一种贝氏体钢热成形工艺窗口的确定方法与流程

本发明属于热成形工艺窗口的确定技术领域。具体为一种贝氏体钢热成形工艺窗口的确定方法。

背景技术：

合金热成形件的性能质量主要取决于热力过程及成形工艺参数，对于给定的热力过程，当原始组织及变形历史一定时，成形参数主要包括温度、变形程度及应变速率。实践证明：适宜的成形参数组合可保证合金良好的成形性及均匀的产品组织，而不合适的成形参数组合将导致金属或合金不良的成形性及劣质的产品性能。因此，热成形工艺窗口应位于温度-变形程度-应变速率空间中的成形安全区(稳定区)，并确保产品内部无缺陷且微观组织理想。

根据动态材料模型而构建的热加工图是鉴别材料成形安全区(稳定区)及不安全区(非稳定区)、优化热成形工艺参数的重要工具，“一种高温合金gh984g18热加工工艺的制定方法”(cn201511025177)专利技术，通过热模拟实验，确定材料在不同温度、应变速率下的可加工范围，分析不同的变形工艺参数对合金变形组织的影响，以热压缩得到的应力应变曲线为基础绘制不同应变条件的热加工图，根据各热加工图中的能量耗散值判断热加工的最佳加工区域、安全区和失稳区域，通过热加工图中的安全区域和危险区域描述得到具体的热加工工艺窗口。“一种镁合金热加工工艺优化新方法”(cn201710028472)专利技术，将合金的热加工图和动态再结晶等高线图进行叠加，选择加工安全区和发生完全动态再结晶的共同区域所对应的变形参数作为合金适宜的热加工工艺参数。“一种优化铝合金热加工工艺的方法”(cn201711265241)根据包含有动态再结晶发生区域的热加工图，选择等值轮廓线稀疏、能耗值较高且发生动态再结晶的安全区域所对应的热变形参数对铝合金材料进行加工。

位错运动是合金的主要变形机制，表观激活能是表征位错运动阻力大小的量化指标，其值变化将引起晶粒尺寸的较大变化，并导致变形区域的微观缺陷，然而，上述各合金加工工艺的确定方法均未涉及合金表观激活能变化对成形件性能质量的影响。

技术实现要素：

本发明旨在克服现有技术缺陷，目的在于提供一种贝氏体钢热成形工艺窗口的确定方法，该方法能有效避免贝氏体钢出现粗晶、混晶和裂纹等缺陷，获得相对均匀的动态再结晶组织，从而显著提高产品质量。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

1)将贝氏体钢试样以10k/s的速率加热至1500k，保温3～5min；再以3k/s的速率冷却至1150～1500k，保温2～3min；然后在相同温度的条件下，以变形速率等温压缩至真应变ε＝0.7，获得贝氏体钢高温塑性变形时的真应力σ和真应变ε数据，得到σ-ε曲线。

2)依据σ-ε曲线，设定关于真应力σ、真应变ε、变形温度t和变形速率间的函数关系

式(1)中：a0、a1、a2……a11表示不同的回归系数；所述回归系数的取得：将步骤一得到的真应力σ、真应变ε、变形温度t和变形速率代入式(1)，即得回归系数的具体数值：

a0＝1.05319e+01；a1＝-4.75250e-03；a2＝-4.37606e-09；a3＝1.75814e-05；a4＝-2.32102e-02；a5＝-4.07973e-01；a6＝4.33500e-01；a7＝-4.91153e-04；a8＝-2.47840e-04；a9＝1.01443e+01；a10＝-6.16723e-04；a11＝8.21663e-01。

