78 工程科学学报，第38卷，第1期 分恶劣.国内外高端装备制造业的迅猛发展对齿轮材 和实验依据 料的性能提出更高要求以满足齿轮的可靠性、稳定性 1 和长寿命要求.研究者一直致力于研发满足航空航 试验方法 天、汽车、机械等各种用途的综合性能优良的齿轮用 1.1 Gleeble热压缩模拟试验 钢.C-Co-Mo-Ni高合金钢以其高纯净度、细小晶粒 采用5t真空感应熔炼炉(VM)+1t真空自耗电 度、高强度以及优良的耐蚀性逐渐应用于极端环境，成 弧炉(VAR)工艺治炼的Cr-Co-Mo一Ni高合金钢为试 为未来齿轮钢的发展方向之一.为改善此钢种的 验材料，其成分（质量分数，%)为：C,0.1~0.2;Si, 组织和性能，从毛坯到齿轮普遍采用模锻工艺.在锻 <0.1:Mn,<0.1:Co,10~15:Ni,1-3:Cr,11~14: 造过程中齿轮会经历一系列的热变形过程，其中锻造 Mo,4~5.从120mm锻造棒料上制取8mm×12mm 工艺参数会在很大程度上影响齿轮件的使用性能.为 标准试样，在Gleeble-3800热模拟试验机上进行单 选择合理的热变形工艺，需要对该材料的热变形行为 道次热压缩试验.热压缩试验应变量为0.92，变形 进行研究.近年来，人们多采用本构方程和热加工图 温度为700~1200℃，应变速率为0.1、1、20和50s 对材料热变形过程进行研究，国内外已有一些文献报 试样以20℃·s的速度加热到变形温度，保温5 道了不同合金尤其是镁铝合金的热变形特性5)，但 min,按相应的应变速率变形到60%后立即水冷保存 针对此钢种热变形行为的研究很少. 热变形组织.随后将试样沿轴线剖开，经打磨、抛光 基于动态材料理论模型建立的热加工图可以确定 和腐蚀后，在奥林巴斯GX51倒置金相显微镜下观察 热加工的失稳区间和微观演变机制，同时可以优化热 显微组织 加工工艺制度、控制材料的组织和力学性能进而提高 1.2锻造过程有限元模拟 工件的使用性能. 工件原料为中l50mm×150mm的棒料，终锻成如 Prasad等☒于1984年首次提出动态材料模型 图1所示的工件 (DMM),随后对该模型进行优化和完善，并对模型参 数的物理意义进行解释和分析，构建了功率耗散图，提 0193 0107 出加工失稳的问题，并给出流变失稳判据，建立了失稳 R25 图田.把功率耗散图与流变失稳图叠加得到完整的 热加工图.热加工图可以分析热加工不同区域的变形 机制，如动态回复、动态再结晶以及流变失稳情况，如 R10 空洞、开裂和剪切带.通过区分热加工工艺的“安全 区”和“不安全区”，达到优化工艺的目的4.然而， I2.5 采用物理模拟的方式建立的热加工图通常适用于解决 中150 轧材或简单热变形且形状不复杂的锻件-9，对于锻 件形状和加工工艺复杂的锻造过程则难以直接应用， 图1Cr-Co-Mo-Ni齿轮锻件几何尺寸（单位：mm) 因为复杂的锻件不同区域的形变温度和应变速率相差 Fig.1 Schematic diagram of a simulated Cr-Co-Mo-Ni gear forging (unit:mm) 较大. 为利用热加工图研究锻造过程的加工工艺和组织 工件初始为均匀温度场，模具无预热，环境温度 演变情况，需要确定锻件不同时间，不同部位的温度和 20℃.模锻分为不同道次，每道次锻锤滞空时长4$， 应变速率分布情况.为此，本文使用有限元方法对模 锻压0.2s.工件与模具和锻锤间的换热系数分别为 锻过程锻件的物理场进行模拟. 1120Wm2.K1和1200Wm2.K,由文献0,3]反 传统的有限元模拟多是针对锻造过程的温度场以 算得到：与空气的换热系数为20W·m2.K1网.工件 及应力应变场进行模拟计算-四，或者对锻造过程锻 与模具、锻锤的摩擦系数均为0.3.模锻结束对工 件可能出现的折叠、孔洞焊合问题以及晶粒演变情况 件进行空冷.依据条件，使用有限元软件DEFORM-- 进行研究32；而结合热加工图以及有限元模拟结果 3D对模锻过程进行模拟，考察锻造过程中锻件不同部 对锻造工艺进行优化的研究较少，特别是合金质量分 位温度和应变速率的变化，进而结合热加工图获取适 数达到30%的高合金钢种.本文基于Gleeble热模拟 宜的锻造工艺参数.表1为测试材料的基本参数.其 试验结果和动态材料模型理论，建立了应变为0.92 中导热系数、密度和比热容由软件ProCAST所带的Fe (变形量60%)的热加工图.对热加工图进行分析，并 基合金数据库模拟得到，杨氏模量、切变模量和热膨胀 结合有限元模拟，进行热加工工艺制度的优化，为工艺 系数由试验测定，表中给出的是700~1200℃下的取 制定的一般原则和可行工艺参数范围的选择提供理论 值范围.工程科学学报，第 38 卷，第 1 期 分恶劣． 国内外高端装备制造业的迅猛发展对齿轮材 料的性能提出更高要求以满足齿轮的可靠性、稳定性 和长寿命要求． 