大型柴油机曲轴热成形过程微观组织演化模拟

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

目前大型柴油机曲轴主要是采刚镦锻成形技术，镦锻成形通过中频加热棒料成形部分，用模具的水平和竖直两种运动热锻成形。热锻出的曲轴具有明显的全纤维组织，力学综合I生能良好的特点，也就是常说的改性”，使锻件能适合复杂的受力条件Ⅲ。改性”主要是改变材料微观组织结构，大量试验证明材料的微观组织性能决定了宏观行为和特征。产生的这些效果难以用经验设计及生产实验的方法精确分析○属材料加热到静态再结晶、中间动态再结晶、动态再结晶的演化机理和结晶成长部在模型中被汁算。在每 -个时间步里，基于时日J、温度、应力、应力速率、演化历史，变形机制被定义，晶粒的变化被计算和更新利用热加工过程控制晶粒大小 ，细化微观组织，是提高产品力学性能的重要手段，目前的有限元技术，对材料在热塑性变形中除了应力和应变的变"ft$1-，还要发生复杂的微观组织变化，即动态再结晶、静态.再结晶、晶粒生长等 。

2有限元模型建立研究表明，再结晶的晶粒尺寸和再结晶晶粒卣分比，除了和原始晶粒尺寸与微量元素含量有关外，主要撒于变形及冷却过程的温度、应变和应变速率。存实验室通过热力模拟试验，可以获得材料的准经验数学模型，其经验模型大都是通过试验数据回归获得 Avrami形式的数学模型[51。

2.1有限元模型建立图 1模具和坯料有限元网格及其装配关系Fig.1 The Fe Mesh of the Die and Rough and Their Assemble Relations采用某-大型柴油机曲轴的第-拐锻造过程为例，首先建立有限元模型，把坯料和模具的几何CAD模型导人CAE软件中划分网格，L大J为计算机资源的限制，取坯料的-部分分析，在网格的划分上把握细节 ，对变形剧烈的地方适当加密，最后坯料划分网格为36470个四面体单元，8235个节点，模具及坯料网格装配关系，如图1所示。计算用曲轴材料为美国牌号AISI-1050($H当于l1国的 50Mn)，模具材料 42CrMo热作磨具钢。设置坯料为塑性体，模具为弹塑性体；坯料在镦锻处的温度为 1 15。C，为了模拟来稿 日期：2012-08-10作者简介：孙永刚，(1978-)，男，河北抚宁人，硕士研究生，主要研究方向：汽车CAE仿真第 6期 孙永刚：大型柴油机曲轴热成形过程微观组织演化模拟 271中频加热的过程，在高温附近手动添加温度梯度，模具的温度为20。C。模型和外界的对流因子为 O.02N/s·mIl·。C；定义接触边界，定义剪切摩擦凶子为0.3，坯料与模具间的传热因子 12；根据锻压机床的运动特点，添加模具的水平运动，以速度单位，竖直冲头是按照生产中成形较好的情况下添加 。

2-2模拟成形结果通过模拟，提柔果位移及整体外形，如图2所示∩以看出材料的流动大概的位移方向，成型的形状，有无塌角，飞边设计是否合理等。这些是宏观的分析结果，那么微观结构，重要的参数，材料的品粒尺寸，晶粒度的分布如何却不能得出▲行微观组织的模拟是很有必要的，需要了解各个部分的微观组织特性，这些对曲轴后面的机加工和热处理丁序有很重要的参考意义。

图2镦锻完成时的位移云图Fig.2 The Displacement Drawing at the End of the Forging3微观组织模拟3.1微观组织模拟理论及-些参数设置微观组织模拟必须提取曲轴热成形过程的各个参数来进行演化模拟，所以在工艺模拟之后进行。微观组织变化与宏观变形具有强烈的耦合作用，其中主要的变化机制有：动态回复、动态再结晶、动态晶粒长大、相变等。而且多种机制共存是高温锻造的-个重要力学特征。在热变形过程中，当所施加的应变量达到动态再结晶临界应变 时开始发生动态再结晶，没有达到动态再结晶临界应变 时可能发生静态再结晶，或者在动态再结晶后期的间隙时间内发生压动态再结晶。这些过程描述的数学模型有些尚未成熟，有些已经被国内外的学者公认。微观组织分析算法常用的有相场动力学法、蒙特卡洛方法、元胞自动机(Celular Automata)方法等，其中元胞 自动机法是 目前处理微观组织模拟比较成熟的方法，它主要用来描述复杂系统在离散空间、时间上演化规律的数学算法m。其中这里的分析设置是矩形的点格 ，点格个数是(100100)，边长5I.Lm，邻居关系采用 MOORE型邻居关系。动态再结晶模型采用 n 1Avrami方程描述：X1-expl-kf兰兰1 I (1) 5 / J式中： -动态再结晶体积 百分比；s-应 变 值；s(-动 态 再 结晶临界；铀 -动态再结晶百分数50%的应变值； ，，r-与材料性能有关的常数。