再用所述回归系数的具体数值替换式(1)中对应的a0、a1、a2……a11，得到贝氏体钢的本构关系模型。

3)根据所述真应力σ、真应变ε和所述本构关系模型，依次确定：

速度敏感系数功率耗散系数和失稳系数

在变形温度-应变速率的对数坐标系中，分别绘制功率耗散系数η分布图和失稳系数ξ分布图，再将功率耗散系数η分布图和失稳系数ξ分布图叠加，得到热加工图。

4)根据所述真应力σ数据、真应变ε数据和所述本构关系模型，确定θ-σ曲线关系，θ表示应变硬化速率，

依动态再结晶的开始点对应于θ-σ曲线的拐点，确定贝氏体钢的动态再结晶条件，在热加工图中画出动态再结晶区。

5)依失稳系数ξ大于0的区域为成形安全区，确定所述热加工图中的安全区和动态再结晶区的重叠区。

6)根据所述真应力σ数据、真应变ε数据、本构关系模型和变形与热力参数间的函数关系确定激活能q，然后在所述重叠区中绘制激活能q等值线图。

所述变形与热力参数间的函数关系中：a表示材料常数；n为应力指数；r为气体常数。

7)以所述重叠区内激活能q等值线稀疏且激活能q的相对标准差≤1％的区域为热成形工艺窗口。

所述贝氏体钢按质量百分含量计的化学成分为：

0.053c-0.310si-1.567mn-0.014p-0.005s-0.246mo-0.014ti-0.236ni-0.0012b。

所述贝氏体钢试样的尺寸为

由于采用上述技术方案，本发明具有如下的优点和有益效果：

1.本发明基于热压缩获得的真应力σ和真应变ε数据确定贝氏体钢的动态再结晶条件，绘制不同应变的热加工图和激活能图，以热加工图中的安全区和动态再结晶区的重叠区域内激活能q变化最小且波动不超过1％的区域为对应应变的热成形工艺窗口，因而在所确定的工艺窗口内成形不但能有效避免出现粗晶、混晶和裂纹等缺陷，还能得相对均匀的动态再结晶组织，从而显著提高产品质量。

2.本发明给出了贝氏体钢在不同变形程度下的热成形温度和应变速率范围，为实际工件的锻造、轧制等成形工艺提供现实指导。

3.本发明基于热压缩获得的真应力σ和真应变ε数据确定贝氏体钢的热成形工艺窗口，所述方法适用于类似产品的开发研究，可避免实验室实验、工业实验带来的时间、成品判废等造成的损失，从而节约产品开发时间，降低开发成本。

因此，本发明能有效避免贝氏体钢出现粗晶、混晶和裂纹等缺陷，获得相对均匀的动态再结晶组织，从而能显著提高产品质量。

附图说明

图1为本发明在变形温度为1473k时的σ-ε曲线；

图2为本发明在应变为ε＝0.20的热成形工艺窗口图；

图3为本发明在应变为ε＝0.35的热成形工艺窗口图；

图4为本发明在应变为ε＝0.20的热加工图；

图5为本发明在应变为ε＝0.20的激活能图；

图6为本发明在应变为ε＝0.20的不稳定区和再结晶区图；

图7为本发明在应变为ε＝0.35的热加工图；

图8为本发明在应变为ε＝0.35的激活能图；

图9为本发明在应变为ε＝0.35的不稳定区和再结晶区图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制。

实施例1

一种贝氏体钢热成形工艺窗口的确定方法。本实施例所述贝氏体钢的化学成分(按质量百分含量计)为：

0.053c-0.310si-1.567mn-0.014p-0.005s-0.246mo-0.014ti-0.236ni-0.0012。

贝氏体钢试样的尺寸为

1)将贝氏体钢试样以10k/s的速率加热至1500k，保温3～5min；再以3k/s的速率冷却至1150～1500k，保温2～3min；然后在相同温度的条件下，以变形速率等温压缩至真应变ε＝0.7，获得贝氏体钢高温塑性变形时的真应力σ和真应变ε数据，得到如图2所示的σ-ε曲线。

2)依据σ-ε曲线，设定关于真应力σ、真应变ε、变形温度t和变形速率间的函数关系

式(1)中：a0、a1、a2……a11表示不同的回归系数；所述回归系数的取得：将步骤一得到的真应力σ、真应变ε、变形温度t和变形速率代入式(1)，即得回归系数的具体数值：

a0＝1.05319e+01；a1＝-4.75250e-03；a2＝-4.37606e-09；a3＝1.75814e-05；a4＝-2.32102e-02；a5＝-4.07973e-01；a6＝4.33500e-01；a7＝-4.91153e-04；a8＝-2.47840e-04；a9＝1.01443e+01；a10＝-6.16723e-04；a11＝8.21663e-01；

再用所述回归系数的具体数值替换式(1)中对应的a0、a1、a2……a11，得到贝氏体钢的本构关系模型；

3)根据所述真应力σ、真应变ε和所述本构关系模型，依次确定：速度敏感系数功率耗散系数和失稳系数

在变形温度-应变速率的对数坐标系中，分别绘制功率耗散系数η分布图和失稳系数ξ分布图，再将功率耗散系数η分布图和失稳系数ξ分布图叠加，得到热加工图。

4)根据所述真应力σ数据、真应变ε数据和所述本构关系模型，确定θ-σ曲线关系，θ表示应变硬化速率，

依动态再结晶的开始点对应于θ-σ曲线的拐点，确定贝氏体钢的动态再结晶条件，在热加工图中画出动态再结晶区。

5)依失稳系数ξ大于0的区域为成形安全区，确定所述热加工图中的安全区和动态再结晶区的重叠区。

6)根据所述真应力σ数据、真应变ε数据、本构关系模型和变形与热力参数间的函数关系确定激活能q，然后在所述重叠区中绘制激活能q等值线图。

所述变形与热力参数间的函数关系中：a表示材料常数；n为应力指数；r为气体常数。

7)以所述重叠区内激活能q等值线稀疏且激活能q的相对标准差≤1％的区域为热成形工艺窗口。

本实施例以热压缩实验得到的真应力σ数据、真应变ε数据为基础确定动态再结晶条件，若则应力达到动态再结晶临界应力时需满足z≤1.694×10¹⁷，应变达到动态再结晶临界应变需满足ε≥8.61642×10^-4z^0.1456，在由变形温度-应变速率组成的坐标系中绘制如图4所示的变形程度ε＝0.2的热加工图、如图5所示的激活能图，根据热加工图确定成形安全区，以热加工图中的安全区和动态再结晶区的并集区域即图6中标记b的区域为可行工艺窗口，以可行工艺窗口内激活能变化最小且波动不超过1％的区域为对应应变ε＝0.2的热成形工艺窗口。与之相对应，热成形工艺窗口为由方程

