3Cr2MnNiMo钢锻造实验与有限元模拟

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3Cr2MnNiMo塑料模具钢具有非常好的淬透性和抛光性,是制造大截面高品质模具钢的首选钢种,并且该塑料模具钢的市场需求比较大,国内优质的塑料模具钢还相对较少,因此对3Cr2MnNiMo的研究是有实际价值和意义的。本文的研究来源于“十三五”国家重点研发计划,“高性能工模具钢及应用”项目之“系列高品质模具钢的热加工与组织调控关键技术”(项目编号:2016YFB0300402)。本文以3Cr2MnNiMo塑料模具钢为研究对象,通过实验研究了铸锭的均质化及组织演变规律。并通过有限元软件ABAQUS建立锻造有限元模型,对锻件金属流动规律、应力应变、温度变化和锻造质量等结果进行分析,主要研究内容和结论如下:(1)观察了 3Cr2MnNiMo钢的铸态组织,从边部到心部能明显看到枝晶偏析现象。相比于一镦一拔,采用两镦两拔的锻造工艺,带状组织不明显。正火+调质处理后的试样具有典型的回火索氏体组织,两镦两拔试样组织相对于一镦一拔试样的组织更加细小均匀,说明在相同的热处理工艺下,两镦两拔的锻造工艺得到的组织比较好;(2)对比1200℃高温扩散不同时间的显微组织和面扫结果,可以看出,在相同扩散温度下,随着保温时间的增加,能够得到明显改善枝晶偏析现象,枝晶组织的枝晶臂和枝晶间慢慢的变得模糊,直至不可分辩,元素分布也逐渐均匀,而且对于3Cr2MnNiMo钢,在1200℃的条件下,Mn与Ni元素的扩散速度要高于Cr元素;(3)一镦一拔后未进行热处理的试样的平均硬度为371.6HV,不同位置的硬度差值较大。对两种锻造方法进行正火+调质处理后,一镦一拔后的平均硬度为432.8HV,硬度差值为15.8HV;采用两镦两拔后的平均硬度为439.7HV,硬度差值为10.5HV,相对于一镦一拔的锻造工艺,硬度分布更加均匀。对比一镦一拔和两镦两拔热处理后的冲击韧性,采用两镦两拔的冲击功略有提升,但等向性和一镦一拔的差别不大,主要是因为试样尺寸较小,采用一镦一拔和两镦两拔影响较小;(4)对锻造质量衡量标准进行研究,讨论了模具钢的均质性和等向性,并对锻造比的计算方法进行了归纳分析,确定将镦粗比和拔长比分开计算,来对金属整体变形程度进行衡量。提出了通过有限元分析结果来计算方向累积变形功,通过锻件三个方向累积变形功的比值来衡量模具钢等向性;(5)简化锻造模拟过程,建立锻造热力耦合有限元模型,通过热模拟试验测定3Cr2MnNiMo钢的真应力和真应变曲线,并通过JMatPro软件计算试验钢的热传导率、比热等热物性参数,确定边界条件并为模拟分析做准备;(6)对试验钢进行了全过程的锻造有限元分析,从温度场、应力场、应变场、锻件质量等方面,对比分析了轴向反复镦拔法和十字锻造法对锻材质量的影响。结果显示,采用轴向反复镦拔和十字锻造法各有优劣,但轴向反复镦拔法锻造方法简单,易于操作;(7)通过方向累积变形功对两种锻造法进行计算,在相同的锻造比下,轴向反复镦拔法的比值更大,整体变形程度更加均匀。采用轴向反复镦拔法,对不同锻造比的等比模型进行了计算,结果显示,随着锻造比的增加,累积变形功也在增加。
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