球阀零件复合轧环热变形与组织性能演变作用机制研究

摘要

球阀以其密封可靠、结构紧凑、压力等级高、维修方便等特点，被广泛应用于水利水电、石油化工、市政建设等行业中。其中球阀芯作为球阀的主要构件，优化它的生产工艺是球阀生产的重点。传统的球阀芯加工方法主要有三种：传统铸造、热锻+机加工、模压+焊接+机加工。后通过改进，提出了锻轧结合的工艺方法，但此种工艺方法形成球面的过程过于繁杂，而单一的普通环件轧制工艺又难以实现球面的成形。
　　本文通过进行热力模拟实验：加热保温实验、单道次热压缩实验、双道次热压缩实验和单道次热压缩保温实验，建立了Q345E钢的高温流变应力模型、奥氏体晶粒尺寸长大模型、再结晶体积百分数预测模型和再结晶晶粒尺寸预测模型。并通过二次开发，建立了在SIMUFACT平台上可进行可靠运算的材料本构模型子程序。
　　借助SIMUFACT模拟平台和子程序，建立了不同初轧温度、不同进给速度和不同初始晶粒尺寸的球阀芯复合轧环有限元仿真模型，并同时开展了不同变形量和不同初轧温度的球阀芯复合轧环工艺实验。通过对比环件的直径和晶粒尺寸实验值和模拟值验证了有限元模型的宏微观可靠性。以金属流动速度、等效应变和温度为指标，分析了热变形演变规律，以平均晶粒尺寸、动态再结晶体积分数和组织形貌为指标，分析了组织演变规律，以硬度为指标，分析了性能演变规律。
　　通过对热变形、组织和性能演变规律的总结，揭示了复合轧环工艺中变形-温度-晶粒细化之间的协同演变规律，建立了不同工艺条件下球阀芯平均晶粒尺寸最值的预测模型，并揭示了热变形-水冷组织-性能间的关联关系，并从复合轧环工艺角度提出了球阀芯组织性能优化措施，充分肯定了复合轧环工艺的可行性和优越性。
　　通过以上分析，完善了Q345E钢高温微观组织演变性能；一定程度实现了根据球阀芯宏观热变形预测其晶粒尺寸分布、组织分布以及性能优良的目的。这对利用复合轧环工艺生产球阀芯具有一定的指导意义。

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第1章 绪论

1.1 球阀芯成形工艺现状

1.2 复合轧环工艺

1.3 课题来源、目的及意义

1.4 本文主要研究内容

第2章 球阀芯材料Q345E钢的材料本构模型

2.1 Q345E钢材料本构模型建立的背景及准备

2.2 Q345E钢高温流变应力模型

2.3 Q345E钢奥氏体晶粒长大模型

2.4 Q345E钢再结晶体积百分数预测模型

2.5 Q345E钢再结晶晶粒尺寸预测模型

2.6 二次开发Q345E钢材料本构模型子程序

第3章 球阀芯复合轧环热变形与组织性能演变规律

3.1 球阀芯与轧辊的尺寸参数

3.2 球阀芯特征点和特征平面的选取

3.3 球阀芯复合轧环常见内凹缺陷的处理

3.4 球阀芯复合轧环热变形规律

3.5 球阀芯复合轧环组织演变规律

3.6 球阀芯复合轧环硬度演变规律

第4章 球阀芯复合轧环热变形-组织-性能关联关系

4.1 变形-温度-晶粒细化关联关系

4.2 球阀芯成形件上平均晶粒尺寸最值的预测模型

4.3 球阀芯良好性能与其组织状态的关系

4.4 组织状态优化与热变形的关联关系

4.5 球阀芯复合轧环组织性能优化措施

第5章 结论与展望

5.1 研究结论

5.2 研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间获得的科研成果