，15(l):22-27.