t-1500≤0

包围的如图2所示的区域，即图2中的阴影部分。

实施例2

一种贝氏体钢热成形工艺窗口的确定方法。本实施例所述贝氏体钢的化学成分(按质量百分含量计)为：

0.053c-0.310si-1.567mn-0.014p-0.005s-0.246mo-0.014ti-0.236ni-0.0012。

贝氏体钢试样的尺寸为

1)将贝氏体钢试样以10k/s的速率加热至1500k，保温3～5min；再以3k/s的速率冷却至1150～1500k，保温2～3min；然后在相同温度的条件下，以变形速率等温压缩至真应变ε＝0.7，获得贝氏体钢高温塑性变形时的真应力σ和真应变ε数据，得到σ-ε曲线。

2)依据σ-ε曲线，设定关于真应力σ、真应变ε、变形温度t和变形速率间的函数关系

式(1)中：a0、a1、a2……a11表示不同的回归系数；所述回归系数的取得：将步骤一得到的真应力σ、真应变ε、变形温度t和变形速率代入式(1)，即得回归系数的具体数值：

a0＝1.05319e+01；a1＝-4.75250e-03；a2＝-4.37606e-09；a3＝1.75814e-05；a4＝-2.32102e-02；a5＝-4.07973e-01；a6＝4.33500e-01；a7＝-4.91153e-04；a8＝-2.47840e-04；a9＝1.01443e+01；a10＝-6.16723e-04；a11＝8.21663e-01；

再用所述回归系数的具体数值替换式(1)中对应的a0、a1、a2……a11，得到贝氏体钢的本构关系模型；

3)根据所述真应力σ、真应变ε和所述本构关系模型，依次确定：速度敏感系数功率耗散系数和失稳系数

在变形温度-应变速率的对数坐标系中，分别绘制功率耗散系数η分布图和失稳系数ξ分布图，再将功率耗散系数η分布图和失稳系数ξ分布图叠加，得到热加工图。

4)根据所述真应力σ数据、真应变ε数据和所述本构关系模型，确定θ-σ曲线关系，θ表示应变硬化速率，

依动态再结晶的开始点对应于θ-σ曲线的拐点，确定贝氏体钢的动态再结晶条件，在热加工图中画出动态再结晶区。

5)依失稳系数ξ大于0的区域为成形安全区，确定所述热加工图中的安全区和动态再结晶区的重叠区。

6)根据所述真应力σ数据、真应变ε数据、本构关系模型和变形与热力参数间的函数关系确定激活能q，然后在所述重叠区中绘制激活能q等值线图。

所述变形与热力参数间的函数关系中：a表示材料常数；n为应力指数；r为气体常数。

7)以所述重叠区内激活能q等值线稀疏且激活能q的相对标准差≤1％的区域为热成形工艺窗口。

以热压缩实验得到的应力应变数据为基础确定动态再结晶条件，若则应力达到动态再结晶临界应力时需满足z≤1.694×10¹⁷，应变力达到动态再结晶临界应变需满足ε≥8.61642×10^-4z^0.1456，在由变形温度-应变速率组成的坐标系中绘制如图7所示的变形程度ε＝0.35的热加工图、如图8所示的激活能图，根据热加工图确定成形安全区，以热加工图中的安全区和动态再结晶区的并集区域即图9中标记b的区域为可行工艺窗口，以可行工艺窗口内激活能变化最小且波动不超过1％的区域为对应应变ε＝0.35的热成形工艺窗口，与之相对应，热成形工艺窗口为由方程

t-1500≤0

包围的如图3所示的区域，即图3中的阴影部分。

本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：

本具体实施方式基于热压缩获得的应力-应变数据确定合金的动态再结晶条件，绘制不同应变的热加工图、激活能图，以热加工图中的安全区和动态再结晶区的并集区域内激活能变化最小且波动不超过1％的区域为对应应变的热成形工艺窗口，因而在所确定的工艺窗口内成形不但可避免出现粗晶、混晶、裂纹等缺陷，还可获得相对均匀的动态再结晶组织，从而确保产品的性能质量。

本具体实施方式基于热压缩实验获得的应力-应变数据确定合金的热成形工艺窗口，可避免实验室实验、工业实验带来的时间、成品判废等造成的损失，从而节约产品开发时间，降低开发成本。