F45V非调质钢热锻造过程微观组织演变模型及均匀性优化研究

摘要

由于非调质钢在实际生产中大大减少了高能耗的热处理过程，并具有节能减排等经济特点，因此广泛应用于汽车领域。然而在其实际生产过程中，不仅要保证产品形状的基本要求，还应考虑如何通过塑性变形提高产品的综合机械性能。因此，热锻造过程中微观组织演变及均匀性的优化研究具有应用价值。
　　 本文选取非调质钢F45V作为研究对象，采用Gleeble-1500热模拟实验机对F45V非调质钢进行单道次压缩实验，在变形温度为950～1200℃、应变速率为0.01～10s-1的条件下，得到相应条件下的流动应力-应变曲线。由于得到的流动应力曲线具有典型的动态再结晶的特征，结合材料在热变形过程中曲线分为加工硬化-动态回复与动态再结晶两个阶段，采用Zener-Hollomon参数确定各个特征变量的数学表达式，建立F45V非调质钢高温流动应力模型，该模型与实验结果吻合较好。通过金相实验及对真应力-应变曲线的分析，建立了该材料的动态再结晶模型。
　　 将所建立的流动应力模型与微观组织演变模型导入到有限元软件DEFORM-3D中，对F45V非调质钢热变形过程中微观组织的演变进行了数值模拟，并分别分析了应变、温度与应变速率对动态再结晶分数及再结晶尺寸的影响。基于以上分析，构建出奥氏体晶粒尺寸均匀性的单目标函数。以锻造过程中初始晶粒尺寸、摩擦因子、变形温度、上模速度为影响晶粒尺寸均匀性的影响因素，通过正交实验与数值模拟相结合的方法，推算出各因素对微观组织均匀性的影响显著程度，并与实验进行对比，吻合较好。
　　 此外，由于非调质钢可以不经调质处理淬火后直接使用，因此奥氏体晶粒尺寸均匀性的优化方案就格外有意义。本文以实际生产中的汽车发动机连杆为例，对其在热塑性成形的过程中微观组织均匀性进行了数值模拟与分析。结果表明，采用了优化方案后连杆内部奥氏体尺寸分布较为均匀、尺寸差异较小，有利于其机械性能的提升。更进一步验证了数值模拟与正交实验相结合的方法具有一定的参考价值，为新产品开发和实际生产提供了一种合理的解决方案。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 非调质钢的发展概况

1．3 研究现状

1．3．1 金属高温塑性变形行为研究现状

1．3．2 微观组织模拟研究现状

1．4 研究意义及主要内容

1．4．1 研究意义

1．4．2 主要内容

1．4．3 课题来源

第2章 F45V非调质钢流动应力模型

2．1 实验材料及方案

2．1．1 实验材料

2．1．2 实验方案

2．2 应力-应变曲线分析

2．3 流动应力模型

2．3．1 加工硬化—动态回复阶段建模

2．3．2 动态再结晶阶段建模

2．4 高温流动应力模型各参数的确定

2．4．1 Z参数及激活能

2．4．2 初始应力

2．4．3 饱和应力与动态回复

2．4．4 稳态应力

2．5 流动应力模型的验证

2．6 本章小结

第3章 F45V非调质钢动态再结晶模型

3．1 动态再结晶体积分数模型

3．2 动态再结晶晶粒尺寸模型

3．2．1 微观组织金相实验

3．2．2 金相实验结果

3．2．3 再结晶晶粒尺寸模型的验证

3．3 本章小结

第4章 F45V非调质钢热锻造过程数值模拟

4．1 Deform简介

4．2 热锻造数值模拟方案的设计

4．3 模拟结果及分析

4．3．1 应变量对动态再结晶的影响

4．3．2 变形区域对动态再结晶的影响

4．3．3 应变速率对动态再结晶的影响

4．3．4 变形温度对动态再结晶的影响

4．4 本章小结

第5章 基于数值模拟微观组织均匀性的优化

5．1 F45V高温奥氏体尺寸均匀性目标函数建模

5．2 正交实验及数值模拟

5．2．1 正交实验因素水平表的建立

5．2．2 数值模拟结果

5．2．3 趋势图分析

5．2．4 最优实验方案

5．3 模拟结果与实验对比

5．4 本章小结

第6章 汽车连杆微观组织均匀性的优化

6．1 连杆数值模拟模型的建立

6．1．1 加工工艺流程

6．1．2 模型的建立

6．2 模拟结果分析

6．2．1 等效应变与温度分析

6．2．2 微观组织分布

6．3 锻件高温奥氏体晶粒尺寸均匀性的优化

6．3．1 正交实验表设计

6．3．2 数值模拟结果分析

6．4 优化前后模拟结果对比

6．5 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文及科研工作

致谢