基于Level_Set方法...合金钢的奥氏体晶粒长大模型_司亚辉.pdf

第44卷第7期2 0 2 3 年 7 月材 料 热 处 理 学 报TRANSACTIONS OF MATERIALS AND HEAT TREATMENTVol.44 No.7July2023DOI:10.13289/j.issn.1009-6264.2022-0615基于 Level Set 方法的 40CrMnMoA 合金钢的奥氏体晶粒长大模型司亚辉,陈学文,白荣忍,周 正,张晓鹏,周旭东(河南科技大学材料科学与工程学院,河南 洛阳 471023)摘 要:为准确描述 40CrMnMoA 合金钢的奥氏体晶粒长大行为,借助 Gleeble-1500D 型热模拟机对 40CrMnMoA 合金钢进行了保温试验,温度为 9001150,时间为102000 s。基于试验结果,通过非线性回归建立了40CrMnMoA 合金钢 Burke-Turnbull 奥氏体晶粒长大模型,构建了基于 Level Set 方法的 40CrMnMoA 合金钢奥氏体晶粒长大的介观尺度有限元模型并进行计算。结果表明:保温温度与保温时间对 40CrMnMoA 合金钢的晶粒长大行为均具有较大的影响。40CrMnMoA 合金钢的奥氏体平均晶粒直径随保温时间的延长呈抛物线增长。所建立的 Burke-Turnbull 晶粒长大动力学模型具有较高的精度,试验值与计算值相关系数(R)为0.9932。40CrMnMoA 合金钢奥氏体再结晶晶粒长大激活能(Qm)为142845.37 J/mol。通过对比仿真计算与试验所得的晶粒组织,验证了本文所建有限元模型可有效地预测 40CrMnMoA 合金钢的奥氏体晶粒长大演变过程。关键词:奥氏体晶粒长大;Level Set 方法;40CrMnMoA 合金钢;Burke-Turnbull 模型;数值模拟中图分类号:TG142.3 文献标志码:A 文章编号:1009-6264(2023)07-0157-09收稿日期:2022-12-03 修订日期:2023-02-08基金项目:国家自然科学基金(51575162);国家重点研发计划资助项目(2020YFB2008400)作者简介:司亚辉(1996),男,硕士研究生,主要从事塑性成形数值模拟及智能优化研究,E-mail:siyahui 。通信作者:陈学文(1970),男,教授,博士,主要从事塑性成形数值模拟及智能优化研究,E-mail:chenxwdavid 。引用格式:司亚辉,陈学文,白荣忍,等.基于 Level Set 方法的 40CrMnMoA 合金钢的奥氏体晶粒长大模型J.材料热处理学报,2023,44(7):157-165.SI Ya-hui,CHEN Xue-wen,BAI Rong-ren,et al.Austenite grain growth model of 40CrMnMoA alloy steel based on Level Set methodJ.Transactions of Materials and Heat Treatment,2023,44(7):157-165.Austenite grain growth model of 40CrMnMoA alloy steel based on Level Set methodSI Ya-hui,CHEN Xue-wen,BAI Rong-ren,ZHOU Zheng,ZHANG Xiao-peng,ZHOU Xu-dong(School of Materials Science and Engineering,Henan University of Science and Technology,Luoyang 471023,China)Abstract:In order to accurately describe the austenite grain growth behavior of 40CrMnMoA alloy steel,the holding test of the 40CrMnMoA alloy steel was carried out with the help of Gleeble-1500D thermal simulator,the holding temperature was 900-1150 and the holding time was 10-2000 s.Based on the experimental results,the Burke-Turnbull austenite grain growth model of the 40CrMnMoA alloy steel was established by nonlinear regression,and a mesoscopic-scale finite element model of austenite grain growth of the 40CrMnMoA alloy steel based on Level Set method was constructed and calculated.The results show that the holding temperature and holding time have great influence on the grain growth behavior of the 40CrMnMoA alloy steel.The average grain diameter of austenite of the 40CrMnMoA alloy steel changes as parabola with the increase of holding time.The established Burke-Turnbull grain growth dynamics model has high