一种C-Mn-Al高强度钢热变形组织演变机制及热加工性能的确定方法技术

本发明专利技术属于高强度钢加工工程技术领域，特别涉及一种C‑Mn‑Al高强度钢热变形组织演变机制及热加工性能的确定方法。本发明专利技术首先对新型C‑Mn‑Al高强度钢进行高温压缩实验，获得钢的真应力‑真应变曲线数据，然后建立钢的流变应力预测模型，模型选择基于蠕变理论、考虑了杨氏模量和奥氏体的自扩散系数与温度关系的一类具有物理基础的本构模型，建立的本构模型能准确预测钢的流变应力；建立钢的热变形加工图，结合显微组织确定加工图中不同区域的组织演变机制。将热变形本构模型和加工图结合起来，分析任意变形条件下的热变形流变应力和热变形功率耗散效率，从而得到对应的组织演变机制及热加工性能信息，结果对高强度钢热加工过程控制有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种C-Mn-Al高强度钢热变形组织演变机制及热加工性能的确定方法
本专利技术属于高强度钢加工工程
，特别涉及一种C-Mn-Al高强度钢热变形组织演变机制及热加工性能的确定方法。
技术介绍
为了节约能源以及保护环境，迫切需要开发具有良好塑韧性的高强度钢，包括TRIP钢。基于C-Mn-Si合金系统开发了常规TRIP钢，采用高硅含量的目的是为了抑制冷却过程中渗碳体的形成以便增加残余奥氏体的稳定性及数量。然而，高硅含量可能使钢产生缺陷，如坚硬的氧化层、差的表面性能和低的涂层能力。由于Al替代Si能消除Si的这些有害影响，故C-Mn-Al-Si或C-Mn-Al基TRIP钢引起了越来越多的关注，人们对此类钢的显微组织和力学行为进行了大量的研究，但对其热变形行为的研究较为缺乏。动态再结晶是一种非常普遍而重要的变形机制，在动态再结晶过程中，发生了明显的组织重建，可以大大地消除原始组织中的各种缺陷，微观的组织变化导致宏观上加工塑性的提高和变形抗力的减少。在动态再结晶过程的前期总会有动态回复发生，因为动态回复过程中发生的位错的消除和重排，可以形成一定尺寸的胞状结构和大角度取向差的界面，这正是为动态再结晶提供新核的条件。在热加工过程中动态再结晶是一个安全的变形机制，为了获得良好的热变形显微组织，在制定热加工工艺时要将变形参数尽量控制在合金的动态再结晶机制发挥作用的范围内。热变形本构方程能表示应力、应变、温度和应变速率这类可以在宏观对象上测定到的物理量间关系。本构方程的优点是可以直观的得到在某一变形条件下的流变应力，但不能单纯通过流变应力曲线的信息确定材料的组织演变机制及热加工性能。动态材料模型是根据大应变量塑性变形条件下的不可逆热动力学、物理系统模拟和连续力学等方面的基本原理建立起来的。动态材料模型的加工图可通过少量的实验准确反映材料在不同变形条件下的组织演变规律及机理，进而可以用来优化材料的热加工工艺，但通过加工图不能得到流变应力曲线的信息。经检索，中国专利申请号为201610131725.3的申请案公开了一种评估金属材料热加工性能的方法，该方法包括以下步骤：(1)在设计的热变形条件下，进行金属材料的高温压缩试验，获得金属材料的真应力-真应变数据；(2)建立描述金属材料高温流变应力的改进型双曲正弦本构模型，并通过编程实现；(3)建立金属材料热加工耗散效率评估模型和失稳判据模型，并通过编程实现；(4)采用步骤(2)和(3)中建立的预测高温流变应力模型、热加工耗散效率评估模型和失稳判据模型，可以预测任意变形条件下的金属材料的流变应力、热加工耗散效率和失稳系数，从而实现对任意变形条件下金属材料热加工性能的综合评估。但该申请案仍是采用传统的双曲正弦本构模型，其预测结果的准确度仍有待进一步提高。
技术实现思路
1.专利技术要解决的技术问题本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种C-Mn-Al高强度钢热变形组织演变机制及热加工性能的确定方法。采用本专利技术的方法能够更准确地判断C-Mn-Al高强度钢在不同条件下的热变形组织演变机制及热加工性能，对于C-Mn-Al高强度钢热加工工艺的合理制定具有重要的指导意义。2.技术方案为达到上述目的，本专利技术提供的技术方案为：本专利技术的一种C-Mn-Al高强度钢热变形组织演变机制及热加工性能的确定方法，该方法包括以下步骤：步骤1：在不同变形温度和应变速率下对钢进行高温压缩实验，获得钢的真应力-真应变曲线数据；步骤2：建立预测C-Mn-Al高强度钢高温流变应力的本构模型，该本构模型选择基于蠕变理论，考虑了杨氏模量和奥氏体的自扩散系数与温度关系的一类具有物理基础的模型，如下式所示：上式中，是应变速率(s-1)，T是温度(K)，σ是流变应力(MPa)，D(T)是奥氏体的自扩散系数，D(T)＝D0exp(Qsd/(RT))，D0是扩散常数，Qsd是自扩散激活能，E(T)描述了杨氏模量与温度的关系；B′、α′和n′为材料常数；将应变量ε对实验钢流变应力的影响引入本构方程中，逐一计算系列不同应变量对应应力下的此类本构方程，所得到的材料常数lnB′、α′和n′与应变量ε的关系用5次多项式拟合；将拟合结果代入模型中，即获得流变应力预测模型：其中：α′ε＝α0+α1ε+α2ε2+α3ε3+α4ε4+α5ε5，n′ε＝N0+N1ε+N2ε2+N3ε3+N4ε4+N5ε5，(lnB′)ε＝B0′+B1′ε+B2′ε2+B3′ε3+B4′ε4+B5′ε5；步骤3：动态材料模型是根据大应变量塑性变形条件下的不可逆热动力学、物理系统模拟和连续力学等方面的基本原理建立起来的。