中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制损伤预测方法及模型技术

本发明专利技术中碳钢超细晶棒材3D‑SPD轧制损伤预测方法及模型涉及超细晶制备技术领域，具体涉及中碳钢超细晶棒材3D‑SPD轧制损伤预测方法及模型，基于有限元模拟软件建立中碳钢超细晶棒材3D‑SPD轧制过程中曼内斯效应的损伤模型；本发明专利技术通过有限元建立中碳钢超细晶棒材3D‑SPD轧制过程中曼内斯效应的损伤模型，并进一步得出中碳钢超细晶棒材3D‑SPD轧制过程中裂纹萌生的模型，通过将设计的送进角、辗轧角、辊面锥角、径缩率参数输入至中碳钢超细晶棒材3D‑SPD轧制模型，并设定裂纹萌生的模型，从而判断是否会萌生裂纹，更有利于对中碳钢超细晶棒材3D‑SPD的轧制。

【技术实现步骤摘要】
中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制损伤预测方法及模型
本专利技术涉及超细晶制备
，具体涉及中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制损伤预测方法及模型。
技术介绍
近年来，超细晶/纳米晶材料由于其优异的性能受到了世界各国材料领域专家的关注。人们通过持续细化晶粒来不断提高多晶材料的强韧化水平，其中，尤其以剧烈塑性变形（SeverePlasticDeformation，简称SPD）技术的研究成果令人瞩目。目前，主流的SPD工艺包括高压扭转（HPT）、等通道转角挤（ECAP）、累积叠轧（ARB）、多向锻造（MF）和扭转挤压（TE）五种方法。不过这些SPD方法也存在明显的局限性，主要表现在：（1）剧烈变形区的渗透性差，仅发生在工件-模具或工件-工件表层附近，没有渗透到工件芯部，即变形区穿深小或穿深能力差，远远不能满足工业级大尺寸通体超细晶材料制备的要求。（2）现有SPD技术在变形过程中，足够大的静水压力对于抑制裂纹等变形缺陷，约束材料自由变形以强化变形累积效果都具有重要作用，从而使现有各类SPD方法的成形载荷（平均单位压力达GPa级）远远高于常规塑性变形方法（一般为MPa级），严重制约了SPD技术在大尺寸块体材料制备领域中的工程应用。国内外对于中碳钢超细晶工艺的报道相对较少。但由于超细晶粒钢具有优良的抗疲劳性能、良好的焊接性、较高的强度以及良好的低温韧性等优点，其在加工领域的广阔应用前景是不容置疑的。燕山大学王天生等人在专利【CN106868398A】、【CN106868281A】和【CN106868414A】中提出了一种超细晶铁素体/低温贝氏体双相钢及其制备方法，将回火屈氏体组织的钢热轧和淬火形成超细铁素体和细晶奥氏体，细晶奥氏体再进行低温贝氏体转变制备出了仅12mm厚的板材，该方法仍处于实验室阶段，无法满足工业化需求；南京钢铁股份有限公司曾周燏、王从道等人专利【CN103572023B】中提出了一种低合金钢厚板/特厚板表层超细晶的制造方法。该方法采用多次控轧控冷,使表层奥氏体晶粒细化，快速冷却获得具有表层细晶组织的厚钢板，虽然制得了80mm厚的板材，但是其表层组织与心部组织细化效果差距明显，变形没有渗透到心部，仅在表层（1-10mm）范围为细晶。南京理工大学李玉胜等人在专利【CN110408869A】中提出了一种超细晶结构铜及铜合金线、棒材的制备方法。该方法首先将材料进行退火处理，获得晶粒尺寸范围为20～250μm的等轴晶组织；接着对其进行扭转挤压变形，制得了直径为10mm，长度为80mm的铜棒，所制得的铜棒不仅尺寸小，且晶粒尺寸明显呈梯度分布，边缘晶粒尺寸约为2μm，心部约为100μm，难以满足市场需求。西北工业大学及西安建筑科技大学刘东研究团队在专利【CN108580548A】、【CN108480397A】中提及了大尺寸45钢超细晶棒材的等距螺旋以及反锥螺线辊超细晶轧制方法，制备出了1-5μm的45钢大尺寸超细晶棒材。所谓曼内斯曼效应是指当变形工具轧辊相互倾斜一定角度，咬入坯料后，坯料螺旋前进。在轧件心部，形成了两向拉一向压的应力状态，当等效应力超过断裂极限时，心部就会产生裂纹，针对目前的3D-SPD成形变形参数的确定，尚未考虑对裂纹的控制，在成形过程会出现心部断裂现象。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供有利于实现对中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中心部裂纹萌生预防的中碳钢3D-SPD成形的超细晶棒材的损伤预测方法本专利技术中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制损伤预测方法，包括以下步骤：第一步，基于有限元模拟软件建立中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中曼内斯效应的损伤模型；损伤模型为：；其中，D为塑性成形中达到材料断裂时所需的塑性能;为平均应力；为断裂发生处的等效应变；为等效应力；为等效应变；第二步，根据第一步得出的损伤模型，得出为温度和应变速率的函数，即，其中，时的损伤阈值D=0.6-0.7，由此得中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中裂纹萌生的模型为：；第三步，将送进角、辗轧角、辊面锥角、径缩率输入第二步得到的中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中裂纹萌生的模型中，经过有限元计算，得出不同参数组合下的损伤值，然后根据损伤值判定中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中裂纹是否萌生：当损伤值大于损伤阈值时，中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中萌生裂纹，当损伤值小于损伤阈值时，中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中不萌生裂纹，损伤值在损伤阈值范围内时，中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中萌生裂纹；所述中碳钢超细晶棒材为大尺寸中碳钢超细晶棒材，该棒材的直径为50-100mm，该棒材长度为500mm-3000mm。优选地，第三步中，送进角、辗轧角、辊面锥角、径缩率见表一：表一序号送进角（β）辗轧角（γ）辊面锥角（α）径缩率（ε）118°15°4°45%218°18°5°50%318°21°6°55%421°15°5°55%521°18°6°45%621°21°4°50%724°15°6°50%824°18°4°55%924°21°5°45%得出损伤值及损伤值与损伤阈值D的关系见表二：表二序号损伤值与D的关系10.63在D范围内20.75＞D30.72＞D40.60在D范围内50.42＜D60.61在D范围内70.35＜D80.47＜D90.43＜D中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制损伤预测模型，利用中碳钢3D-SPD成形的超细晶棒材的损伤预测方法得出的模型，所述模型为：其中，D为塑性成形中达到材料断裂时所需的塑性能;为平均应力；为断裂发生处的等效应变；为等效应力；为等效应变；为温度；为应变速率。本专利技术通过有限元建立中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中曼内斯效应的损伤模型，并进一步得出中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中裂纹萌生的模型，通过将设计的送进角、辗轧角、辊面锥角、径缩率参数输入至中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制模型，并设定裂纹萌生的模型，从而判断是否会萌生裂纹，更有利于对中碳钢超细晶棒材3D-SPD的轧制。附图说明图1为表一对应分组的损伤模拟结果图。图2为实施例一的损伤模拟结果图。图3为实施例一的试件轧制后示意图。具体实施方式本专利技术中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中损伤预测方法，包括以下步骤：第一步，基于有限元模拟软件建立中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中曼内斯效应的损伤模型；损伤模型为：；其中，D为塑性成形中达到材料断裂时所需的塑性能;为平均应力；为断裂发生处的等效应变；为等效应力；为等效应变；第二步，根据第一步得出的损伤模型，得出为温度和应变速率的函数，即，其中，时的损伤阈值D=0.6-0.7，由此得中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中裂纹萌生的模型为：；第三步，将送进角、辗轧角、辊面锥角、径缩率输入第二步得到的中碳钢超细晶棒材3D-S本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制损伤预测方法，其特征在于，包括以下步骤：/n第一步，基于有限元模拟软件建立中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中曼内斯效应的损伤模型；/n损伤模型为：

