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高温变形下GCr15钢的显微组织建模与模拟

摘要

通过物理实验和有限元方法（FEM）研究和模拟最常用的轴承钢之一的GCr15钢的显微组织演变，其中，物理实验是在Gleeble-3500热模拟机上进行。通过设定不同的加热温度、保温时间和变形程度，研究初始晶粒尺寸和塑性应变对材料微观组织的影响。基于应力 - 应变曲线和金相分析的结果，采用线性回归法和遗传算法建立GCr15钢的流变应力，奥氏体晶粒长大和动态再结晶的本构方程。此外，将推导出的本构模型和耦合热力学有限元方法结合模拟出GCr15钢在热压缩过程中的微观组织演变。模拟结果与实验结果吻合良好，这也证实了推导的本构模型可以很好地用于预测GCr15钢热变形过程中的微观组织演变。

关键词

微观组织建模 有限元模拟 钢 热力学分析

1．介绍

过去几十年的广泛研究表明，在热变形过程中会发生几种热激活冶金现象，如晶粒长大，动态回复，动态再结晶和相变^[1-2]。这些冶金现象将极大地影响加工材料的微观组织，并在很大程度上决定着产品的力学性能[3]，[4]，[5]。为保证和提高产品的力学性能，需要精确地控制热变形过程中材料的微观组织。

随着数值模拟方法的发展，有限元成为模拟和预测材料在热变形过程中的微观组织演变的有效方法[6]，[7]，[8]，[9]。在建立有限元模拟模型的过程中需要建立材料的微观组织演变与工艺参数之间的本构关系。在过去的几十年中，材料的微观组织演变总是被描述为内部和外部变量的函数，其中外部变量包括变形温度、应变速率和应变历史，而内部变量由初始结构和材料特性组成[10]，[11]。Sellars和Whiteman [12]提出的经验模型已广泛应用于当今热变形过程中钢的微观组织建模。

2012年，Chen等人通过热压缩实验研究了42CrMo钢的动态再结晶行为，并提出了42CrMo动态再结晶行为的动力学方程。实验和预测结果之间的良好一致性表明其提出的微观组织演化模型可以准确预测42CrMo钢在热变形过程中的动态再结晶行为[13]。Lv等人也通过Gleeble-1500热力学模拟机进行热压缩实验研究了Mg-2.0Zn-0.3Zr合金的动态再结晶行为[14]。Li等人通过热模拟试验研究了Al-Zn-Mg-Sc-Zr合金的流动行为及其在热压缩变形过程中的微观组织演变。根据实验结果，他们指出，在较高的变形温度或较低的应变速率下，再结晶晶粒的晶粒尺寸和体积分数增加[15]。Deng等人通过热压试验研究了7050铝合金的组织演变，结果表明，峰值应力随着变形温度的升高或应变率的降低而降低，均匀的7050铝合金的主要软化机制是动态回复[16]。Li等人通过等温压缩试验研究了含Ag 的2519铝合金的热变形行为和材料在变形过程中的微观组织演变[17]。Ebrahimi等人采用热压缩试验研究了奥氏体在超奥氏体不锈钢中的动态再结晶行为，并利用双曲正弦方程研究了变形温度和应变速率对动态再结晶过程中流变应力的影响[18]。

上述研究均通过物理实验或有限元模拟方法成功地预测了热变形过程中特定材料的微观组织演变。GCr15钢（AISI-52100）作为最常用的轴承钢之一，具有高耐磨性，耐腐蚀性和良好的尺寸稳定性。通过热变形技术，它已被广泛用于制造轴承套圈，滚珠丝杠和其他机械部件[19]。为保证和提高产品的机械性能，应精确地控制GCr15钢在热变形过程中的显微组织演变。然而，据作者所知，从未报道过针对高温变形过程中GCr15钢的微观组织建模和模拟的文献。

在这项研究中，通过物理实验和有限元方法研究和模拟GCr15钢在热变形过程中的微观组织演变。为了制定GCr15钢奥氏体晶粒长大的本构方程，在Gleeble-3500热模拟实验机上将直径为8mm，高度为12mm的试样加热到950-1150°C的温度范围，保温时间范围为0-480s。等温压缩实验是在温度范围内950-1150℃进行，在0.1-10s^-1的应变速率范围内研究GCr15钢的动态再结晶行为。在实验结果和金相分析的基础上，采用线性回归法和遗传算法揭示了GCr15钢的流变应力，奥氏体晶粒长大和动态再结晶的本构方程。此外，在DEFORM-2D平台上将本构模型与有限元模拟相结合，模拟了GCr15钢在热变形过程中的微观组织演变。研究结果表明，计算结果与实验结果吻合较好，证实了所建立的本构模型可以很好地地用于预测GCr15钢在热变形过程中的微观组织演变。

2 材料和实验程序

本研究中使用的材料是GCr15连铸板坯。表1显示了该材料的化学组成。从板坯的中心制造直径为8mm，高度为12mm的试样。为了制定GCr15钢的奥氏体晶粒生长和动态再结晶的本构方程，分别在Gleeble- 3500热模拟系统上进行等温加热和压缩实验。

表1 GCr15钢的化学成分（重量％）

图1（a）说明了设计用于奥氏体晶粒生长建模的实验流程。以5℃/ s的加热速率将样品分别加热至950℃，1000℃，1050℃，1100℃和1150℃，为，并保温0秒，120秒，300秒和480秒后立即进行淬火处理。为了建立GCr15钢动态再结晶行为的本构方程，在图2所示的Gleeble-3500热模拟机上进行热压缩实验。变形温度为950℃，1000℃，1050℃，1100℃和1150℃，应变速率为0.1s^-1，1 s^-1,5 s^-1，10 s^-1。图1（b）展示出了热压缩实验的详细实验过程。将试样加热至规定温度并保持480秒，然后将它们以恒定的应变速率压缩至指定高度并用水快速冷却。等温压缩实验中的变形程度为50％。通过设定从120s到480s的不同的保温时间，从40％到60％的不同的变形程度，以揭示初始晶粒尺寸和塑性应变对材料微观组织演变的影响。

图1 （a）奥氏体晶粒生长模型和（b）GCr15钢的动态再结晶模型的实验程序。

图2 （a）Gleeble-3500系统; （b）压缩区域和（c）热压缩过程。

然后，沿着对称轴分割淬火的样品，在研磨和抛光过程之后，用饱和的苦味酸水溶液和几滴洗涤剂进行腐蚀，以显示出原始的奥氏体晶界。通过金相显微镜观察奥氏体晶粒，并根据ASTM：E112-12使用线性截距法测量和评价平均晶粒尺寸。

3 结果和讨论

3.1 微结构演化模型

3.1.1奥氏体晶粒长大

图3为加热温度为950℃而保温时间不同的GCr15钢的原始奥氏体晶界的光学显微照片。从图3中可以看出，平均奥氏体晶粒尺寸随着随后的保温时间的增加而增加。保温时间0s,120s,300s,480s的GCr15钢的平均奥氏体晶粒尺寸分别为11.157微米，19.380微米，23.560微米和25.120微米。

图3 GCr15钢的原奥氏体晶界的光学显微照片，950℃加热温度，随后等温保持：（a）0s; （b）120s; （c）300s和（d）480s。

图4显示了加热温度分别为（a）1000℃，（b）1050℃，（c）1100℃和（d）1150℃然后立即水淬的GCr15钢的原始奥氏体晶界的光学显微照片。从