研究者一直致力于研发满足航空航 天、汽车、机械等各种用途的综合性能优良的齿轮用 钢． Cr--Co--Mo--Ni 高合金钢以其高纯净度、细小晶粒 度、高强度以及优良的耐蚀性逐渐应用于极端环境，成 为未来齿轮钢的发展方向之一［1--4］． 为改善此钢种的 组织和性能，从毛坯到齿轮普遍采用模锻工艺． 在锻 造过程中齿轮会经历一系列的热变形过程，其中锻造 工艺参数会在很大程度上影响齿轮件的使用性能． 为 选择合理的热变形工艺，需要对该材料的热变形行为 进行研究． 近年来，人们多采用本构方程和热加工图 对材料热变形过程进行研究，国内外已有一些文献报 道了不同合金尤其是镁铝合金的热变形特性［5--11］，但 针对此钢种热变形行为的研究很少． 基于动态材料理论模型建立的热加工图可以确定 热加工的失稳区间和微观演变机制，同时可以优化热 加工工艺制度、控制材料的组织和力学性能进而提高 工件的使用性能． Prasad 等［12］于 1984 年首次提出动态材料模型 ( DMM) ，随后对该模型进行优化和完善，并对模型参 数的物理意义进行解释和分析，构建了功率耗散图，提 出加工失稳的问题，并给出流变失稳判据，建立了失稳 图［13］． 把功率耗散图与流变失稳图叠加得到完整的 热加工图． 热加工图可以分析热加工不同区域的变形 机制，如动态回复、动态再结晶以及流变失稳情况，如 空洞、开裂和剪切带． 通过区分热加工工艺的“安全 区”和“不安全区”，达到优化工艺的目的［14--16］． 然而， 采用物理模拟的方式建立的热加工图通常适用于解决 轧材或简单热变形且形状不复杂的锻件［17--19］，对于锻 件形状和加工工艺复杂的锻造过程则难以直接应用， 因为复杂的锻件不同区域的形变温度和应变速率相差 较大． 为利用热加工图研究锻造过程的加工工艺和组织 演变情况，需要确定锻件不同时间，不同部位的温度和 应变速率分布情况． 为此，本文使用有限元方法对模 锻过程锻件的物理场进行模拟． 传统的有限元模拟多是针对锻造过程的温度场以 及应力应变场进行模拟计算［20--22］，或者对锻造过程锻 件可能出现的折叠、孔洞焊合问题以及晶粒演变情况 进行研究［23--25］; 而结合热加工图以及有限元模拟结果 对锻造工艺进行优化的研究较少，特别是合金质量分 数达到 30% 的高合金钢种． 本文基于 Gleeble 热模拟 试验结果和动态材料模型理论，建立了应变为 0. 92 ( 变形量 60% ) 的热加工图． 对热加工图进行分析，并 结合有限元模拟，进行热加工工艺制度的优化，为工艺 制定的一般原则和可行工艺参数范围的选择提供理论 和实验依据． 1 试验方法 1. 1 Gleeble 热压缩模拟试验 采用 5 t 真空感应熔炼炉( VIM) + 1 t 真空自耗电 弧炉( VAＲ) 工艺冶炼的 Cr--Co--Mo--Ni 高合金钢为试 验材料，其 成 分( 质 量 分 数，% ) 为: C，0. 1 ～ 0. 2; Si， ＜ 0. 1; Mn，＜ 0. 1; Co，10 ～ 15; Ni，1 ～ 3; Cr，11 ～ 14; Mo，4 ～ 5． 从 120 mm 锻造棒料上制取 8 mm × 12 mm 标准试样，在 Gleeble--3800 热模拟试验机 上 进 行 单 道次热压缩试验． 热压缩试验应变量为 0. 92，变形 温度为 700 ～ 1200 ℃，应变速率为 0. 1、1、20 和50 s － 1 ． 试样以 20 ℃·s － 1 的 速 度 加 热 到 变 形 温 度，保 温 5 min，按相应的应变速率变形到 60% 后立即水冷保存 热变形组织． 随后将试样沿轴线剖开，经打磨、抛光 和腐蚀后，在奥林巴斯 GX51 倒置金相显微镜下观察 显微组织． 1. 2 锻造过程有限元模拟 工件原料为 150 mm × 150 mm 的棒料，终锻成如 图 1 所示的工件． 图 1 Cr--Co--Mo--Ni 齿轮锻件几何尺寸( 单位: mm) Fig． 1 Schematic diagram of a simulated Cr--Co--Mo--Ni gear forging ( unit: mm) 工件初始为均匀温度场，模具无预热，环境温度 20 ℃ ． 模锻分为不同道次，每道次锻锤滞空时长 4 s， 锻压 0. 2 s． 工件与模具和锻锤间的换热系数分别为 1120 W·m － 2·K － 1和 1200 W·m － 2·K － 1，由文献［1，3］反 算得到; 与空气的换热系数为 20 W·m － 2·K － 1［26］． 工件 与模具、锻锤的摩擦系数均为 0. 3［26］． 模锻结束对工 件进行空冷． 依据条件，使用有限元软件 DEFOＲM-- 3D 对模锻过程进行模拟，考察锻造过程中锻件不同部 位温度和应变速率的变化，进而结合热加工图获取适 宜的锻造工艺参数． 表 1 为测试材料的基本参数． 其 中导热系数、密度和比热容由软件 ProCAST 所带的 Fe 基合金数据库模拟得到，杨氏模量、切变模量和热膨胀 系数由试验测定，表中给出的是 700 ～ 1200 ℃ 下的取 值范围． · 87 ·