除了动态再结晶模型，很关键的就是位错密度模型，这里离采用修正后的 Laasraoui-Jonas模型。模型数学表达式如下： (～rp )de-p d8 (2)hh(1咖 I)exp(-mQ/RT) (3)r-ro(/en)%xp(-mQ/Rr，) (4)式中：- 硬化敏感系数 ； 变形激活能； I厂顿 化常数；回复常数；sd.-应变率校准常数。

热变形过程使位错能逐渐转化成晶界能的过程，宏观上它使应力下降，微观上晶粒细化。这-过程受到变形的温度、应变率、应变以及材料原始晶粒度、合金中的微量元素等影响，这里只考虑前三种影响。曲轴的材料为42CrMo，用中频加热到 1 100C以上，充分奥氏体化后平均晶粒度为 100txm，初始晶粒度也是 lO01m。再结晶过程的形核及长大模型目前还不成熟，这里结晶动力学模型采用比较合理的位错密度限值和统计概率模型。位错密度限值设置为0.02/Ixm ，概率设置为0.01 晶粒长大的方向设置为晶界的垂直方向，速度为V，单位Im/s，晶界移动速度计算的数学模型如下：，2 r 介 1VMp ，肚 Doexpl I (5)(6)式中： -晶界活动系数 ；p厂单位面积上的驱动力 ； -波尔兹蔓常数 ；D 广边界扩散系数；(J -边界扩散激活能。

3-2微观组织分析结果讨论图 3选取的内部演化节点Fig.3 The Internal Chosen Evolution Nodes6O0 600 601 6OI 602 OU2Time(sec)图4演化节点的应变-时间变化曲线Fig.4 i'he Strain-Time Curve of the Evolution Node选取图2曲轴剖面处的5个节点为演化样本，分别代表着曲轴成型的不同部分-始没有受力，通过加热到充分奥氏体化后模具加压，随着形变量的增加，奥氏体组织中的位错密度增加，形变带增多，形变抗力增大，当位错密度增加到-定程度时动态再结晶开始。曲轴选取的第 1个节点的应变随时间的变化曲线，如图3所示。初始阶段应变小再结晶没有发生，而是累积位错，使272 机械设计与制造No.6June.2013位错密度增加，0.6s之后的曲轴坯料内才开始发生了部分的再结晶，结晶的形貌如左上面的彩色图，晶粒尺寸并不均匀，新的晶核产生，面积大的晶界是原始晶界，新晶粒尺寸逐渐开始长大。经过2s后 ，曲轴成型基本完成，晶界的形貌为图 3的右上彩图，晶粒数量有所增加，晶粒平均尺寸较最初的奥氏体化时有所减小，但减小的程度不大。其他4个节点结晶的形貌和第-点类似，不同的是在结束时的晶粒尺寸有所差别。曲轴的镦锻工艺基本可以分成预弯-预镦-镦弯复合-终镦等四个步骤，而每个工序的模具进给的速度是可以调整的。通常情况模具的受力，根据分析的过程看：预弯占弯曲位移的较小比重；预镦和镦弯复合工艺占模具整个位移的大部分，速度也是最高的；而终镦的收尾工序要求的模具进给位移较小，且速度较熳I8l。整体曲轴内部材料在受力上不是均匀的，所以很难得到镦锻区域内非常均匀的晶粒度，保持晶粒度的均匀过渡是获得高强度高韧性曲轴地唯-办法♂合微观组织模拟来优化工艺是曲轴提高产品质量的发展方向之-。

4结论柴油机的工作粗暴，爆发力大，需要高强度的曲轴来传力，从大型曲轴的制造工艺看，曲轴锻造工艺对曲轴的内部微观组织重要影响，内部晶粒细孝均匀的曲轴锻件可以大幅提高柴油机的使用可靠陛。通过模拟演化金属材料动态再结晶的过程来获得锻造工艺结束时的晶界形貌可以很好的掌握曲轴的未来使用性能。反过来通过改变优化工艺来获得良好的微观组织也未尝不是提高目前工艺设计和优化水平的-种方法。关键技术是材料微观组织演化算法和材料的特生参数还有待提高，这也是未来科学研究的方向之-。