根据动态材料模型，定义功率耗散效率因子η和加工失稳的判据如下：其中m是应变速率敏感因子，同一应变量下，在温度-应变速率的二维平面上，画出η的等值线图，即功率耗散图，再绘出参数ξ为负的区域，即热加工失稳图，即得到了材料的加工图；观测钢在不同变形条件下的显微组织，和加工图相结合，确定加工图中的流变失稳区、动态再结晶区和动态回复区；步骤4：将本构模型和加工图结合起来研究材料的热变形行为：利用建立的本构模型预测不同变形条件下的应力应变曲线，不同的变形条件对应着加工图中的不同位置，确定不同变形条件下的功率耗散效率因子η，从而得到任意变形条件下的流变应力曲线信息和热变形功率耗散效率η值。本专利技术利用加工图和本构方程两种方法相互印证，从而更准确地判断不同条件下的热变形组织演变机制及热加工性能。更进一步的，所述步骤1中的变形温度为900-1100℃，变形温度的间隔区间为50℃，所述应变速率0.01-30s-1，分别取0.01、0.1、1、10和30s-1。更进一步的，步骤2中α′的值利用公式α′＝β′/n1′求得，而n1′和β′分别由和的斜率得到，根据线性回归求得n1′和β′的值；根据本构模型，线性拟合所得斜率和截距分别用来计算n′和lnB′的值。更进一步的，步骤2中应变量ε的取值从0.05-0.80，间隔区间为0.05。更进一步的，步骤2中的E(T)根据下式计算得到：其中，E0和G0分别代表材料在300K时的杨氏模量和剪切模量，G为材料在温度T下的剪切模量，TM是材料的熔点。3.有益效果采用本专利技术提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：(1)本专利技术的一种C-Mn-Al高强度钢热变形组织演变机制及热加工性能的确定方法，结合基于物理的热变形本构方程和热变形加工图，利用加工图和本构方程两种方法相互印证，从而能够更准确地判断不同条件下的热变形组织演变机制及热加工性能。(2)本专利技术的一种C-Mn-Al高强度钢热变形组织演变机制及热加工性能的确定方法，利用建立的本构模型预测不同变形条件下的应力应变曲线，不同的变形条件对应着加工图中的不同位置，确定不同变形条件下的功率耗散效率因子η，从而得到任意变形条件下的流变应力曲线信息和热变形功率耗散效率η值，了解一定变形条件下材料的热变形及动态再结晶信息，从而给材料的热加工过程提供重要参考。附图说明图1-图4为不同变形条件下本构模型的预测值和实验值对比。图5为热变形加工图及加工图中不同区域所对应的热变形显微组织。图6为两种不同变形条件(1080℃、0.03s-1和930℃、6s-1)下所对应加工图中的位置标定情况。图7为1080本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种C‑Mn‑Al高强度钢热变形组织演变机制及热加工性能的确定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1：在不同变形温度和应变速率下对钢进行高温压缩实验，获得钢的真应力‑真应变曲线数据；步骤2：建立预测C‑Mn‑Al高强度钢高温流变应力的本构模型，如下式所示：

【技术特征摘要】
1.一种C-Mn-Al高强度钢热变形组织演变机制及热加工性能的确定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1：在不同变形温度和应变速率下对钢进行高温压缩实验，获得钢的真应力-真应变曲线数据；步骤2：建立预测C-Mn-Al高强度钢高温流变应力的本构模型，如下式所示：上式中，是应变速率(s-1)，T是温度(K)，σ是流变应力(MPa)，D(T)是奥氏体的自扩散系数，D(T)＝D0exp(Qsd/(RT))，D0是扩散常数，Qsd是自扩散激活能，E(T)描述了杨氏模量与温度的关系；B′、α′和n′为材料常数；将应变量ε对实验钢流变应力的影响引入本构方程中，逐一计算系列不同应变量对应应力下的此类本构方程，所得到的材料常数lnB′、α′和n′与应变量ε的关系用5次多项式拟合；将拟合结果代入模型中，即获得流变应力预测模型：其中：α′ε＝α0+α1ε+α2ε2+α3ε3+α4ε4+α5ε5，n′ε＝N0+N1ε+N2ε2+N3ε3+N4ε4+N5ε5，(lnB′)ε＝B′0+B′1ε+B′2ε2+B′3ε3+B′4ε4+B′5ε5；步骤3：根据动态材料模型，定义功率耗散效率因子η和加工失稳的判据如下：其中m是应变速率敏感因子，同一应变量下，在温度-应变速率的二维平面上，画出η的等值线图，即功率耗散图，再绘出参数ξ为负的区域，即热加工失稳图，即得到了材料的加工图；观测钢在不同变形条件下的显微组织，和加工图相结合，确定加工图中的流变失稳区、动态再结晶区和动态回复区；步骤4：...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏海莲，潘红波，周红伟，邓贤波，
申请(专利权)人：安徽工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34