【技术特征摘要】
1.中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制损伤预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，基于有限元模拟软件建立中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中曼内斯效应的损伤模型；
损伤模型为：；
其中，D为塑性成形中达到材料断裂时所需的塑性能;为平均应力；为断裂发生处的等效应变；为等效应力；为等效应变；
第二步，根据第一步得出的损伤模型，得出D为温度和应变速率的函数，即,其中，时的损伤阈值D=0.6-0.7，由此得中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中裂纹萌生的模型为：

；
第三步，将送进角、辗轧角、辊面锥角、径缩率输入第二步得到的中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中裂纹萌生的模型中，经过有限元计算，得出不同参数组合下的损伤值，然后根据损伤值判定中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中裂纹是否萌生：当损伤值大于损伤阈值时，中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中萌生裂纹，当损伤值小于损伤阈值时，中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中不萌生裂纹，损伤值在损伤阈值范围内时，中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制过程中萌生裂纹；
所述中碳钢超细晶棒材为大尺寸中碳钢超细晶棒材，该棒材的直径为50-100mm，该棒材长度为500mm-3000mm。


2.如权利要求1所述中碳钢超细晶棒材3D-SPD轧制损伤预测方法，其特征在于，第三步中，送进角、辗轧角、辊面锥角、径缩率见表一：
表一











序号
送进角（β）
辗轧角（γ）
辊面锥角（α）
径缩率（ε）


1
18°
15°
4°
45%


2
18°
18°
5°
50%


3
18°

【专利技术属性】
技术研发人员：庞玉华，
申请(专利权)人：西安建筑科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61