accuracy,and the correlation coefficient(R)between the experimental value and the calculated value is 0.9932.The activation energy(Qm)of austenite recrystallization grain growth of the 40CrMnMoA alloy steel is 142845.37 J/mol.By comparing the grain structure obtained from simulation calculation and experimental,it is verified that the finite element model established in this paper can effectively predict the evolution process of austenite grain growth of the 40CrMnMoA alloy steel.Keywords:austenite grain growth;Level Set method;40CrMnMoA alloy steel;Burke-Turnbull model;numerical simulation 高压辊磨机由于具有生产效率高、节能、投资少、维护方便、工作环境友好等优点,被世界公认为先进 材 料 热 处 理 学 报第 44 卷的破碎粉磨设备,在世界范围内得到了快速推广与应用。挤压辊作为辊磨机主要受力部件,由于使用环境、工作状态等原因,被要求具有优异的耐磨性、高的疲劳强度、良好的抗裂纹产生与扩展能力等力学性能1-2。控制奥氏体晶粒大小与均匀分布是改善锻件力学性能、延长服役期限的重要方法。根据 Halle-Petch 理论,材料内部晶粒越细小,其将拥有更高的强度、硬度与韧性3。特大型锻件由于其尺寸与形状的影响,整个锻造过程较长且不可避免地需要进行多道次锻造。而合金钢在整个锻造与冷却过程中,奥氏体再结晶晶粒在晶界能量的驱动下晶界面积减小,使整个系统的能量降低。这将导致奥氏体再结晶晶粒在热变形过程中与变形后冷却时发生长大4。锻件内部初始奥氏体晶粒尺寸是影响后续热处理时材料内部晶粒大小及组织的关键因素。奥氏体晶界是后续热处理过程中铁素体、马氏体和/或贝氏体的形核点。因此,更细小的奥氏体微观结构冷却后得到的微观组织也将更细小,从而提高产品最终的强度、塑性与韧性5。因此,关于奥氏体晶粒长大行为的研究有助于制定合理的热成形工艺,从而为热处理准备细小均匀的晶粒组织。奥氏体再结晶晶粒的长大行为是热锻过程中材料内部组织演变的重要组成部分,因此为实现对整个热锻过程中组织演变进行准确的仿真计算及微观组织控制,就必须建立准确的奥氏体晶粒长大模型6。现国内外用来描述奥氏体晶粒长大行为的经典动力学模型主要有 Anelli 模型4,7-8、Burke-Turnbull动力学模型9-10和 Sellars 模型11-12。其中 Sellars 模型考虑了初始平均晶粒尺寸、保温时间与保温温度对奥氏体晶粒长大行为的影响,但该模型要求晶粒平均直径的 n 次方与保温时间符合线性关系。Anelli 模型考虑到了晶粒的长大随时间成一定幂次方的关系,并引入时间增长指数进行描述。但该模型未考虑初始晶粒尺寸的影响,在保温时间为零时,计算所得晶粒尺寸为零,这与事实严重不符。Burke-Turnbull 动力学模型在考虑初始晶粒尺寸的同时引入时间指数,综合考虑了初始晶粒尺寸、保温温度与保温时间对奥氏体晶粒长大行为的影响。虽然经典动力学模型可以描述晶粒的平均尺寸的变化,但无法对于晶粒的形貌、晶粒尺寸的分布、晶粒异常长大的过程进行描述13。目前运用介观尺度建模来描述微观组织形貌与分布的方法主要有以下几类:元胞自动机法(CA)、蒙特卡罗法(MC)、相场法(PF)、水平集法(Level Set)。Ogawa 与 Natsume14使用简单的晶界曲率模型和随机转移规则作为 CA 算法,开发了三维元胞自动机(3DCA)晶粒生长模型,通过使用开发的模型进行大规模模拟,可以准确预测 3D 理想晶粒生长。Wu等15通过相场模拟了单相 AZ31 镁合金在真实时空过程中的异常晶粒生长,讨论了晶粒异常生长的影响因素。Mohammadi 等16使用蒙特卡罗法模拟预测了Zn-22Al 双相合金加热过程中的微观结构演变和晶粒生长动力学,发现 Zn-22Al 的晶粒生长受沿晶界扩散的控制,并且在模拟和试验结果之间获得了合理的一致性。Jin 等17分别使用具有各向异性和各向同性晶界能量的 Leve Set 法进行了两个具有约10000 个晶粒的晶粒生长模拟。各向同性晶粒生长的模拟结果与 Burke-Turnbull 模型一致。相较于其他两种方法 PF 法与 Level Set 法能够较好地跟踪界面随时间变化的位置,并且 Level Set 法可实现并行运算,这极大地降低了计算成本。目前少有研究基于 Level Set 方法对奥氏体再结晶晶粒长大行为进行介观尺度的仿真计算,特别是对于大型挤压辊用40CrMnMoA 合金钢该方面的研究尚属空白。本文借助 Gleeble-1500D 型热模拟机对 40CrMnMoA 合金钢进行了单轴热压缩与保温试验,建立了 Burke-Turnbull 晶粒长大动力学模型,并在此基础上基于Level Set 方法建立了 40CrMnMoA 合金钢奥氏体晶粒长大介观尺度有限元模型,分析了 40CrMnMoA合金钢奥氏体再结晶晶粒长大规律,旨在为后续40CrMnMoA 合金钢大型挤压辊的热锻整流程仿真计算与工艺制定提供支持。1 试验材料与方法 试验材料采用大型挤压辊用 40CrMnMoA 合金钢,其化学成分如表 1 所示。运用电火花线切割将试样加工为 8 mm 12 mm 的圆柱状试样。利用Gleeble-1500D 型热-力物理模拟试验机